高功率激光与生物组织热相互作用的传热模型

基于高功率激光与生物组织作用会产生汽化、碳化和熔融等相变热效应的事实,建立了热相互作用的传热分析模型,它考虑了碳化层的存在,并具有两个移动的相间边界。不同激光强度下的数值模拟给出了组织中的温度场以及相间边界的温度、移动速度等参数的变化规律,进而预测激光切割深度。组织热损伤区大小,各种热效应发生时间等。     

激光手术时热效应的估计与实验测量

本文用计算机数值模拟求得了激光辐照时生物组织中的一维温度场和相间边界移动速率,进而估计了其热损伤大小和烧蚀组织数量,并对热损伤区大小和切割深度进行了实验检验。结果表明：该估算结果与实验数据符合得很好。     

激光蚀除生物组织的影响因素

为深入研究激光和生物组织的相关参数对激光蚀除生物组织过程的影响规律,在McKenzie三层结构模型的基础上,提出了包含碳化层、干化层、脱水层、凝结层和正常组织在内的激光蚀除生物组织多层结构模型,并进行了数值模拟与分析。结果表明,蚀除速度与激光功率密度呈近似线性关系;碳化层、干化层和凝结层的厚度皆随激光功率密度的增加而减小,并逐渐趋于定值;而脱水层的厚度则随激光功率密度的增加而增大,并逐渐趋于定值。波长为2.94μm的Er∶YAG激光蚀除生物组织时,组织热损伤的总厚度小于波长为10.6μm的CO2激光造成的损伤,更适合用于激光外科手术。     

强激光辐照下生物组织的瞬态温度场研究

研究生物组织在强激光作用下的瞬态温度分布，探讨强激光作用下生物组织的热传输规律，采用数值方法中的有限差分法求解热传导方程，得出了生物组织纵切面上温度的时空分布图、生物组织轴向温度按指数规律降低及径向上温度按偶次方幂函数规律变化，根据纵切面上温度时空分布图估算出热损伤深度，当激光功率密度分别为175W／cm^2和298W／cm^2时，热损伤深度分别为0．28mm和0．24mm，其值与相关实验值较好地符合。     

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     

肝组织激光间质热疗温度与热损伤区域研究

基于光子传输理论,首先采用蒙特卡罗方法和Pennes生物传热方程模拟了肝组织激光间质热疗在不同功率不同加热时间下的温度分布,然后进行相应参数下的猪肝离体实验,获取相应的中心温度和热损伤区域大小,最后对理论模拟与离体实验的结果进行对比。对比结果表明:离体实验的中心最高温度低于对应的理论模拟值,理论模拟的53 ℃温度等高线椭圆长、短轴能较好的预测实际的热损伤区域大小。     

激光诱导间质肿瘤热疗中的动态光热作用模型

考虑热疗过程中生物组织物性参数的动态变化,建立了描述激光诱导间质肿瘤热疗（LITT）过程中动态光热作用的二维物理数学模型。采用改进的Monte Carlo方法数值模拟了LITT中激光能量在非均质生物组织内的传输过程。基于Pennes生物传热方程和Arrhenius方程数值求解了组织内的温度分布和热损伤体积的变化,分析了光学物性参数、热物性参数及血液灌注率的动态变化对LITT过程的影响。数值模拟结果表明,组织的光学物性参数、热物性参数及血液灌注率的动态变化对于热损伤体积的变化具有重要的影响,应该在光热作用建模中予以考虑。     

红外激光蚀除生物组织过程的时间演化规律

在描述激光蚀除生物组织过程的多层结构模型的基础上,研究了激光蚀除生物组织过程中组织的温度场、热损伤程度等表征蚀除过程和效果的主要物理量的时间演化规律.以10 W/mm2 的CO2激光蚀除人体皮肤组织为例进行了数值计算,得到了组织发生汽化脱水、干化和碳化等重要变化的时刻、蚀除界面移动和蚀除进入准稳定状态的时刻以及蚀除过程中组织的温度场、蚀除界面和各层组织间相界面等物理量的时间演化规律.     

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。     

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。     

激光—生物组织热相互作用研究

激光在医学上的临床应用大多与热有关。本文从激光－生物组织热相互作用的本质分析了热的产生、储存、传输和损失,从数学上描述了组织传热的3种方式;辐射、传导及对流,推导出组织热平衡方程,在此基础上阐述了激光－组织热作用模拟的基本思想。     

生物组织光热传输和热损伤的研究

生物组织的光热作用表现为光凝固、气化、碳化等不同的热效应,激光能量在生物组织中不断累积、扩散,由此引起生物组织产生不同程度的热效应和热损伤.在激光辐照下生物组织的热传输和热平衡机理分析的基础上,深入讨论了被作用靶组织产生的温升、热损伤和激光曝光时间三者之间的相互关系,随着吸收的光能量的增加,热源扩散使得靶组织的温度升高,温升分布将由一个δ函数扩展为一个正态分布,同时,温度升高又伴随着不同程度的热损伤.理论证明,组织温升是激光外科的一个重要因素.临床中由于缺乏被作用组织真实温升的监测措施,为了达到某种治疗效果,要么调高或者调低激光输出功率,要么延长或者缩短曝光时间,这些都可能造成靶组织的过度热损伤或者是照射剂量不足.     

