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生物组织传热及其若干应用研究

朱光明  
【摘要】:生物传热学是生物医学工程领域内交叉于生物、热物理、临床医学等诸多领域的新兴学科分支,其核心在于探索生命最基本的特征之一——物质和能量的传输规律并加以有效利用。 数学模型在生物传热的研究中占有极其重要的地位,是进行理论探讨和现实应用的共同基础。一个成功的模型是合理解释生物组织内、外的传热机理、予各种临床热医学以强而有力的理论指导和支持、正确地测定和预示生物体温度场的前提和基础。自1948年Pennes生物传热方程问世以来,生物传热学的研究者们提出了许多生物传热的模型,其中不乏极具启发意义的经验和思想,但这些模型都有其各自应用的局限性。对于人体一些特殊的体温调节方式,如发汗等,现存的模型都无法从机理上对其进行合理的描述。根据发汗的剧烈程度,在皮表是否存在液态汗珠或汗膜可以将发汗分为隐性发汗和显性发汗两种形式。本文在对现存生物传热模型进行分析比较的基础之上,吸收其中的有益思想按照人体的生理结构对肢体进行了具有传热特征的分层处理。在充分考虑到汗腺的大量存在,使得皮肤层在宏观上体现出一种多孔性的前提下,我们运用非饱和多孔介质内的流动和传热理论对发汗行为进行了机理性描述。我们在模型中引入了多孔介质的Darcy定律,在质量连续方程和能量连续方程的共同作用下可以求汗液在汗腺中的流动和相变全过程。发汗受环境条件的影响巨大,同时还与汗腺的开放程度有很大关系。作为人体一种特殊的体温调节方式,发汗的存在可以使得皮肤表面温度降低1~20C,这对于维持组织内部的温度相对稳定是有很大意义的。 肿瘤热疗是通过加热肿瘤组织治疗肿瘤的一种方法,即利用某些物理能量在组织中沉淀而产生的热效应,使肿瘤组织温度上升至有效治疗温度,并维持一定时间,以达到既能使肿瘤缩小甚至消除,又不致损伤正常组织的目的的一种治疗方法。由于肿瘤热疗对病人的伤害小、疗效高,可以与其它治疗手段同时采用并且可以有效、大幅地提高其它治疗手段的疗效。因此目前,肿瘤的温热疗法已成为继肿瘤的手术、放疗、化疗和免疫疗法之后的第五大疗法,被国际医学界称之为“绿色疗法”。肿瘤热疗的生理学原理是正常组织在一定的高温范围内可以继续存活而肿瘤组织细胞却会受到彻底的破坏。这种温度对肿瘤组织的选择性杀伤是肿瘤热疗的治疗依据。肿瘤热疗的关 WP=4 键是加热技术。有效加热肿瘤患区组织使之处于有效治疗高温(41~430C)以上,并尽量不伤害周围的正常组织是提高疗效的关键。为达到这样的目的,精确地对肿瘤的热疗过程中组织的温度响应进行预示是有极为重要意义的。当前,常用的外加热源是激光、微波或者超声。外加能源在组织中的传输和被吸收是热疗过程中热量产生的原因。热量在组织中的传播导致组织温度的升高。本文主要探讨了激光和微波作为肿瘤热疗加热源时组织的温度响应特性。生物组织是光的混浊介质,对激光而言,激光在组织中的传输主要是被组织的吸收和散射的过程;对于微波,生物组织是电磁导体,在微波的作用下会发生极性分子的极化,从而产生对微波能量的吸收产热。本文讨论了激光和微波在组织中的传输过程以及它们对生物组织的热效应,得出了一些有益于肿瘤临床治疗的结论。 生物组织的热物理特性决定了机体组织进行物质、热量传递的能力,这些性质显然对机体的热状态会产生至为重要的影响,因此生物组织(尤其是活体)的热物性参数是深入研究生物体传热特性和传热机理的关键,在临床医学的应用中也占有重要的地位。与一般工程材料相比,生物活体组织中存在血液灌注和生理代谢,因而生物传热学上所考虑的热物性参数除了热科学传统上的热导率 、热扩散率 之外,还应有血液灌注率 、 的数据。本文使用热敏电阻采用等温升法通过实验获得了部分生物材料的导热系数。 本文研究接受国家自然科学基金重点项目(No.59836240)资助。


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