激光照射下生物组织热传输特性

夏文财

摘 要 激光辐照生物组织时，光子的能量被组织吸收，进而转化为组织的热能，即激光与生物组织的光热效应。光热效应将会改变组织内的温度场分布。本文将从生物组织的结构特性入手，分析了组织内热源分布情况，研究了热量在组织内的损失和传输规律。

关键词 激光 皮肤组织 光热效应

中图分类号：TN248.1 文献标识码：A

1人体皮肤组织的光热特性

（1）光学性质在紫外、可见光与近红外光谱区域，不同颜色的皮肤组织对激光光子具有选择吸收的特性，当激光辐照皮肤组织时，部分光会在皮肤表面发生反射，其余光会进入皮肤组织内部。反射光的多少只跟皮肤表面的粗糙程度有关。光进入皮肤组织内部会被吸收和散射。

（2）热学性质激光辐照生物组织时，会发生光热效应、光致电磁效应、光致化学效应等一系列的效应，而光热效应占据主导地位。

生物组织与传热相关的特性参数如下：

①比热，是指物质，它的温度变化1℃时，其自身所改变的热量。

②热传导率，是指横截面积为1平方米，厚度为一米的物质，其两端的温差为，在时间内，流经该物质的热量。

③密度，被定义为某种物质在一定的温度时，单位体积内所含物质的质量。

④热扩散率 [m2/s]，指物质在加热或者冷却过程中，其温度趋于一致的能力，被定义为热传导率k与密度和比热C的比值。

⑤热弛豫时间，部分组织吸收热量而引起了温度的升高，温差的出现就会产生热量从高温区域向低温区域流动，组织的温升降低一半的时间就是热弛豫时间。

2激光在皮肤组织中的热源

研究激光辐照皮肤组织时的温度场变化，首先就要对激光辐照组织时，产生的热源在组织内的分布S进行准确描述。和一般物质相比，生物组织内含有固体、液体和气体等特殊成分，而且在结构上更加复杂。另外，在同一个身体内不同的部位、不同的器官都存在差异。因此对激光辐照生物组织所产生的热源分布进行全面、准确的微观描述将是非常困难的。但是在研究激光与生物组织光热效应中，研究者们感兴趣的是激光辐照生物组织时，生物组织温度场的宏观表现。所以，可用把热源项分为热量获得项Sgain和热量损失项Sloss。Sgain为激光能量在组织中的积累，不考虑生物组织自身新陈代谢和周围环境对它的影响；热量损失项Sloss主要是组织内毛细血管的血液灌注所引起的。激光辐照生物组织时，组织吸收光子的能量，使自身温度升高。

生物组织各个组成部分都在不断的产生热量，这些热量会通过各种方式转移到组织体外。在一般情况下组织产生的热量与转移到体外的热量是相等的，组织体此时就处在热平衡状态；若不相等，则没有转移出组织体的热量就会留在组织内，造成组织体内局部温升。

能量一般有三种形式：

（1）贮存能量，可用不同能级或潜能来衡量；

（2）热量传递，物质之间或物质内部存在温差，就会有热量的流动，包括对流、辐射和传导三种形式；

（3）做功W，它是由系统之间力的作用引起的能量转移。

众所周知，生物组织的结构和组成成分都十分复杂，而且它是由有自己内部活动的各个系统组成的生命体，所以为了能够很好的描述组织内的热量传输运动，需要考虑以下因素的影响：

①组织的外部形态；

②外部热源；

③组织的热学性质以及组织在生理上的变化；

④热传导；

⑤组织与周围环境的热交换；

⑥新陈代谢产生的热量；

⑦血液流动对热传递的影响；

⑧生物组织自身的热调整；

3热传递

物质与物质之间存在温差，那么就有热传递，它在生物组织内有以下四种形式：

（1）辐射是指两个或两个以上的非接触物质，物质之间存在温差，他们通过发射与接收电磁波能量的方式进行的能量传递。生物组织的辐射散热主要发生在组织表面。黑体是一种理想的辐射体，在一定温度时，任意波长的辐射能量都是最大；而且它的吸收特性也特别好。

（2）热传导是指由于组织体内有温度梯度的存在，使热量通过固态和液态介质进行的热量传递。

（3）对流是通过流动液体或气体与固体边界之间进行的一种热量交换，它有自然对流和强制流动两种方式。

（4）新陈代谢指生物体和外界环境之间物质与能量的交换以及生物体内物质与能量的转变过程，这是生物体与一般材料截然不同的地方。同时，新陈代谢的速率依赖于生物体的活动水平，不同器官的组织代谢率也有很大差别。

4热传递的初始状态与边界条件

只有给出一定数量的边界条件才能求解出生物组织的传热方程，并且必须给出生物组织的初始温度分布。边界条件指生物组织表面与周围环境的热交换条件，一般有以下几种形式：

（1）在组织边界上的温度设定为确定值；

（2）令组织边界为辐射换热；

（3）给定组织边界上的热流通量；

（4）令组织边界为对流边界，就可以建立生物体体表温度为。

5激光辐照皮肤组织的热损伤

在不同温度下皮肤组织的热效应现象如下：

（1）温热感觉人体组织的体温一般为37℃，稍微高出1～5℃，会有温热的感觉。

（2）热致红斑皮肤温度在范围内时，皮肤会有红斑出现，而后恢复正常。

（3）热致水泡皮膚温度在范围内时，皮肤组织表面会有水泡产生。

（4）热致凝固皮肤温度升至时，在10s时间内细胞就会凝固坏死，在外观上表现为组织变暗。

（5）热致汽化皮肤温度升至时，组织内的水分被汽化后，将冲破细胞而逸出组织，白烟将会在组织表面出现。

（6）热致炭化皮肤温度升至时，组织将会出现炭化坏死。

参考文献

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[2] 田振国.生物组织激光光回馈层析成像技术研究[D].北京林业大学，2016.

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