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，進而轉化為組織的熱能，即激光與生物組織的光熱效應。光熱效應將會改變組織內的溫度場分布。本文將從生物組織的結構特性入手，分析了組織內熱源分布情況，研究了熱量在組織內的損失和傳輸規律。

關鍵詞 激光 皮膚組織 光熱效應

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）光學性質在紫外、可見光與近紅外光譜區域，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生反射，其余光會進入皮膚組織內部。反射光的多少只跟皮膚表面的粗糙程度有關。光進入皮膚組織內部會被吸收和散射。

（2）熱學性質激光輻照生物組織時，會發生光熱效應、光致電磁效應、光致化學效應等一系列的效應，而光熱效應占據主導地位。

生物組織與傳熱相關的特性參數如下：

①比熱，是指物質，它的溫度變化1℃時，其自身所改變的熱量。

②熱傳導率，是指橫截面積為1平方米，厚度為一米的物質，其兩端的溫差為，在時間內，流經該物質的熱量。

③密度，被定義為某種物質在一定的溫度時，單位體積內所含物質的質量。

④熱擴散率 [m2/s]，指物質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，溫差的出現就會產生熱量從高溫區域向低溫區域流動，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，產生的熱源在組織內的分布S進行準確描述。和一般物質相比，生物組織內含有固體、液體和氣體等特殊成分，而且在結構上更加復雜。另外，在同一個身體內不同的部位、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。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境對它的影響；熱量損失項Sloss主要是組織內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生熱量，這些熱量會通過各種方式轉移到組織體外。在一般情況下組織產生的熱量與轉移到體外的熱量是相等的，組織體此時就處在熱平衡狀態；若不相等，則沒有轉移出組織體的熱量就會留在組織內，造成組織體內局部溫升。

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，物質之間或物質內部存在溫差，就會有熱量的流動，包括對流、輻射和傳導三種形式；

（3）做功W，它是由系統之間力的作用引起的能量轉移。

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

①組織的外部形態；

②外部熱源；

③組織的熱學性質以及組織在生理上的變化；

④熱傳導；

⑤組織與周圍環境的熱交換；

⑥新陳代謝產生的熱量；

⑦血液流動對熱傳遞的影響；

⑧生物組織自身的熱調整；

3熱傳遞

物質與物質之間存在溫差，那么就有熱傳遞，它在生物組織內有以下四種形式：

（1）輻射是指兩個或兩個以上的非接觸物質，物質之間存在溫差，他們通過發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）熱傳導是指由于組織體內有溫度梯度的存在，使熱量通過固態和液態介質進行的熱量傳遞。

（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境之間物質與能量的交換以及生物體內物質與能量的轉變過程，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熱傳遞的初始狀態與邊界條件

只有給出一定數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現象如下：

（1）溫熱感覺人體組織的體溫一般為37℃，稍微高出1～5℃，會有溫熱的感覺。

（2）熱致紅斑皮膚溫度在范圍內時，皮膚會有紅斑出現，而后恢復正常。

（3）熱致水泡皮膚溫度在范圍內時，皮膚組織表面會有水泡產生。

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

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

（6）熱致炭化皮膚溫度升至時，組織將會出現炭化壞死。

參考文獻

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