激光照射下生物组织中非傅里叶传热现象的研究

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激光具有高单色性、高方向性、高亮度性和良好的相干性等特点。激光问世以来,已被广泛应用于临床治疗。其中大部分的应用都涉及热效应,如激光高热疗法、凝结以及激光外科。为了确保治疗安全和提高效率,开展针对生物组织的光热效应与热损伤的研究就显得十分必要。本文首先基于双相位滞后模型,根据激光在生物组织内部热传导的实际情况,对激光照射下生物组织中非傅里叶传热现象进行了数值模拟。其次对连续He-Ne激光照射下大鼠皮肤组织温度随时间变化的规律进行了实验研究。实验采用将热电偶从激光照射面的对面插入,通过改变激光照射时间、功率等相关参数,按照一定的采样速度采集每一次信号,记录下该位置处组织温度随时间变化的温度数据。本文采用数值模拟中的有限差分法,对双相位滞后模型进行数值模拟。通过改变τ_T和τ_q的取值,将双相位滞后模型、傅里叶模型和双曲热波模型的数值模拟结果进行比较和分析。模拟结果表明:当τ_T和τ_q的取值相等并且都非常小时,双相位滞后模型的数值模拟结果和傅里叶模型的数值模拟结果相同。否则,即使τ_T=τq,DPL模型描述的热传导也不同于传统傅里叶热模型。在激光照射生物组织前期,τ_q对温度的影响更大些,激光停止照射后,τ_T对温度的影响更大些。当τ_q固定在16s,τ_T变化时,在取消激光照射后,生物组织温度变化会随着τ_T取值增大而增大;当τ_T固定在0.05s,τ_q变化时,τ_q的取值越大,组织的温度越高。对连续He-Ne激光照射下大鼠皮肤组织的温度随时间变化的规律进行了实验研究,实验采用He-Ne激光器照射大鼠组织表面和皮下组织1mm处,通过红外辐射测温仪和热电偶探针来探测被照组织的温度,通过改变激光照射时间和功率,研究被照组织温度随时间的变化情况。实验结果表明:当激光开始照射时,大鼠组织表面和皮下组织1mm处的温度在照射期间会随着照射时间的增加而迅速增加,当激光照射停止后,大鼠组织表面温度快速下降,而大鼠皮下组织1mm处温度缓慢下降。当用相同激光能量照射大鼠组织表面时,随着功率的增加,组织表面温度也相应增加,组织表面温度出现波动现象,并在25s后组织表面温度趋于平稳。组织表面温升随着激光照射中心的径向距离的增加而减小。
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