激光照射下生物組織熱傳輸特性

夏文財

摘 要 激光輻照生物組織時，光子的能量被組織吸收，進而轉(zhuǎn)化為組織的熱能，即激光與生物組織的光熱效應(yīng)。光熱效應(yīng)將會改變組織內(nèi)的溫度場分布。本文將從生物組織的結(jié)構(gòu)特性入手，分析了組織內(nèi)熱源分布情況，研究了熱量在組織內(nèi)的損失和傳輸規(guī)律。

關(guān)鍵詞 激光 皮膚組織 光熱效應(yīng)

中圖分類號：TN248.1 文獻標識碼：A

1人體皮膚組織的光熱特性

（1）光學(xué)性質(zhì)在紫外、可見光與近紅外光譜區(qū)域，不同顏色的皮膚組織對激光光子具有選擇吸收的特性，當激光輻照皮膚組織時，部分光會在皮膚表面發(fā)生反射，其余光會進入皮膚組織內(nèi)部。反射光的多少只跟皮膚表面的粗糙程度有關(guān)。光進入皮膚組織內(nèi)部會被吸收和散射。

（2）熱學(xué)性質(zhì)激光輻照生物組織時，會發(fā)生光熱效應(yīng)、光致電磁效應(yīng)、光致化學(xué)效應(yīng)等一系列的效應(yīng)，而光熱效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。

生物組織與傳熱相關(guān)的特性參數(shù)如下：

①比熱，是指物質(zhì)，它的溫度變化1℃時，其自身所改變的熱量。

②熱傳導(dǎo)率，是指橫截面積為1平方米，厚度為一米的物質(zhì)，其兩端的溫差為，在時間內(nèi)，流經(jīng)該物質(zhì)的熱量。

③密度，被定義為某種物質(zhì)在一定的溫度時，單位體積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量。

④熱擴散率 [m2/s]，指物質(zhì)在加熱或者冷卻過程中，其溫度趨于一致的能力，被定義為熱傳導(dǎo)率k與密度和比熱C的比值。

⑤熱弛豫時間，部分組織吸收熱量而引起了溫度的升高，溫差的出現(xiàn)就會產(chǎn)生熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域流動，組織的溫升降低一半的時間就是熱弛豫時間。

2激光在皮膚組織中的熱源

研究激光輻照皮膚組織時的溫度場變化，首先就要對激光輻照組織時，產(chǎn)生的熱源在組織內(nèi)的分布S進行準確描述。和一般物質(zhì)相比，生物組織內(nèi)含有固體、液體和氣體等特殊成分，而且在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜。另外，在同一個身體內(nèi)不同的部位、不同的器官都存在差異。因此對激光輻照生物組織所產(chǎn)生的熱源分布進行全面、準確的微觀描述將是非常困難的。但是在研究激光與生物組織光熱效應(yīng)中，研究者們感興趣的是激光輻照生物組織時，生物組織溫度場的宏觀表現(xiàn)。所以，可用把熱源項分為熱量獲得項Sgain和熱量損失項Sloss。Sgain為激光能量在組織中的積累，不考慮生物組織自身新陳代謝和周圍環(huán)境對它的影響；熱量損失項Sloss主要是組織內(nèi)毛細血管的血液灌注所引起的。激光輻照生物組織時，組織吸收光子的能量，使自身溫度升高。

生物組織各個組成部分都在不斷的產(chǎn)生熱量，這些熱量會通過各種方式轉(zhuǎn)移到組織體外。在一般情況下組織產(chǎn)生的熱量與轉(zhuǎn)移到體外的熱量是相等的，組織體此時就處在熱平衡狀態(tài)；若不相等，則沒有轉(zhuǎn)移出組織體的熱量就會留在組織內(nèi)，造成組織體內(nèi)局部溫升。

