冷热交替作用下生物组织相变过程的研究

摘要

生物医学，低温生物学，生物化学以及生命科学等都涉及到能量，质量的传输等热物理问题。本文主要研究低温冷冻外科中生物组织的传热传质问题。这对于了解某些基本生命现象以及对临床的诊断和治疗，都具有一定的学术意义和实用价值。 本文系统地分析了生物组织在冻结一融化过程中的传热传质机制，建立了描述生物组织冻结一融化过程的数学模型，模型中将整个生物组织分作三个区域：冻结区，糊状区和液相区。通过构造等价热容和等价导热系数，导出了相应的控制方程组。采用显热容法对上述模型进行了数值模拟。针对不同的肿瘤和组织，将模型转化为一维，二维和三维问题进行描述和求解。采用FORTRAN语言编制了用于数值计算的计算机程序。 数值模拟的结果显示，生物组织在冷冻一融化的过程中，由于生物组织是多孔介质的结构特点，固体骨架和液相的传热过程存在着较大的区别。本文对冷冻外科中可能遇到的影响组织相变的各因素进行了分析和计算。这些因素包括：血液灌注率，代谢产热，组织热物性，冷刀的初始温度，冷刀的降温速率，以及血液的流动等。研究表明：在组织的相变分析过程中，冷刀的初始温度，冷刀的降温速率，以及血液的流动是影响相变过程地最主要因素。生物组织的血液灌注率对相变过程有一定影响，代谢产热的影响较小。肿瘤区域和正常组织区域由于热物性的不同，冰晶的生长和融化过程也有所不同。由于热物性对相变过程影响明显，因此，准确的测量和确定肿瘤和组织的热物性对相变过程的预测和分析十分重要。不同的冷刀初始温度和降温速率会影响肿瘤和组织的温度梯度的变化和分布，对冰晶的分布和结构产生影响，并对细胞和组织造成不同的损伤效果。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1研究背景概述

1.2国内外研究概况

1.2.1冷冻外科的应用和发展

1.2.2冷冻手术刀的应用和发展

1.2.3关于生物传热模型的研究

1.2.4关于生物组织相变过程传热传质的研究

1.3本课题研究的主要内容

第二章冷冻外科传热传质的基本原理

2.1冷刀的结构和工作原理

2.2细胞冷冻时的传热传质过程分析

2.2.1传热强于传质的过程

2.2.2传质强于传热的过程

2.3影响冷冻过程的主要因素

第三章生物组织冻融过程的传热传质模型

3.1生物组织相变过程概述

3.2生物组织冻融过程的传热模型

3.2.1生物组织相变过程的一维模型

3.2.2生物组织相变过程中的二维模型

3.2.3生物组织相变过程中的三维模型

3.3物性参数的确定

第四章生物组织相变过程的数值计算方法

4.1数值计算方法概述

4.2生物组织相变过程传热控制方程的离散化

4.2.1一维传热控制方程的离散化

4.2.2二维传热控制方程的离散化

4.2.3三维传热控制方程的离散化

4.3代数方程求解

第五章生物组织冻融过程的数值模拟和分析

5.1一维模型数值模拟结果及分析

5.1.1生物组织内骨架和流体相的温度变化

5.1.2冷刀降温速度对组织冻结温度变化的影响

5.1.3冷刀初始温度对组织冻结温度变化的影响

5.1.4流体相流动对温度变化的影响

5.2二维模型数值模拟结果和分析

5.2.1冻结过程组织内的温度变化

5.2.2血液灌注率对冻结过程的影响

5.2.3融化过程组织内的温度变化

5.3三维模型数值模拟结果和分析

5.3.1冻结过程组织内的温度变化

5.3.2不同血液灌注率对冻结过程的影响

5.3.3不同模型模拟结果的比较

第六章结论

致谢

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表论文

附录