生物組織光熱響應(yīng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)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(xué)光子學(xué)研究中重要的基礎(chǔ)性問題。在光與生物組織相互作用的多種效應(yīng)中,從臨床應(yīng)用的角度看光熱效應(yīng)是最重要的。目前,用MonteCarlo方法模擬光子在生物組織中的隨機(jī)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(yùn)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(jīng)開展的研究

2、工作大多數(shù)都是關(guān)于激光照射下的情形,并采用固定不變的光學(xué)和熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬,這并不完全符合實(shí)際的情況,實(shí)際上生物組織的光學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)與溫度密切相關(guān);此外,近年來在臨床上除了激光以外的其它光源包括強(qiáng)脈沖寬光譜光源等復(fù)合光的應(yīng)用也越來越多。因此,關(guān)于寬光譜復(fù)合光照射下,生物組織的光熱響應(yīng)特性的分析模型和實(shí)驗(yàn)方法等問題的研究具有非常重要的實(shí)際意義。本文結(jié)合數(shù)值分析以及實(shí)驗(yàn)手段,首先從生物組織的基本結(jié)構(gòu)出發(fā),根據(jù)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(jī)制進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上,分析了生物組織的熱傳導(dǎo)機(jī)制,闡述了組織中的熱損傷現(xiàn)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(xiàng)的表達(dá)。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(nèi)部的光子數(shù)分布和光能流率分布特點(diǎn);用有限元方法,對含有光源熱源項(xiàng)的牛肌肉組織傳熱方程進(jìn)行了計(jì)算求解,提出了動態(tài)光學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)情形下的有限元計(jì)算模型,分別計(jì)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(xué)和熱學(xué)特性參數(shù)情況下的組織的光熱響應(yīng)過程,結(jié)果表明1)若不考慮光學(xué)參數(shù)(μa與μs)以及熱學(xué)參數(shù)(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(xué)參數(shù)相比,動態(tài)光學(xué)參數(shù)更大程度的影響牛肌肉組織的溫度響應(yīng);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(xué)屏障,影響組織表面和內(nèi)部的光子數(shù)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(fù)合光源作用下生物組織光熱響應(yīng)的有

5、限元分析計(jì)算模型——利用單色儀和光功率計(jì)測量復(fù)合光源光功率的方法,并將結(jié)果運(yùn)用有限元進(jìn)行數(shù)值分析。本文以連續(xù)氙燈作為光源,對其功率譜分布進(jìn)行了測量;根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的組織光學(xué)和熱學(xué)參數(shù)模擬計(jì)算了市售新鮮豬皮膚組織和豬肝組織的溫度響應(yīng)特性,實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)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(fù)合光作用下生物組織光熱響應(yīng)的理論模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。本論文得到了國家自然科學(xué)基金(No