基于双点光学参数监测的生物组织激光热毁损评估

以波长为720nm处的散射光强I_(720)为评估光学参数,探讨了激光热毁损过程中用远中心处双点光学参数实时评估近中心处热毁损效果的可行性。首先,对离体猪肝进行激光热毁损实验,实时采集距离毁损中心4,8,12mm处的I_(720),当8mm处的I_(720)上升至初值的6倍时停止加热,共进行20组实验(A组),构建加热时间、8mm和12mm处I_(720)上升倍数与4mm处I_(720)上升倍数的数学模型;然后,分别以4 mm处I_(720)上升至初值的3、4、5、6倍为停止加热的条件,重复上述热毁损实验和实时数据采集,每种条件下各进行10组实验,共40组(B组);最后,对B组实验的样本进行切片分析,建立I_(720)上升倍数与毁损效果的对应关系。实验表明,利用加热时间、8 mm和12mm处I_(720)上升倍数估算4mm处I_(720)上升倍数的准确率可达90%以上。可用远离加热中心的双点光学参数实时评估近中心处激光热毁损效果。     

激光诱导间质热疗中生物组织吸收系数变化特性研究

利用近红外光谱技术进行生物组织激光诱导间质热疗（laser induced interstitial thermotherapy, LITT）实时监测,探讨LITT术中疗效评估基础。实验样本采用离体猪肝和小鼠皮下移植肝肿瘤,使用近红外光谱实时采集系统采集激光热疗过程中组织吸收系数。实验结果表明组织吸收系数在激光热疗过程中具有一定的变化规律,其中猪肝的变化规律非常明显,在低功率下呈现缓慢的上升,高功率下达到一定的温度（50℃左右）快速上升,并逐步达到稳定。肿瘤在热毁损时会根据瘤体的组织特性不同出现特异性变化,这些变化可以作为将来临床治疗的参考。实验结果表明在进行实体组织激光诱导间质热疗过程中,组织吸收系数作为实时监测因子具有一定的参考价值,而作为肿瘤的治疗评估因子还需要进一步探索。     

激光间质热疗的功能近红外疗效评估

探讨了利用功能近红外光谱(FNIRS)实时在体监测激光诱导肿瘤间质热疗(LITT)进行疗效评估的可行性。实验采用新鲜离体猪肝和肝癌小鼠皮下移植瘤模型,按不同激光功率和加热时间进行LITT毁损热疗,利用FNIRS监测系统同时监测热疗过程中约化散射系数μs′。结果表明,FNIRS监测系统获取的约化散射系数在LITT热疗过程中呈上升趋势,起始阶段上升较快,达到一定数值后趋于稳定。激光功率越大,μs′上升越快。组织成分不一样时,约化散射系数的变化趋势一致,曲线形态有所不同。因此,FNIRS可以用于LITT实时在体疗效评估,μs′可以作为一种新的LITT术中实时在体疗效评估因子,通过监测μs′的变化将有助于指导临床热疗。     

近红外光谱技术在激光热疗监测中的应用研究

针对激光热疗中生物病变组织光学参数随温度变化的特点,将近红外光谱技术应用于激光诱导肿瘤间质热疗疗效监测,在线检测激光作用后生物病变组织的温度与光学参数的变化趋势,以此来对疗效进行评估。基于监测原理分析,设计实验系统,以肝癌小鼠皮下移植瘤为实验对象,研究不同激光功率和作用时间下,生物病变组织约化散射系数和温度的变化,并利用核磁共振成像技术对移植瘤术前、术后的影像进行对比。实验结果表明:病变组织的约化散射系数在激光热疗过程中呈上升趋势,起始阶段上升较快,达到一定数值后趋于稳定,整体变化趋势与温度变化趋势比较吻合,核磁影像对比也证实了治疗效果。因此,通过近红外光谱技术监测激光热疗中病变组织约化散射系数的变化可有助于指导临床激光热疗。     

热作用致心肌组织在可见与近红外范围内的光学特性变化

研究了热作用对心肌组织在可见及近红外光谱范围内的光学特性改变。利用带积分球附件的分光光度计测量了心肌组织样品的漫反射率和总透射率,再用反向倍增(IAD)法从这两测量值中获取组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度。结果表明,自然的及热处理后的心肌组织的吸收系数、约化散射系数和光学穿透深度都是随着辐照波长的变化而显著变化的。自然的及热凝固后(80℃热处理)的心肌组织的吸收系数均在550 nm附近有一正峰,峰值分别为0.74 mm~(-1)和1.16 mm~(-1)。自然的心肌组织的约化散射系数在550 nm附近出现一正峰,峰值为0.25 mm~(-1);高温处理后此峰消失,而在590～625 nm出现上升坡。低温热处理对心肌组织的吸收系数没有明显的影响,高温热处理后心肌组织的吸收系数增大;心肌组织的约化散射系数随热处理的温度上升而显著地升高;心肌组织的光学穿透深度随热处理的温度上升而显著地减小。     

