生物組織光熱響應數值模擬與實驗研究.pdf

1、光輻射在生物組織體中的傳輸、分布以及光與生物組織的相互作用是生物醫(yī)學光子學研究中重要的基礎性問題。在光與生物組織相互作用的多種效應中,從臨床應用的角度看光熱效應是最重要的。目前,用MonteCarlo方法模擬光子在生物組織中的隨機行走路徑已比較成熟,美國的LihongWang和S.L.Jacques發(fā)表的MonteCarlo程序被廣泛地運用于組織中的光傳輸分析;而有限元和有限差分方法則是在熱分析中普遍采用的方法。目前為止,已經開展的研究

2、工作大多數都是關于激光照射下的情形,并采用固定不變的光學和熱學參數進行模擬,這并不完全符合實際的情況,實際上生物組織的光學參數和熱學參數與溫度密切相關;此外,近年來在臨床上除了激光以外的其它光源包括強脈沖寬光譜光源等復合光的應用也越來越多。因此,關于寬光譜復合光照射下,生物組織的光熱響應特性的分析模型和實驗方法等問題的研究具有非常重要的實際意義。本文結合數值分析以及實驗手段,首先從生物組織的基本結構出發(fā),根據光與生物組織相互作用后發(fā)生的

3、各種行為,對光與生物組織相互作用的基本機制進行了探討。在此基礎上,分析了生物組織的熱傳導機制,闡述了組織中的熱損傷現象和光照下生物組織的傳熱方程,并給出了高斯和圓平光束情形下光源熱源項的表達。隨后,采用MonteCarlo方法分析了光與生物組織相互作用過程中,生物組織內部的光子數分布和光能流率分布特點;用有限元方法,對含有光源熱源項的牛肌肉組織傳熱方程進行了計算求解,提出了動態(tài)光學參數和熱學參數情形下的有限元計算模型,分別計算了采用固定

4、的和隨溫度動態(tài)變化的牛肌肉組織光學和熱學特性參數情況下的組織的光熱響應過程,結果表明1)若不考慮光學參數(μa與μs)以及熱學參數(c,k和ρ)隨溫度變化的影響,將高估牛肌肉組織的溫升;2)與熱學參數相比,動態(tài)光學參數更大程度的影響牛肌肉組織的溫度響應;3)在激光輻照的過程中,在牛肌肉組織表面附近會形成一個光學屏障,影響組織表面和內部的光子數分布,從而影響組織的溫度分布。本文還創(chuàng)新地提出了適用于分析任意復合光源作用下生物組織光熱響應的有

5、限元分析計算模型——利用單色儀和光功率計測量復合光源光功率的方法,并將結果運用有限元進行數值分析。本文以連續(xù)氙燈作為光源,對其功率譜分布進行了測量;根據文獻報道的組織光學和熱學參數模擬計算了市售新鮮豬皮膚組織和豬肝組織的溫度響應特性,實驗采用自行設計的二維螺旋測溫裝置,測量了連續(xù)氙燈照射下市售新鮮豬皮膚組織和豬肝組織的溫度變化情況,對我們所提出的復合光作用下生物組織光熱響應的理論模型的正確性進行了驗證。本論文得到了國家自然科學基金(No