激光與生物組織光熱效應的國內研究進展

夏文財

摘 要 從上世紀60年代第一臺紅寶石激光器問世以來，激光與生物組織相互作用的研究就迅速開展起來，并在軍事領域和醫學領域得到了廣泛的應用。本文簡要介紹了激光與生物組織光熱效應在國內的發展。

關鍵詞 激光 生物組織 熱效應

中圖分類號：R312 文獻標識碼：A

激光作用于生物組織時產生的各種效應是激光在軍事、醫學等多個領域應用的基礎。激光輻照生物組織時，由于生物組織在結構上和組成成分上的復雜性以及激光各項參數的變化，將導致其相互作用機理發生改變，激光輻照生物組織產生的各種效應可分為：光化學作用、光熱作用、光蝕除、等離子體誘導蝕除以及光致破裂五類。

我國這方面的研究起始于上世紀八十年代，在國際大環境的影響下，眾多學者和單位先后進行了該領域的研究，主要有福建師范大學物理與光電信息科技學院的謝樹森、李輝教授，華中科技大學生命科學與技術學院院長駱清銘教授，天津大學的范世福、劉迎、徐可欣、李小霞教授，華南師范大學激光生命科學研究所的邢達教授及朱丹博士、劉靜博士和他們所在的團隊，他們在激光與生物組織作用機理領域進行了大量的工作，為我國的科技進步做出了卓越的貢獻。

在組織光學領域取得的成績主要有：山東大學的魏守水、任曉楠、高迪，南開大學的張春平、許棠等學者-對光能量在生物組織中的傳播及分布情況進行了深入研究，并通過蒙特卡羅方法仿真分析了光子在多層組織中的傳輸過程，得出不同的入射激光參數對組織中光能分布的影響；同時，張春平、許棠采用光纖探測技術對生物組織的光分布進行了測量，進而得出了組織的各項光學參數。上海交通大學的黃梅珍、丁海峰對光子在皮膚組織中的傳輸進行了蒙特卡羅模擬，并對皮膚組織的光學特性進行了實驗研究。大連理工大學的丁建華、郝素麗用蒙特卡羅法對多種波長的激光輻照生物組織時，組織內的光能分布進行了模擬，得到了激光波長的變化對光能分布的影響。朱丹博士對組織參數的測量方法進行了深入研究，根據全動態模型的理論構想，建立了相應的光學測量系統。謝樹森教授對組織光學的研究內容及方法進行了概述以及研究了哺乳動物組織的光學性質，對豬的肌肉、肺等組織的漫反射率與光能流分布進行了離體測量，并對生物組織傳熱理論和生物組織溫度的測量原理進行了深入研究。

在熱傳導領域取得的成績主要有：華中科技大學的劉偉、楊昆搭建了階躍溫升法測量生物組織熱學參數的實驗平臺，對生物組織水含量等參數對光熱效應的影響進行了實驗分析。沈桂平通過建立在直角坐標系下的數學模型計算得到了激光輻照時組織的溫度分布，并對溫度場分布的影響因素進行了研究分析。李忠明對生物傳熱方程的一維溫度解進行了計算，定量研究了激光功率、輻照時間和生物組織熱學性質對生物組織溫度場分布的影響。楊洪欽碩士進行了Er：YAG激光和超脈沖CO2激光輻照皮膚組織的實驗，對影響激光誘發皮膚組織溫度場變化的主要因素進行了研究，同時分析了激光輻照時組織的傳熱特性，并得到了激光輻照時組織的溫度場動態變化情況。李小霞博士對生物組織的傳熱特性進行了深入研究，并對傳熱方程進行了求解，同時仿真分析了多種條件下組織的熱效應，得到了激光輻照下生物組織溫度場動態變化的規律，并建立了激光輻照組織光熱效應的參數測量平臺，最后對仿真結果進行了實驗驗證。華中科技大學的李正佳教授、黃楚云博士對激光汽化水中生物組織時，組織的吸收系數進行了測量。

在生物組織熱損傷領域：趙友全博士研究了激光加熱下生物組織的光熱分布及其變化，并對激光照射下生物組織產生熱損傷的各種影響因素進行了分析。李希靖對激光輻照時正常組織與損傷組織的邊界問題進行了研究，通過建立模型，計算分析了臨界組織的溫度場。劉靜博士等學者對激光輻照生物組織引起的熱損傷產生了濃厚的興趣，對熱損傷的整個過程及損傷后的恢復進行了深入的研究。朱光明對腫瘤組織在激光輻照下的熱損傷分布情況進行了深入研究。黃義梅和龔瑋對組織熱損傷的評估方法進行了深入研究。

目前，實時的組織溫度測量實驗僅限于離體組織，活體組織的實時溫度測量受條件限制使得測量結果誤差較大，測量精度還有待于提高。目前運用最為廣泛的生物組織傳熱模型有W-J生物傳熱模型、TCEBE生物傳熱模型和Pennes生物傳熱模型。WJ生物傳熱模型的求解過程十分復雜，適合于微血管組織；TCEBE生物傳熱模型的計算也相當復雜，而且部分參數的獲取還存在一定的困難；Pennes生物傳熱模型的計算相對簡便，從1948年被提出以來就受到了廣大學者的喜愛，一直被沿用至今。所以本文將采用Pennes生物傳熱模型來求解計算組織的溫度場分布。

參考文獻

[1] 趙瑾瑜.激光超聲引起血紅蛋白配合物光解反應和生物組織熱效應研究[D].南京大學，2016.

[2] 李樂樂.離體生物組織激光焊接工藝試驗研究[D].南京理工大學，2016.

[3] 田振國.生物組織激光光回饋層析成像技術研究[D].北京林業大學，2016.

[4] 馮巧.激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物醫用合金的組織與性能[D].大連理工大學，2016.