微波热疗天线在生物组织中温度分布的模拟

模拟微波肿瘤热疗条件下生物组织中的温度分布,对临床治疗中微波热疗天线的设计、选择及治疗方案的确定具有重要意义.本文结合电磁场的时域有限差分(FDTD)和温度场的有限差分方法模拟了微波热疗天线在生物组织中产生的温度分布.通过单极子天线对等效组织模型的加热温度模拟结果与实验测量结果比较,对微波热疗天线在生物组织中产生的温度场模拟程序进行了验证.     

脉冲调制微波辐照生物组织的热效应及红外热成像研究

针对微波连续加热造成生物组织温升过高而损伤正常组织,提出计算机编码的脉冲调制微波辐照生物组织,有效控制加热区域内的温度分布.采用红外热成像的方式观察分层仿生体模中各层的温度分布,分析讨论脉冲调制微波占空比、频率和功率对生物组织加热区域内温度分布的影响.结果表明,采用提高脉冲调制微波占空比和功率或在一定范围内改变调制脉冲频率的方式来提高生物组织加热区域内的热效应.该方法将为肿瘤微波热疗提供新的有效加热方式和途径.     

激光诱导间质热疗方法的离体模拟实验研究

本文建立了激光诱导间质热疗方法 (LITT)的离体模拟实验系统 ,在不同的输出功率、不同的加热时间下 ,实验测量了激光加热时的离体猪肝组织温度分布和热凝结区域的大小 ,与计算机模拟的结果进行了对比。实验发现 ,在相同的功率和加热时间下 ,会出现有无碳化两种不同现象。当临近激光加入头表面的生物组织产生碳化时 ,测量点处的温升和热凝结区域的体积将大于未发生碳化现象时的相应值     

兰姆波驱动微流体温度分布研究

该文应用压电陶瓷器件激发频率1 MHz的兰姆波在非压电基板上进行了微流体温度分布的研究。经理论分析表明,兰姆波向流体中辐射纵波以及兰姆波在介质中传播时的粘性摩擦损失产生了声热效应。采用红外摄像机观察液滴从兰姆波激发直至达到稳态时的热分布变化,发现液滴在兰姆波入射一侧的温度高于其他区域且高温区域有向顶部扩散的趋势。观察不同液体黏度液滴的声热现象,发现油滴的温度扩散更均匀,动力学行为更弱。采用有限元分析声流和声热效应,发现液滴在顶部区域声流速最大,在声流作用下,液滴的高温区域扩散至顶部。     

脉冲激光二极管端面抽运固体激光器中晶体的热弛豫时间

在脉冲激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中,存在热效应瞬态过程,即晶体的温度分布具有时变性,晶体温度的时变过程受到热弛豫时间的影响.从热传导方程出发,采用解析法和数值法分别对晶体降温过程中温度的时变性进行计算;采用有限元方法,对晶体热弛豫时间及其影响因素进行数值计算,分析了晶体直径、密度、热传导系数和比热等热物性参数对热弛豫时间的影响;采用流体流动换热理论,充分考虑了冷却水流温度和速度对晶体温度分布的影响.结果表明,通过调整晶体尺寸、冷却系统可以实现对热弛豫时间的控制.根据有限元软件ANSYS的计算结果,分析了晶体抽运端面上径向温度的时变分布,晶体边缘与中心的温差和光程差;初步计算了晶体热透镜不同径向位置处的焦距差.结果表明,晶体冷却过程中,不同径向位置与中心的温差和相对光程差具有时变性,晶体热透镜的聚焦特性也是随时间变化的.     

不同形状连续激光辐照皮肤组织温度场数值模拟

本文基于生物组织热传导方程,分析了连续平顶型激光和连续高斯型激光辐照皮肤组织的热传递规律,建立了更为接近细胞尺寸的三层皮肤组织模型,采用有限元方法对两种不同形状激光作用于皮肤组织时产生的温升情况进行了数值模拟,仿真研究了不同作用时间、不同表面距离和不同深度的皮肤组织温度场分布。结果表明,相同条件下,由连续平顶型激光在组织内部产生的最高温度明显小于高斯型的,主要原因是平顶型激光能量分散,而高斯型能量相对集中。连续高斯型激光辐照组织后产生的温升区域面积和穿透深度均较大,撤去激光后达到初始温度的冷却时间也相应较长。     

