激光與生物組織光熱效應(yīng)的國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

夏文財(cái)

摘 要 從上世紀(jì)60年代第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，激光與生物組織相互作用的研究就迅速開(kāi)展起來(lái)，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(jiǎn)要介紹了激光與生物組織光熱效應(yīng)在國(guó)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(hào)：R312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

激光作用于生物組織時(shí)產(chǎn)生的各種效應(yīng)是激光在軍事、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。激光輻照生物組織時(shí)，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(xiàng)參數(shù)的變化，將導(dǎo)致其相互作用機(jī)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(guó)這方面的研究起始于上世紀(jì)八十年代，在國(guó)際大環(huán)境的影響下，眾多學(xué)者和單位先后進(jìn)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(shù)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(zhǎng)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(dá)教授及朱丹博士、劉靜博士和他們所在的團(tuán)隊(duì)，他們?cè)诩す馀c生物組織作用機(jī)理領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作，為我國(guó)的科技進(jìn)步做出了卓越的貢獻(xiàn)。

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

在熱傳導(dǎo)領(lǐng)域取得的成績(jī)主要有：華中科技大學(xué)的劉偉、楊昆搭建了階躍溫升法測(cè)量生物組織熱學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)生物組織水含量等參數(shù)對(duì)光熱效應(yīng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。沈桂平通過(guò)建立在直角坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到了激光輻照時(shí)組織的溫度分布，并對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響因素進(jìn)行了研究分析。李忠明對(duì)生物傳熱方程的一維溫度解進(jìn)行了計(jì)算，定量研究了激光功率、輻照時(shí)間和生物組織熱學(xué)性質(zhì)對(duì)生物組織溫度場(chǎng)分布的影響。楊洪欽碩士進(jìn)行了Er：YAG激光和超脈沖CO2激光輻照皮膚組織的實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響激光誘發(fā)皮膚組織溫度場(chǎng)變化的主要因素進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了激光輻照時(shí)組織的傳熱特性，并得到了激光輻照時(shí)組織的溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化情況。李小霞博士對(duì)生物組織的傳熱特性進(jìn)行了深入研究，并對(duì)傳熱方程進(jìn)行了求解，同時(shí)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(chǎng)動(dòng)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(cè)量平臺(tái)，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。華中科技大學(xué)的李正佳教授、黃楚云博士對(duì)激光汽化水中生物組織時(shí)，組織的吸收系數(shù)進(jìn)行了測(cè)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(duì)激光照射下生物組織產(chǎn)生熱損傷的各種影響因素進(jìn)行了分析。李希靖對(duì)激光輻照時(shí)正常組織與損傷組織的邊界問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)建立模型，計(jì)算分析了臨界組織的溫度場(chǎng)。劉靜博士等學(xué)者對(duì)激光輻照生物組織引起的熱損傷產(chǎn)生了濃厚的興趣，對(duì)熱損傷的整個(gè)過(guò)程及損傷后的恢復(fù)進(jìn)行了深入的研究。朱光明對(duì)腫瘤組織在激光輻照下的熱損傷分布情況進(jìn)行了深入研究。黃義梅和龔瑋對(duì)組織熱損傷的評(píng)估方法進(jìn)行了深入研究。

目前，實(shí)時(shí)的組織溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)僅限于離體組織，活體組織的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量受條件限制使得測(cè)量結(jié)果誤差較大，測(cè)量精度還有待于提高。目前運(yùn)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(guò)程十分復(fù)雜，適合于微血管組織；TCEBE生物傳熱模型的計(jì)算也相當(dāng)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(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，從1948年被提出以來(lái)就受到了廣大學(xué)者的喜愛(ài)，一直被沿用至今。所以本文將采用Pennes生物傳熱模型來(lái)求解計(jì)算組織的溫度場(chǎng)分布。

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