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金纳米颗粒光热参数重建及其在激光诱导热疗中的应用

任亚涛  
【摘要】:随着纳米技术的发展,其应用范围越来越广泛,并逐渐与其他热门领域,如生物学以及医学技术相互融合。在此背景下,纳米生物医学应运而生。纳米生物医学是一种依赖于纳米技术的,针对特定疾病进行预防、诊断以及治疗的科学,提高其相关领域的技术水平对于改善人类健康状况具有重要意义。癌症,(即恶性肿瘤)是危害人类健康的重大疾病,是公认的不治之症。纳米颗粒辅助的激光诱导肿瘤热疗技术是一种利用激光与纳米颗粒相互作用的热效应来治疗早期癌症的一种新方法。肿瘤热疗技术的优势在于非入侵以及副作用小,但仍然存在许多亟待解决的问题,如治疗过程肿瘤区域温度难以控制、容易对正常组织造成损害、最佳治疗时间,加热频率以及加热强度参数难以设定等。基于以上问题,本文首先对生物组织以及纳米颗粒系统的光热物性测量问题开展了研究,在此基础上研究了激光诱导肿瘤热疗过程中温度场以及损伤区域的影响因素以及改进方法。主要内容如下:采用离散偶极子近似法(DDA)对不同形状纳米颗粒(包括金纳米棒与金纳米三角片)的吸收散射特性进行分析,总结了两种类型的金纳米颗粒形状参数与其局部表面等离子激元共振波长的关系,为激光诱导肿瘤热疗中所采用的纳米颗粒类型提供参考;在此基础上研究了肩并肩、面对面及底边对底边等三种不同排列方式对纳米三角片二聚体光学特性的影响,并着重研究了不同颗粒间距对其吸收特性的影响。在不考虑热效应的前提下,通过测量脉冲激光作用下生物组织的透射及反射信号对生物组织的光学性质进行了重建。在此基础上,发现瞬态反射峰值信号与生物组织光学性质可以表示为激光脉冲宽度的波尔兹曼函数,并通过对人体手臂的在体测量进行验证。最后利用所得到的拟合关系式对生物组织的散射反照率及非对称因子进行了快速重建。微纳米颗粒的光学性质以及粒径分布对生物组织中激光的传输具有重要影响。本文针对颗粒系粒径分布及颗粒光学常数的反问题研究,提出了双波长双厚度法,通过测量不同厚度样品在不同波长光源辐照下的半球透反射信号或者不同接收角内的透射信号以及准直透射信号,并结合相应的反问题算法实现对颗粒系粒径分布以及光学常数进行重建。为了精确预测热疗过程中激光与生物组织相互作用热效应,需要对生物组织光热物性进行准确地测量。本文基于光热多源信息融合技术,提出二次优化方法,开展弥散介质光/热物性的同时重建研究。结合对弥散介质边界辐射强度(光信息)和边界温度(热信息)的测量,对介质内部随温度线性变化的导热系数与吸收系数进行了同时重建。在生物组织与纳米颗粒物性已知的前提下,采用Pennes生物传热模型,研究了激光诱导肿瘤热疗过程中生物组织的热响应过程,并对热疗过程中存在的问题及影响因素进行系统分析,包括间断加热频率、不同肿瘤尺寸、纳米颗粒浓度及激光加热区域大小等对其治疗效果的影响,为激光诱导肿瘤热疗过程中最佳治疗时间及加热强度的选取提供了依据。在此基础上考察了金纳米三角片与金纳米棒的光热转换效率,测量了激光作用下含有不同浓度纳米颗粒的离体生物组织的温度变化。


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