1064nm激光消融生物组织光、热场分布

摘要

激光照射肿瘤病变组织,通过与组织之间产生热效应达到消融肿瘤的目的。激光在生物组织中的传输、分布以及激光与生物组织之间的作用效应,是光致生物组织热效应的理论基础,也是选择控制激光治疗参数的重要前提,对生物组织光热响应特性的研究和分析对于激光临床治疗有非要重要的实际意义。由于生物组织与激光之间存在选择性光热作用,1064nm激光对于含水分较多的生物组织吸收效果较好,治疗效果明显,本文仅针对波长为1064nm激光与生物组织之间的相互作用进行分析研究。
　　目前,模拟光在生物组织中的传输问题,大多忽略光的波动特性,从光的粒子性出发,研究光子传输理论。描述光子传输的理论模型较多,但是大部分都有其使用局限性,蒙特卡罗是唯一适用于各种复杂生物组织模型及多层组织结构的随机算法,目前使用较为广泛。有限元和有限差分法是求解生物组织热传导方程中普遍采用的方法。目前开展的关于激光照射生物组织光热效应研究,大多数忽略了生物组织的热学参数随温度变化情况,实际上生物组织热学参数与温度的大小联系紧密。
　　本文在介绍生物组织结构的基础上,首先从激光与生物组织的相互作用出发,介绍了激光在生物组织中的传输规律,并分别运用光束扩散方法和蒙特卡罗方法分析了生物组织中光传输问题,同时,在蒙特卡罗分析无限细光束分布的基础上,采用卷积运算给出了有限宽高斯光束在生物组织内部传输分布的计算方法。结果表明,蒙特卡罗方法计算结果与光束扩散方法结果相比,光的散射特性较为明显,光能量分布较为分散。
　　其次,本文在分析生物组织中光传输问题的基础上,介绍了生物组织中热学参数及热传导机制,总结了传热方程的求解条件,包括组织的热学特性参数,边界条件和初始条件。将光束扩散方法和蒙特卡罗方法的光分布结果作为热源项,在轴对称坐标下将计算区域合理划分为二维,建立了激光照射牛肝脏组织表面时的传热模型,并利用有限元方法,采用Matlab和Ansys有限元软件数值求解了非线性生物传热偏微分方程。讨论了生物组织在低功率长时间激光照射下的温度变化情况。本文在此基础上还建立了生物组织动态热学参数的数学模型,分析对比了牛肝脏组织在动态热学参数和固定热学参数的条件下,生物组织组织温度场分布情况。
　　此外,本文还编写了光热作用下,组织温度场分布的数值分析可视化软件,简化了数值模拟光热作用的繁琐过程。

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第一章 绪论

1.1 激光消融疗法及生物组织光热效应的发展状况

1.2 生物组织光热消融效应的研究内容

1.3本文的主要研究内容

第二章 基于传输理论的光分布计算

2.1 光与生物组织的相互作用

2.2 光子传输理论

2.3 光束扩散方法

2.4 蒙特卡罗方法

2.5 本章小结

第三章 生物组织传热方程计算

3.1 生物组织热传导机制及pennes方程

3.2 生物传热方程求解方法

3.3 计算结果

3.4 本章小结

第四章 基于光子传输理论的生物组织温度场分析

4.1 蒙特卡罗模拟生物组织光热响应

4.2 不同光子传输理论的生物组织光热响应

4.3 基于动态热学参数组织光热响应结果

4.4 本章小结

第五章 光热模拟计算可视化软件的设计开发

5.1 软件功能需求分析及开发工具

5.2 软件功能模块

5.3 Matlab与C#接口模块

5.4 Ansys 与 C#接口模块

5.5 后处理模块

5.6 功能测试

5.7 本章小结

第六章 总结和展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文