离体生物组织激光焊接工艺试验研究

摘要

生物组织激光焊接技术（Laser Biological Tissue Welding，LTW）作为一种微创手术具有操作简单、手术时间短、伤口愈合快、炎症反应轻、疤痕不明显等优点，是一种很具潜力的组织缝合替代技术。但是目前大多数生物组织激光焊接研究都集中在激光辐照后的慢性组织学，缺乏系统分析激光参数和其他相关因素对组织焊接吻合效果的影响规律;另外由于焊接参数多，生物组织差异大，导致激光焊接技术的可重复性较低，组织融合的潜在机理尚不明确。本文结合ANSYS数值模拟和试验研究的手段，主要探索了激光参数（如功率、光斑、激光输出方式、扫描方式等）和添加剂等因素对离体皮肤组织切口的焊接吻合效果，并给出生物组织激光焊接的作用机理和参数优化方案，以提高激光焊接技术在生物组织切口吻合应用的可重复性和安全性。
　　本文首先基于生物组织中的皮肤特性，系统总结了激光与生物组织的相互作用及激光在生物组织中热传输理论，为生物组织激光焊接的数值模拟和试验研究提供了可选择、可控制的重要参量。
　　其次应用生物热传输理论，采用ANSYS有限元法，搭建了皮肤的两层结构模型，施加高斯分布激光热源，计算了不同激光功率、光斑、热源移动速度和扫描方式下，模型的温度响应情况，包括峰值温度、温度场分布和时间行为等。
　　结合数值模拟的激光参数选择，采用自主设计的生物组织激光焊接试验平台对离体皮肤组织进行工艺试验研究，综合考虑了激光功率、添加剂、扫描方式和激光输出方式一系列因素对组织切口的焊接吻合效果。最终在数值模拟和试验研究基础上，提出了生物组织焊接机理和参数优化方案。
　　研究结果表明:生物组织切口受激光辐照而吻合的主要原因是组织与激光的热作用使内部温度升高至60～80℃，胶原和蛋白发生变性和凝结;BSA具有加速组织切口吻合，减少不可逆热损伤的作用;相比于连续激光，大功率下的脉冲激光，焊接时间减少30～40％，有助于提高焊接效率;在5W脉冲激光、脉宽50ms、光斑半径0.2mm、焊接速度200mm/s（直线扫描）作用下，切口经BSA处理，其焊接成功率接近100％，具有高重复性，切口抗拉强度最高可达38.2N·cm-2。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 生物组织激光焊接技术

1．2 生物组织激光焊接研究概况

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．3 主要研究内容和方法

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究方法

2 生物组织特性与热传输理论

2．1 皮肤结构

2．2 生物组织的热物理性能

2．3 生物组织的光学特性

2．4 生物组织的热传输理论

2．4．1 激光与生物组织的相互作用

2．4．2 生物组织的热传输方程

2．5 热损伤模型

2．6 小结

3 生物组织激光焊接的数值模拟

3．1 ANSYS中有限元法的数值求解步骤

3．1．1 定义单元类型

3．1．2 建立组织的求解模型

3．1．3 确定模型热物理和光学性能参数

3．1．4 网格划分

3．1．5 确定边界条件和初始条件

3．1．6 确定加载热源模型和求解参数

3．1．7 设置求解时间和时间步长

3．1．8 求解

3．1．9 输出结果

3．2 数值模拟结果分析

3．2．1 激光功率变化引起的组织温度响应

3．2．2 激光光斑尺寸变化引起的组织温度响应

3．2．3 热源移动速度变化引起的组织温度响应

3．2．4 激光扫描方式变化引起的组织温度响应

3．3 小结

4 离体生物组织激光焊接的试验研究

4．1 生物组织激光焊接试验平台设计

4．1．1 确定激光波长

4．1．2 设计激光焊接生物组织试验平台

4．2 试验方诘

4．3 操作步骤

4．4 数值模拟结果的验证

4．5 试验分析

4．5．1 不同功率激光照射下的焊接试验

4．5．2 添加剂对组织焊接效果的影响

4．5．3 激光扫描方式对组织焊接效果的影响

4．5．4 连续和脉冲激光照射下的焊接试验对比

4．6 生物组织激光焊接机理和参数优化方案

4．7 小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况