激光照射下生物组织中温度分布的计算

摘要

激光的出现开辟了研究生命科学的新途径，并为临床诊治疾病提供了新手段。激光与生物组织的相互作用成为重要的基础问题，并促使了新的学科“组织光学”的诞生。激光在医学上的应用研究迅速发展，但是至今基础研究仍然落后于临床应用，特别是对辐射曝光剂量的选择，临床上有很大的盲目性和试探性，这使得激光治疗的安全性和有效性很难保证，因此对激光与生物组织相互作用的研究就显得十分重要。
　　本文采用解析法和数值法，对激光照射下生物组织内部温度的分布情况进行了研究，并结合已有的实验结果进行对比验证，为激光应用的安全性和有效性提供理论依据。
　　首先概述了光与生物组织的基本作用机制及组织内部的光分布、热传输的基本理论，并总结了传热方程的求解条件：组织的光学参数、热学参数、血液灌注率以及边界条件和初始条件。
　　其次通过数学物理方法，根据激光作用在有限生物组织内热传导的实际情况，在考虑空气对流边界条件下对生物传热方程进行求解，得出激光作用下生物组织内部一维瞬态温度时空分布的解析表达式；在不考虑空气对流热传导边界条件情况下，得到简化的生物热传导方程的解析表达式。
　　再对生物传热方程进行数值求解，采用Matlab软件实现有限元方法求解二维柱坐标下的生物热传输方程，得出组织温度场的分布。本文采用已有实验的组织参数与激光参数对连续 Nd:YAG激光照射大鼠皮肤组织的模型进行数值模拟。模拟结果显示：平行光束作用于皮肤，皮肤表层组织吸热多；在激光照射时间较短的情况下，沿径向分布规律为光斑中心附近组织温升有最大值，沿径向有波动性温升，温升幅度随径向距离的增大而逐渐减小，随照射时间的增加而增加；沿轴向温度分布规律为温度随照射时间的增加而迅速增加，而光斑中心下深部组织处（z＞0.2cm）温度场分布与稳态温度场分布几乎都相同，不受激光照射的影响；照射时间相同而激光功率不同的情况下，沿径向皮肤表层温度随激光功率的增加而增加。解析解结果、数值模拟结果与相关实验报道结果基本吻合，从一定程度上说明了理论及数值模拟的合理性。在此基础上对连续Nd:YAG激光照射肝脏组织的模型进行模拟，结果证明血液灌注率是影响温升不可忽略的因素。
　　本论文计算结果表明：考虑真实活体组织的血液灌注率以及空气对流边界条件情况下，得出组织的温度场变化规律不仅取决于入射激光的强度及组织的光学参数，还取决于组织的热物性参数；激光辐照组织温度最高点在其表面中心处，并沿着径向和轴向衰减，且在轴向上的温度衰减大于径向上的温度衰减。

目录

第1章 绪论

1.1激光与生物组织光热效应的研究现状及意义

1.2激光与生物组织的光热作用

1.3本文研究内容和方法

第2章 生物组织中的光传输理论和生物组织传热理论

2.1生物组织中的光传输

2.2激光在生物组织中产生的光分布和热源项

2.3生物组织传热理论

2.4生物组织的热学性质

第3章 激光作用下生物组织内部温度分布的解析计算

3.1理论模型

3.2计算方法

3.3结果分析

第4章 激光作用下生物组织内部温度分布的数值计算

4.1 Matlab中有限元法的数值求解步骤

4.2数值模拟的模型

4.3数值模拟结果与分析

第5章 结论

5.1本文创新点

5.2研究展望

参考文献

附录 Nd：YAG激光照射大鼠皮肤组织的运算程序

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果