激光与生物组织热相互作用的多层结构模型

考虑生物组织的热物性非均匀性 ,建立激光与生物组织热相互作用的多层结构模型 ,探讨无相变时生物组织中的热量传递规律。通过Laplace变换得出两层结构模型中组织温度分布的精确解 ,考察生物组织表面的温度变化规律 ,由此预测组织达到气化所需的时间和热损伤区域的大小。研究表明 ,组织热物性非均匀性考虑与否所引起的温度预测结果有明显差异     

激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层的研究

针对声光调Q YAG脉冲激光修整青铜结合剂金刚石砂轮,运用ANSYS有限元软件建立了三维脉冲激光烧蚀金刚石磨粒的数学模型和传热模型,得到了激光烧蚀金刚石磨粒后的温度分布。利用所建立的模型可获得不同激光参数下的变质层厚度,并通过实验对该模型进行了验证。针对脉冲激光修锐与整形的两个不同方面,从实验和数值模拟两方面研究脉冲激光参数对变质层厚度的影响规律,得到在修锐时脉宽与激光功率对变质层厚度影响程度相差不大,而在整形时脉宽则起到了绝对的主导作用;经过多脉冲激光烧蚀后变质层厚度有所减小;只有在砂轮修锐时石墨变质层厚度随脉宽的增加而减少。     

高功率激光对光电器件的热-力破坏效应

热-力破坏效应是导致光电器件激光损伤的重要因素.以激光与材料相互作用机理为基础,建立了激光辐照光学材料、光电器件的热-力学模型,并对其温度场分布和热应力场分布进行了解析求解.在此基础之上,对激光对K9玻璃、类金刚石薄膜、胶合透镜和HgCdTe探测器的热-力破坏效应进行了数值分析和实验研究.     

激光辐照对红外探测器的损伤

根据红外探测器的结构特点和传热学理论,研究激光干扰机的激光器对探测器的损伤效果。以InSb探测器为例,设定入射激光从顶层辐照,结合各层之间热传导效应建立分层热模型。考虑激光在空间上的分布为高斯分布,给定初值和边界条件,利用Matlab偏微分工具箱进行建模仿真。重点研究了辐照距离、辐照时间和激光器功率等因素对探测器损伤效果的影响,给出了相应的仿真结果。当连续激光功率为50 W、距离为200 m、辐照时间为3 s时,对探测器的损伤效果主要是软损伤,受激光功率密度所限,未能造成永久性破坏。     

Hot-carrier-induced degradation of LDD polysilicon TFTs

In order to improve the stability of polysilicon thin-film transistors (TFTs) several drain junction architectures have been proposed. In this paper, the hot-carrier (HC) related stability of the lightly doped drain (LDD) TFT architecture is analyzed by using an iterative algorithm that relates the HC induced damage to the carrier injection across the device interfaces with gate and substrate oxide. The resulting creation of interface states and trapped charge is taken into account by using a system of rate equations that implements mathematically the Lais two step model, in which the generation of interface states is attributed to the trapping of hot-holes by centres into the oxide followed by the recombination with hot electrons. The rate equations are solved self-consistently with the aid of a device simulation program. By successive iterations, the time evolution of the interface state density and positive trapped charge distribution has been reconstructed, and the electrical characteristics calculated with this model are in good agreement with experimental data. This algorithm represent an improvement of an already proposed degradation model, in which the interface states formation dynamics is accounted by using a phenomenological approach. The present model has been applied to reproduce the degradation pattern of LDD TFTs and it is found that generation of interface states proceed almost symmetrically on the front and back device interfaces, starting from the points in which the transverse electric field peaks, and moving toward the drain side of the device. The final interface states distribution determines a sort of "bottleneck" in the active layer carrier density, that can explain the sensitivity to HC induced damage of both transfer and output characteristics.     

低能激光武器对人眼光热作用的数值模拟

针对低能激光武器使用过程中对人眼作用的不确定性,建立了符合我国人眼参数的简化模型和视网膜光热作用的层状模型,充分考虑外在环境及人眼受到激光照射时本能躲闪等因素,运用matlab中的有限元法求解了不同激光照射条件下眼底的温度变化,利用生物组织的热损伤模型,确定了激光照射人眼时的功率密度限值,通过对青紫蓝灰兔眼的激光照射实验表明,实验结果与数值模拟结果基本一致。