能量一般有三種形式：

（1）貯存能量，可用不同能級或潛能來衡量；

（2）熱量傳遞，物質(zhì)之間或物質(zhì)內(nèi)部存在溫差，就會有熱量的流動，包括對流、輻射和傳導(dǎo)三種形式；

（3）做功W，它是由系統(tǒng)之間力的作用引起的能量轉(zhuǎn)移。

眾所周知，生物組織的結(jié)構(gòu)和組成成分都十分復(fù)雜，而且它是由有自己內(nèi)部活動的各個系統(tǒng)組成的生命體，所以為了能夠很好的描述組織內(nèi)的熱量傳輸運動，需要考慮以下因素的影響：

①組織的外部形態(tài)；

②外部熱源；

③組織的熱學(xué)性質(zhì)以及組織在生理上的變化；

④熱傳導(dǎo)；

⑤組織與周圍環(huán)境的熱交換；

⑥新陳代謝產(chǎn)生的熱量；

⑦血液流動對熱傳遞的影響；

⑧生物組織自身的熱調(diào)整；

3熱傳遞

物質(zhì)與物質(zhì)之間存在溫差，那么就有熱傳遞，它在生物組織內(nèi)有以下四種形式：

（1）輻射是指兩個或兩個以上的非接觸物質(zhì)，物質(zhì)之間存在溫差，他們通過發(fā)射與接收電磁波能量的方式進行的能量傳遞。生物組織的輻射散熱主要發(fā)生在組織表面。黑體是一種理想的輻射體，在一定溫度時，任意波長的輻射能量都是最大；而且它的吸收特性也特別好。

（2）熱傳導(dǎo)是指由于組織體內(nèi)有溫度梯度的存在，使熱量通過固態(tài)和液態(tài)介質(zhì)進行的熱量傳遞。

（3）對流是通過流動液體或氣體與固體邊界之間進行的一種熱量交換，它有自然對流和強制流動兩種方式。

（4）新陳代謝指生物體和外界環(huán)境之間物質(zhì)與能量的交換以及生物體內(nèi)物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)變過程，這是生物體與一般材料截然不同的地方。同時，新陳代謝的速率依賴于生物體的活動水平，不同器官的組織代謝率也有很大差別。

4熱傳遞的初始狀態(tài)與邊界條件

只有給出一定數(shù)量的邊界條件才能求解出生物組織的傳熱方程，并且必須給出生物組織的初始溫度分布。邊界條件指生物組織表面與周圍環(huán)境的熱交換條件，一般有以下幾種形式：

（1）在組織邊界上的溫度設(shè)定為確定值；

（2）令組織邊界為輻射換熱；

（3）給定組織邊界上的熱流通量；

（4）令組織邊界為對流邊界，就可以建立生物體體表溫度為。

5激光輻照皮膚組織的熱損傷

在不同溫度下皮膚組織的熱效應(yīng)現(xiàn)象如下：

（1）溫?zé)岣杏X人體組織的體溫一般為37℃，稍微高出1～5℃，會有溫?zé)岬母杏X。

（2）熱致紅斑皮膚溫度在范圍內(nèi)時，皮膚會有紅斑出現(xiàn)，而后恢復(fù)正常。

（3）熱致水泡皮膚溫度在范圍內(nèi)時，皮膚組織表面會有水泡產(chǎn)生。

（4）熱致凝固皮膚溫度升至?xí)r，在10s時間內(nèi)細胞就會凝固壞死，在外觀上表現(xiàn)為組織變暗。

（5）熱致汽化皮膚溫度升至?xí)r，組織內(nèi)的水分被汽化后，將沖破細胞而逸出組織，白煙將會在組織表面出現(xiàn)。

（6）熱致炭化皮膚溫度升至?xí)r，組織將會出現(xiàn)炭化壞死。

參考文獻

[1] 李樂樂.離體生物組織激光焊接工藝試驗研究[D].南京理工大學(xué)，2016.

[2] 田振國.生物組織激光光回饋層析成像技術(shù)研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 馮巧.激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物醫(yī)用合金的組織與性能[D].大連理工大學(xué)，2016.