脉冲激光波长对生物组织温度场影响趋势研究

根据生物组织热传导方程,分析了激光与生物组织作用的热传递数学模型,建立了基于有限元方法的的三层皮肤组织模型,给出了采用ANSYS软件进行组织温度场求解的流程,仿真研究了不同波长脉冲激光在皮肤组织内部产生的温度场特性,得出了组织内部温度场分布、激光入射深度与激光波长之间的关系。结果表明,激光波长增大,皮肤组织的温升效果呈下降趋势。由于皮肤组织对不同波长激光具有不同的吸收特性和衰减特性,使得激光的入射深度在很大程度上取决于与激光波长。     

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。     

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。     

8毫米波辐照鼠皮肤损伤观察及温升仿真

采用苏木精一伊红(HE)染色法对8毫米波辐照不同时间的小鼠皮肤组织切片染色.结果表明随着辐照时间的增加,组织损伤也在逐步加深.建立了考虑血流灌注和水分蒸发失热的一维生物热传导模型,数值计算得出动物表皮温升,计算结果与实验测定结果吻合较好.进一步计算得到了不同辐照时间,动物皮肤不同深度的温升.理论计算和实验相结合,得到了温度与组织损伤之间的关系,结果表明当组织温度上升约16℃时,可以引起组织形态的明显变化.     

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。     

多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

通过实验测定了离体乳猪皮肤组织在多脉冲Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,重点研究了激光辐照能量密度、脉冲重复频率以及波长对皮肤组织温升分布的影响.研究结果表明:皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照能量密度、脉冲激光的重复频率以及波长密切相关;在激光辐照时间为40 s的情况下,同一波长同一频率时组织温度随能量密度的增加而增大,波长1064 nm、霞复频率10 Hz时的安全光剂量阈值为1118.19 mJ/cm2;同一波长同一能量密度时,组织温度随脉冲激光重复频率的增加面增大;同一能量密度同一频率时,波长为1 064 nm的多脉冲激光辐照皮肤组织时的光热效应较532 nm波长明显.     

连续激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏。建立了激光与皮肤组织相互作用的二维非稳态温度场模型,在柱坐标系下采用积分变换法精确求解了平顶和高斯分布的连续激光辐照皮肤组织的热传导方程,得到瞬态温度场分布,并以氦氖激光辐照皮肤组织为例,数值模拟了皮肤组织在激光作用下的温度分布。研究结果表明：皮肤组织径向温度分布与入射激光光束的光强分布相似,激光与组织热效应在很大程度上取决于激光参数,主要有激光功率、焦斑半径等。     

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.     

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.     

激光辐照活体皮肤层状组织的光热作用数值模拟研究

具有一定强度的激光辐照皮肤组织时可造成组织的破坏.本文基于激光与生物组织相互作用的机理,建立了激光辐照皮肤三层组织的二维传热模型.在Pennes生物传热方程中采用更能反映活体组织真实情况的血液灌注率,并用有限元法数值模拟了所引起的温度场变化.研究结果表明激光对活体皮肤组织的热损伤最早发生在光束中心处,并沿着径向和轴向衰减,活体组织热物性的非均匀性考虑与否会对结果产生很大影响.     

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。     

分布Er:YAG激光对皮肤光致热分解作用数值分析

为了计算分布Er:YAG激光皮肤治疗中微尺寸调Q Er:YAG对皮肤组织光致热分解作用中的压力曲线,采用分布Er:YAG激光皮肤软组织光致热分解作用的数学模型进行数值计算,得到将激光功率密度控制在合适范围内,能使皮肤组织快速汽化而不碳化,且在该功率密度范围内受照皮肤组织内部形成很短持续时间强大压力的结果。结果表明,合适的功率密度的分布调Q Er:YAG激光皮肤治疗,能达到皮肤周围组织损伤小、手术疼痛感少的效果。该计算结果与国外的实验报道基本吻合。     

TC17 钛合金激光多次冲击强化后组织和力学性能研究

对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究,将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击,分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明:TC17钛合金在不同次数激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,晶粒细化明显,3 次激光冲击后有纳米晶形成;残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大,且沿深度方向的变化规律基本相同;与未冲击试样相比,5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%,沿深度方向300 m范围内影响明显,表面残余应力达到-644.3MPa,残余压应力影响层深度增加至1.9mm。     

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。     

用蒙特卡罗法研究折射率对光在组织中的漫反射率和吸收比的影响

用蒙特卡罗(Monte Carlo，M—C)法分别对光在人肺组织和人体动脉三层组织中的传输特性进行了研究，得到如下结果：漫反射率Rd随着组织折射率n的增大线性减小，而吸收比A随着组织折射率n的增大几乎是线性地增大。但对于多层组织来说，越深层处的折射率对Rd的影响越小，并且由于各层组织的厚度和光学特性不同，各层组织的折射率对吸收比A的影响也有所不同。因此，折射率是生物组织不可忽视的一个重要参数。     

CO2激光照射活体皮肤的光热效应研究

结合温度测量和数值模拟进行激光与组织光热效应的研究。采用二维有限元法求解生物热传输方程,可计算得到组织的模拟温度分布。温度测量可用来验证理论模型,采用微型热电偶与红外辐射测温仪同时测量生物组织内部和表面照射点温度,适于组织微创和快速的点温测量。CO2激光凝结活体大鼠皮肤组织的实验和数值分析结果显示温度响应曲线形状基本一致,表面照射点（r=0mm,z=0mm）和皮下（r=0mm,z=1mm）温度的峰值相对误差分别为23．24％和0．4％,灌注率和位置是温度曲线的主要影响因素,所以准确的组织参数和更精确的定位可以进一步降低误差,为激光治疗提供直观、全面和可预知的信息。     

激光冲击对中高温服役条件下镍基合金K417显微硬度的影响

为研究中高温环境下的激光冲击强化效果,采用功率密度8.5GW/cm2、脉冲宽度10ns的强激光对K417镍基合金冲击改性,利用维氏硬度法测试其在700℃、800℃、900℃保温后的显微硬度值。结果表明中高温保温后,激光冲击硬化效果有所减弱,但不同温度下激光冲击区域的平均硬度均明显大于未冲击区域;深度方向硬度近似呈指数形式衰减,硬化层深度随温度的增加呈减小趋势;单个光斑径向硬度分布与激光空间分布特性导致的等离子体冲击波不均匀相关。研究表明在800℃以下,激光冲击有效提高了K417的综合性能指标。