激光诱导间质肿瘤热疗中激光能量在生物组织内传输规律的分析

采用蒙特卡罗模拟方法数值求解了不同波长(1064nm和850nm)时的激光诱导间质肿瘤热疗(LITT)中激光能量分别在人体的肝组织和前列腺组织内的传输，分析了影响激光能量空间分布的主要因素。穿透深度是影响激光能量在半径方向上分布区域的重要参数；在轴线方向上，穿透深度和激光加入头有效发射长度都对激光能量分布区域的大小有重要影响。     

一种新的红外热像图分析方法及其在乳腺肿瘤诊断中的应用

本文基于热断层的思想,提出了用于分析人体内热源信息的一种新的热像图分析方法。通过建立有内热源的热传导微分方程,得出方程的解。再结合实际,应用叠加原理将体表的正常体温和异常热源的温度叠加起来,得出了有内热源的体表温度分布表达式,利用该表达式对红外热像图上可能的病变区域的温度数据进行了分析处理。处理过程中选择了两个参考变量:热源的深度h和热源的发热强度q。深度h对应于肿瘤解剖位置的深度,发热强度q对应于肿瘤的性质:良、恶性的判断。临床病例证明,这两个参数对肿瘤的定性、定位是很有效的。     

脉宽对激光撞击电子辐射峰值影响的模拟计算

为了研究激光脉宽对撞击电子后产生的辐射能量分布, 采用模拟计算的方法, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础, 建立了紧聚焦激光作用于静止单电子模型, 并通过MATLAB软件模拟了不同脉宽下的激光脉冲与电子作用后产生的电子辐射能量分布, 对飞秒紧聚焦椭圆偏振激光脉冲的脉宽与电子间的辐射功率峰值进行了深入研究。结果表明, 当紧聚焦激光脉冲遇到静止单电子, 在激光脉冲撞击电子时, 电子会发出辐射; 散射辐射在散射方向的中心呈尖锥状积累; 随着激光脉宽的增加, 辐射功率分布逐渐呈现出双峰形; 脉冲宽度越宽, 电子辐射功率峰值越小, 脉宽为10λ₀时的峰值功率仅为脉宽为0.1λ₀时峰值功率的1%(初始脉宽λ₀=3.33fs), 同时辐射功率达到峰值所需时间越长, 最高峰的持续时间越长, 频谱函数的截止频率越低, 高频分量变少, 谐波次数增加。该结果对激光空气等离子体诊断方面具有重要意义。     

不同脉冲激光功率下生物组织温度场数值仿真研究

激光以其优异的性能广泛应用于医学和军事领域。为有效防护激光过度损伤,需研究激光与生物组织的热作用机理。本文分析了激光与生物组织作用的热传递数学模型,讨论了组织的边界条件,建立了皮肤生物组织的三层有限元网格模型,给出了采用ANSYS软件进行组织温度场求解的流程,数值仿真研究了不同功率脉冲激光在皮肤组织内部产生的温度场特性,得出了组织内部不同径向长度、轴向深度在不同时刻下的温度场变化趋势。结果表明,激光功率几何倍增时,组织内部的最大温升呈几何倍增趋势;条件一定时,组织温升区域不随激光功率变化而变化。随着激光功率增加,生物组织表层温度变化的剧烈程度增大,而内部温度变化的剧烈程度较小,且随着轴向深度增加,组织内部温度逐渐呈线性趋势。     

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。     

Ar+激光辐照下离体猪鼻咽组织的热响应特性

为了获得用于鼻咽癌(NPC)光活检的Ar^ 激光对鼻咽组织的安全光剂量阈值，实验测定了离体猪鼻咽组织在Ar^ 激光辐照下不同位置的温度分布，重点研究了辐照功率密度和波长对组织中温度分布的影响。实验结果表明，组织中的温度分布与探测位置、激光波长以及激光辐照功率密度有关。在同一波长激光辐射下，组织中的温度随着辐照激光功率密度的增大而增大，当辐照功率密度达到1．85W／cm^2时，鼻咽组织黏膜下层的温度可超过41．5℃；在相同功率密度激光的辐照下，波长为514．5nm的激光照射鼻咽组织时的光热效应较488nm波长明显。     

