激光與生物組織光熱效應(yīng)的國內(nèi)研究進展

夏文財

摘 要 從上世紀60年代第一臺紅寶石激光器問世以來，激光與生物組織相互作用的研究就迅速開展起來，并在軍事領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文簡要介紹了激光與生物組織光熱效應(yīng)在國內(nèi)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 激光 生物組織 熱效應(yīng)

中圖分類號：R312 文獻標識碼：A

激光作用于生物組織時產(chǎn)生的各種效應(yīng)是激光在軍事、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。激光輻照生物組織時，由于生物組織在結(jié)構(gòu)上和組成成分上的復(fù)雜性以及激光各項參數(shù)的變化，將導(dǎo)致其相互作用機理發(fā)生改變，激光輻照生物組織產(chǎn)生的各種效應(yīng)可分為：光化學(xué)作用、光熱作用、光蝕除、等離子體誘導(dǎo)蝕除以及光致破裂五類。

我國這方面的研究起始于上世紀八十年代，在國際大環(huán)境的影響下，眾多學(xué)者和單位先后進行了該領(lǐng)域的研究，主要有福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院的謝樹森、李輝教授，華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長駱清銘教授，天津大學(xué)的范世福、劉迎、徐可欣、李小霞教授，華南師范大學(xué)激光生命科學(xué)研究所的邢達教授及朱丹博士、劉靜博士和他們所在的團隊，他們在激光與生物組織作用機理領(lǐng)域進行了大量的工作，為我國的科技進步做出了卓越的貢獻。

在組織光學(xué)領(lǐng)域取得的成績主要有：山東大學(xué)的魏守水、任曉楠、高迪，南開大學(xué)的張春平、許棠等學(xué)者-對光能量在生物組織中的傳播及分布情況進行了深入研究，并通過蒙特卡羅方法仿真分析了光子在多層組織中的傳輸過程，得出不同的入射激光參數(shù)對組織中光能分布的影響；同時，張春平、許棠采用光纖探測技術(shù)對生物組織的光分布進行了測量，進而得出了組織的各項光學(xué)參數(shù)。上海交通大學(xué)的黃梅珍、丁海峰對光子在皮膚組織中的傳輸進行了蒙特卡羅模擬，并對皮膚組織的光學(xué)特性進行了實驗研究。大連理工大學(xué)的丁建華、郝素麗用蒙特卡羅法對多種波長的激光輻照生物組織時，組織內(nèi)的光能分布進行了模擬，得到了激光波長的變化對光能分布的影響。朱丹博士對組織參數(shù)的測量方法進行了深入研究，根據(jù)全動態(tài)模型的理論構(gòu)想，建立了相應(yīng)的光學(xué)測量系統(tǒng)。謝樹森教授對組織光學(xué)的研究內(nèi)容及方法進行了概述以及研究了哺乳動物組織的光學(xué)性質(zhì)，對豬的肌肉、肺等組織的漫反射率與光能流分布進行了離體測量，并對生物組織傳熱理論和生物組織溫度的測量原理進行了深入研究。

在熱傳導(dǎo)領(lǐng)域取得的成績主要有：華中科技大學(xué)的劉偉、楊昆搭建了階躍溫升法測量生物組織熱學(xué)參數(shù)的實驗平臺，對生物組織水含量等參數(shù)對光熱效應(yīng)的影響進行了實驗分析。沈桂平通過建立在直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型計算得到了激光輻照時組織的溫度分布，并對溫度場分布的影響因素進行了研究分析。李忠明對生物傳熱方程的一維溫度解進行了計算，定量研究了激光功率、輻照時間和生物組織熱學(xué)性質(zhì)對生物組織溫度場分布的影響。楊洪欽碩士進行了Er：YAG激光和超脈沖CO2激光輻照皮膚組織的實驗，對影響激光誘發(fā)皮膚組織溫度場變化的主要因素進行了研究，同時分析了激光輻照時組織的傳熱特性，并得到了激光輻照時組織的溫度場動態(tài)變化情況。李小霞博士對生物組織的傳熱特性進行了深入研究，并對傳熱方程進行了求解，同時仿真分析了多種條件下組織的熱效應(yīng)，得到了激光輻照下生物組織溫度場動態(tài)變化的規(guī)律，并建立了激光輻照組織光熱效應(yīng)的參數(shù)測量平臺，最后對仿真結(jié)果進行了實驗驗證。華中科技大學(xué)的李正佳教授、黃楚云博士對激光汽化水中生物組織時，組織的吸收系數(shù)進行了測量。

在生物組織熱損傷領(lǐng)域：趙友全博士研究了激光加熱下生物組織的光熱分布及其變化，并對激光照射下生物組織產(chǎn)生熱損傷的各種影響因素進行了分析。李希靖對激光輻照時正常組織與損傷組織的邊界問題進行了研究，通過建立模型，計算分析了臨界組織的溫度場。劉靜博士等學(xué)者對激光輻照生物組織引起的熱損傷產(chǎn)生了濃厚的興趣，對熱損傷的整個過程及損傷后的恢復(fù)進行了深入的研究。朱光明對腫瘤組織在激光輻照下的熱損傷分布情況進行了深入研究。黃義梅和龔瑋對組織熱損傷的評估方法進行了深入研究。

目前，實時的組織溫度測量實驗僅限于離體組織，活體組織的實時溫度測量受條件限制使得測量結(jié)果誤差較大，測量精度還有待于提高。目前運用最為廣泛的生物組織傳熱模型有W-J生物傳熱模型、TCEBE生物傳熱模型和Pennes生物傳熱模型。WJ生物傳熱模型的求解過程十分復(fù)雜，適合于微血管組織；TCEBE生物傳熱模型的計算也相當復(fù)雜，而且部分參數(shù)的獲取還存在一定的困難；Pennes生物傳熱模型的計算相對簡便，從1948年被提出以來就受到了廣大學(xué)者的喜愛，一直被沿用至今。所以本文將采用Pennes生物傳熱模型來求解計算組織的溫度場分布。

參考文獻

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