上转换荧光实时监测近红外实现肿瘤热疗

以激光进行的高温疗法称激光加热疗法,已成为肿瘤热疗的一种新的有效手段。主要使用近红外激光,采用直接照射或插入光纤的方法进行治疗。但应用时由于近红外波段激光对组织的穿透有限,热效应被局限在一个小的体积内,不同肿瘤组织光穿透情况又有很大差异,治疗的范围难以把握。另外,热疗时,难以区分肿瘤体和正常组织的边界,照射不当容易造成周围正常组织的伤害,因此实时地监测导向近红外光成为激光热疗的关键。研究表明运用上转换纳米探针[Yb/Er(NaYF4∶Yb,Er)]靶向定位到肿瘤,在980 nm近红外光的激发下可实现激光加热的同时进行上转换荧光的监测,从而确定照射的范围、分布、剂量以及肿瘤边界,最终达到导向热疗实现精确治疗肿瘤的目的。     

琼脂糖凝胶的光学特性

为了研究应用于生物细胞打印的琼脂糖凝胶的光学特性,将不同比例的琼脂糖粉末与蒸馏水混合后加热,溶解冷却形成不同浓度的琼脂糖凝胶。测量琼脂糖热溶液冷却过程中55℃时的琼脂糖溶液的折射率及琼脂糖凝胶的折射率。通过对比细胞培养液的折射率,获得作为生物打印基质材料和生物支架的琼脂糖凝胶最佳浓度为0.786%。测量琼脂糖凝胶的可见、近红外透射光谱及衰减全反射红外吸收光谱,结果显示琼脂糖凝胶在400～1100 nm波段没有特征吸收峰,而且最大吸收只有0.171Abs;在红外波段琼脂糖凝胶的吸收特性与细胞培养液基本相同,细胞培养液在2966 cm-1处的特征吸收峰是培养液独有的。对琼脂糖凝胶表面的激光散射特性进行研究,结果表明,440 nm激光的散射最强,532 nm激光散射最弱;琼脂糖凝胶浓度越小,散射越强。     

射频毁损术中近红外实时监测技术基础研究

利用近红外光谱(Near infrared spectrum,NIRS)测量技术进行射频损毁术中实时监测技术研究,探讨立体定向术中损毁疗效评估的可行性.在进行丘脑腹外侧核(Ventrolateral Thalamus,Vim)毁损术射频损毁的同时,使用近红外光谱实时采集系统检测在损毁过程中吸收系数(μa)与优化散射系数(μ's)的变化情况.结果表明: 44℃射频损毁过程中吸收系数和优化散射系数增大,停止掀毁后逐步恢复,稳定后μa和μ's稍高于初始值; 70℃射频损毁时μz和μ's增大,停止损毁且稳定后保持不变.根据μa和μ's的变化规律进行立体定向毁损过程实时监测是非常有可能的.     

激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

为了研究工作波段在近红外的激光安全问题,建立了连续激光辐照生物组织的热学模型,通过分离变量法求解热传导方程,得出了生物组织在激光辐照阶段和扩散阶段皮肤组织瞬态温度分布的精确解析解,并以氧碘激光辐照皮肤组织为例,计算了皮肤组织在激光辐照下的温度场分布。结果表明,皮肤组织温升随激光辐照时间和功率密度的增加而增加,辐照结束后,皮肤表面温度缓慢下降,深处温度先缓慢上升,再缓慢下降。分析结论与相关实验结果取得一致,证实了所建模型的合理性。该结论对于其它连续激光对物质的热损伤研究是有帮助的。     

半导体激光对蝗虫与其寄主植物组织热效应的分析比较

为比较半导体激光对蝗虫与其寄主植物组织的生物热效应差异,为激光杀灭蝗虫提供理论依据.选取808nm连续激光对东亚飞蝗幼虫与营养期狗尾草植物进行辐照效应理论研究,建立了激光照射下生物组织热作用的二维数学模型,采用Matlab有限元数值分析方法求解了Pennes生物传热方程,得到了组织内部温度随激光辐照时间和组织空间位置的分布规律.数值分析结果表明,对于蝗虫与植物组织,温度分布有着同样的规律,但温度沿着径向比轴向扩散范围广.在相同的激光辐照条件下,植物组织的温升不明显,保持在初始温度水平;蝗虫组织的温升则远远高于植物组织.     

