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生物组织光热响应数值模拟与实验研究

作　者: 童雅星
导　师: 黄梅珍
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 生物组织光热响应 Monte Carlo方法有限元模拟动态物性参数连续氙灯复合光
分类号: R318.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光辐射在生物组织体中的传输、分布以及光与生物组织的相互作用是生物医学光子学研究中重要的基础性问题。在光与生物组织相互作用的多种效应中,从临床应用的角度看光热效应是最重要的。目前,用Monte Carlo方法模拟光子在生物组织中的随机行走路径已比较成熟,美国的Lihong Wang和S.L.Jacques发表的Monte Carlo程序被广泛地运用于组织中的光传输分析;而有限元和有限差分方法则是在热分析中普遍采用的方法。目前为止,已经开展的研究工作大多数都是关于激光照射下的情形,并采用固定不变的光学和热学参数进行模拟,这并不完全符合实际的情况,实际上生物组织的光学参数和热学参数与温度密切相关;此外,近年来在临床上除了激光以外的其它光源包括强脉冲宽光谱光源等复合光的应用也越来越多。因此,关于宽光谱复合光照射下,生物组织的光热响应特性的分析模型和实验方法等问题的研究具有非常重要的实际意义。本文结合数值分析以及实验手段,首先从生物组织的基本结构出发,根据光与生物组织相互作用后发生的各种行为,对光与生物组织相互作用的基本机制进行了探讨。在此基础上,分析了生物组织的热传导机制,阐述了组织中的热损伤现象和光照下生物组织的传热方程,并给出了高斯和圆平光束情形下光源热源项的表达。随后,采用Monte Carlo方法分析了光与生物组织相互作用过程中,生物组织内部的光子数分布和光能流率分布特点;用有限元方法,对含有光源热源项的牛肌肉组织传热方程进行了计算求解,提出了动态光学参数和热学参数情形下的有限元计算模型,分别计算了采用固定的和随温度动态变化的牛肌肉组织光学和热学特性参数情况下的组织的光热响应过程,结果表明1)若不考虑光学参数(μa与μs)以及热学参数(c,k和ρ)随温度变化的影响,将高估牛肌肉组织的温升;2)与热学参数相比,动态光学参数更大程度的影响牛肌肉组织的温度响应;3)在激光辐照的过程中,在牛肌肉组织表面附近会形成一个光学屏障,影响组织表面和内部的光子数分布,从而影响组织的温度分布。本文还创新地提出了适用于分析任意复合光源作用下生物组织光热响应的有限元分析计算模型——利用单色仪和光功率计测量复合光源光功率的方法,并将结果运用有限元进行数值分析。本文以连续氙灯作为光源,对其功率谱分布进行了测量;根据文献报道的组织光学和热学参数模拟计算了市售新鲜猪皮肤组织和猪肝组织的温度响应特性,实验采用自行设计的二维螺旋测温装置,测量了连续氙灯照射下市售新鲜猪皮肤组织和猪肝组织的温度变化情况,对我们所提出的复合光作用下生物组织光热响应的理论模型的正确性进行了验证。本论文得到了国家自然科学基金(No.60678054)的资助。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-16
  1.1 引言  12-13
  1.2 研究背景与选题意义  13-15
  1.3 本论文的主要工作  15-16
第二章生物组织中的光传输及其相互作用机制  16-30
  2.1 生物组织的结构  16-17
  2.2 光与生物组织的相互作用  17-24
    2.2.1 光与生物组织的相互作用——反射与折射  18-20
    2.2.2 光与生物组织的相互作用——光的吸收  20-21
    2.2.3 光与生物组织的相互作用——光的散射  21-23
    2.2.4 混浊介质的光子传输  23-24
  2.3 生物组织光学参数的测量  24-26
  2.4 光子传输理论  26-28
  2.5 生物组织中的光分布  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章生物组织中的热传导机制  30-43
  3.1 生物组织的热学参数  30-32
  3.2 生物组织的传热理论  32-36
  3.3 生物组织中的热损伤  36-40
    3.3.1 生物组织的热损伤现象  36-38
    3.3.2 生物组织的热损伤模型  38-40
  3.4 光照下生物组织的传热方程  40-42
  3.5 本章小结  42-43
第四章激光作用下生物组织光热响应的数值分析  43-65
  4.1 生物组织光热响应的MONTE CARLO 模拟  43-52
    4.1.1 Monte Carlo 理论  43-47
    4.1.2 生物组织光热响应的Monte Carlo 模拟  47-52
  4.2 生物组织光热响应的有限元模型  52-54
  4.3 激光牛肌肉组织光热响应有限元模拟  54-64
    4.3.1 激光牛肌肉组织光热响应有限元模型  55-56
    4.3.2 温度对牛肌肉组织光学、热学特性参数的影响  56-58
    4.3.3 动态光热参数对牛肌肉组织光热响应模拟的影响  58-64
  4.4 本章小结  64-65
第五章复合光作用下生物组织光热响应数值模拟和实验研究  65-79
  5.1 复合光作用下生物组织热效应的传导模型  65-67
  5.2 连续氙灯作用下生物组织光热响应数值模拟准备  67-72
    5.2.1 连续氙灯光源的光谱测定  67-70
    5.2.2 生物组织光学参数的选择  70-72
  5.3 连续氙灯作用下生物组织热响应实验  72-76
    5.3.1 实验设计与样品制备  73-75
    5.3.2 猪皮肤组织和猪肝组织的光热响应实验结果  75-76
  5.4 连续氙灯辐照下生物组织实验与模拟结果分析  76-78
  5.5 本章小结  78-79
第六章全文总结与展望  79-81
参考文献  81-86
致谢  86-88
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  88-90

生物组织光热响应数值模拟与实验研究

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