表面照射下激光与生物组织的光热作用分析

建立了表面照射下激光与生物组织光热作用的二维变物性数学模型,采用Monte Carlo模拟方法数值求解了表面照射下组织内激光能量的分布,进而采用有限差分方法数值求解Pennes生物传热方程得到了组织内的温度分布。计算结果表明：假设组织热物性为常数,将高估组织的温升;假设激光能量在组织内按指数规律衰减,计算得到的光束范围内的组织温升高于采用Monte Carlo方法的模拟结果;在功率相同的情况下,光束半径越大,光束范围内组织的温升越小,径向温升区域越大。     

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。     

半导体激光对果蝇的控制效果

为研究半导体激光对水果的主要虫害———果蝇(drosophila melanogaster)的控制效果,采用响应曲面法设计,实验研究了激光功率和照射时间对果蝇的生物学效应。结果表明,用波长为650 nm的半导体激光照射果蝇幼虫,在功率60 mW,照射1282 s条件下,果蝇幼虫的致死率可达到99%以上,且体重降低、羽化延续时间缩短,激光对果蝇幼虫具有较强生物学致死效应。但当功率低于40 mW时,激光对果蝇产生激励作用,促使果蝇的生长发育。继续用原剂量照射第三代果蝇的幼虫,对比发现在连续多代照射后,果蝇后代并没有产生对激光的抗逆性。为半导体激光在水果病虫害控制中的应用提供了实验依据。     

微波辐照猪肉透热深度影响因素和表面变化

生物组织吸收微波辐照的影响因素及微波辐照效率是临床上进行体外辐照治疗时需要考虑的重要问题之一。以猪肉样本块为研究对象,用频率为2450 MHz 的微波,通过控制辐照的3 个变量(时间、功率、距离),分别探测了表层、透热最深层的温度和微观组织形貌变化。实验结果表明:增大辐照功率提升上表面温度效果最明显;根据不同深度位置的温度变化曲线,当上表面达到一定温度后才产生透热深度;从理论上解释了由于极化和弛豫现象而使上表面温度影响透热深度的原因,并由热传导方程的推导公式,验证了控制辐照影响上表面温度能够间接影响透热深度的实验结果,为微波辐照热疗中温度控制的进一步研究提供基础。     

Proposal for a new tomographic device providing information on the chemical properties of a body section

A system to analyze the chemical properties of a region of tissue located deep inside the human body without having to access it is proposed. The method is based on a high precision detection of X-rays or gamma-rays (photons) from an external source Compton scattered from the tissue under inspection. The method provides chemical information of plane regions lying not too deep inside the body (<6 cm). The amount of radiation absorbed by the body is about the same as needed for a standard X-ray tomography. The exposure time is estimated to be shorter than 10 min.     

生物组织内红外热传递

结合热力学基本定律和热辐射理论,本文改进了Pennes生物热传导方程,来描述艾灸下生物组织内的热量传递过程。并采用Green函数法推导了其解析解,建立了定量解释艾灸下不同生物组织如健康组织、肿瘤组织的温度变化行为的方法。本文还提出温度衰减系数的概念来衡量组织内不同深度处的能量吸收情况。艾灸时皮肤表面温度的变化趋势与仿真结果的一致性验证实了方案的有效性。振荡的能量流对于组织来说是温和的刺激,这是生物组织实现良好功能的物理兴奋剂。结果表明,高频的能量主要被皮肤表层吸收,而低频的能量可以深入到生物组织内部。重要的是,疾病可以通过艾灸热的深透作用来治疗。     

Frequency-Dependent Absorption of Electromagnetic Energy in Biological Tissue

The frequency-dependent absorption of electromagnetic energy in biological tissue is illustrated by use of the Debye equations, model calculations for different irradiation conditions, and measured electrical properties (conductivity and permittivity) of different tissues. Four separate irradiation conditions are treated for calculating the power absorbed. in a given tissue when it forms a flat interface or is surrounded by another tissue. The calculations show that the greatest differential absorption occurs at frequencies between the dominant relaxation frequencies in the two tissues. From rat mammary gland tumor data, the calculations show an optimum frequency range of about 100-500 MHz for microwave hyperthermia treatment of at least these types of tumor.