强激光辐照下生物组织二维瞬态温度场分布数值模拟

基于生物组织热传导方程,探讨了强激光辐照生物组织的热传递规律,建立了三层皮肤组织模型,用有限元方法对脉冲激光作用于生物组织时产生的温升进行了数值模拟,给出了皮肤组织的二维瞬态温升云图．研究了激光脉宽、束腰半径等参数对生物组织径向、轴向温度的影响趋势。结果表明,激光束腰半径增大,皮肤组织的径向温升扩散区域及轴向温升深度增大．中心最高温度减小激光脉宽减小,中心最高温度增大。激光辐照结束后,皮肤组织温升会持续一段时间,达到峰值后逐渐、下降。     

强激光对组织热损伤过程的数值模拟与实验研究

强激光作用于生物组织时会产生气化、碳化和熔融等相变热效应，并对组织造成热损伤，据此提出了包含碳化层和生物组织层双层结构、具有两个相间移动边界的激光与生物组织热相互作用数学模型。对数学模型进行了数值求解，得出了组织内部的温度分布，相间边界的温度，相间边界移动速度及碳化层厚度等参数的变化规律，并探讨了它们与激光强度之间的相互关系等问题。数值模拟表明，该光热作用过程分为两个不同阶段：起初的非稳态阶段以及紧接着的准稳态阶段，此时相间边界温度、相间边界移动速度以及碳化层的厚度均为与时间无关的常数。进行了激光生物组织热损伤实验，实验结果与数值模拟结果进行了比较和分析。结果表明，热损伤区大小、碳化层厚度等模拟值能与实验值较好地相符。     

基于光子晶体光纤和飞秒激光源的近红外波段宽带孤子和可见区高效色散波产生的实验

将钛宝石激光器产生的飞秒激光脉冲泵浦实验室自制的高非线性双折射光子晶体光纤,脉冲的中心波长为820 nm,位于光子晶体光纤的接近于零色散的反常色散区.实验结果表明:随着泵浦功率的增加,一阶孤子的中心波长发生了红移,同时产生的色散波的中心波长则发生蓝移进入可见光区.当泵浦功率达到0.45 W时,色散波与残余泵浦的输出功率比为42.67,色散波的带宽达到81 nm,而处于近红外波段的红移孤子带宽可达231 nm.利用高非线性光子晶体光纤产生近红外波段宽带孤子和可见区高效色敬波的实验对飞秒激光频率转换和光谱展宽具有很好的借鉴意义.     

In Vivo Measurement of Long-Term Laser Induced Retinal Temperature Rise

Threshold temperatures corresponding to the formation of both ophthalmoscopically and microscopically visible lesions were measured in 10 rhesus monkey eyes using 9, 100, and 1000 s exposures from a CW krypton laser (647.1 nm). Measurements were compared to a thermal model of retinal injury. Average threshold temperatures at 9, 100, and 1000 s in the macula were 17, 14, and 120C, respectively. Measured temperatures at the image center at 9 s were generally one-third as large as predicted temperatures. Measurements of 9 s threshold temperatures agreed with the 10 s threshold temperature data of Welch et al. [11] within 4 percent in the macula and 22 percent in the paramacula. Using rate-process damage coefficients derived from measured threshold temperatures, threshold energy densities at the cornea were predicted with a thermal model and they were within 13 percent of data from the literature. In comparison, the power required for damage from 120 s exposure to blue light produced a measured temperature rise of only 0.7°C, well below the expected lower limit of temperature required for thermal damage.     

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080nm连续激光辐照可见光CCD探测器400ms时的仿真损伤阈值为145×106W/cm2,实验损伤阈值213×106W/cm2,误差约为319。仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。     

Induction Thermocoagulation: Thermal Response and Lesion Size

A model has been formulated for the thermal and biological response of tissue to the thermocoagulation method of stereotactic surgery. The model has been solved numerically for the temperature distribution in the tissue around an implanted cylindrical thermoseed as a function of time during and after induction heating. The tissue thermal damage has been quantified and lesion size has been predicted as a function of thermoseed operating parameters. The results provide the clinician with an approximate indication of the thermal insult and suggest that the region of coagulative necrosis becomes less sharply defined with increasing thermoseed temperature and heating time.     

PDT照射方式下激光视网膜热损伤阈值的研究

建立了光动力疗法(PDT)照射方式下578nm激光视网膜热损伤能量密度阈值计算的数值模型。模型由模拟激光能量在组织内分布规律的基于网格的Monte Carlo模拟方法、计算组织内温度分布的考虑组织热物性参数以及血液灌注率动态变化的Penens生物传热方程和计算组织热损伤程度的Arrhenius方程3部分组成。数值结果表明,视网膜热损伤能量密度阈值随黑色素含量、观测时间和光斑大小不同而不同:黑色素含量越高,热损伤能量密度阈值越小;观测时间越长,热损伤能量密度阈值越大;光斑直径越大,热损伤能量密度阈值越小。活体动物实验验证了数值结果的精确性。     

多光子激发下ZnO微针的紫外激光特性研究

以氧化锌（ZnO）粉和碳（C）粉的混合物作为原材料,利用碳热还原的方法合成了六角纤锌矿结构的ZnO微针。用800 nm的近红外激光激发单根微针,在紫外出现两个辐射带,其中一个带的中心波长在392 nm附近,随激发功率的增大略有红移,源自激子-激子散射引起的辐射;另一个带的中心波长大于400 nm,源自电子-空穴等离子体...