张纪庄[1]2009年在《皮肤病治疗中激光蚀除和选择性光热解的光热作用研究》文中研究指明作为蚀除性和非蚀除性皮肤疾病激光治疗的理论基础,激光蚀除和选择性光热解(selective photothermolysis,SP)的光热作用研究是国内外激光医学研究领域的热点和难点问题。本文采用理论分析、数值模拟和离体、活体动物实验相结合的方法对CO2激光蚀除皮肤组织和SP的光热作用机理以及各种因素影响下的量效关系进行了探索性研究。本文建立了CO2激光蚀除皮肤组织多层结构动态光热作用数理模型,并对蚀除过程中各层组织厚度、组织吸收的激光能量分布和温度场等主要物理量的时空演化规律,以及激光功率、环境参数等相关参数的影响规律进行了理论分析和数值模拟。对激光照射过程中组织吸收的激光能量分布、温度场和各层组织厚度(对应于组织物性参数)的相互耦合作用,以及激光照射停止后剩余热的影响进行了分析讨论。本文建立了考虑组织热物性参数和血液灌注率动态变化及汽化潜热影响的叁维SP光热作用数理模型,并对激光照射过程中和停止激光照射后组织中的温度场和热损伤分布的时空演化规律,以及黄色人种皮肤内血管参数、表皮冷却方式等相关参数的影响规律进行了理论分析和数值模拟。研究结果表明,与“选择性的激光能量分布”相比,用“选择性的温度分布”能更有利于揭示选择性光热解的作用机理,通过强化组织温度分布的选择性可优化SP治疗。本文还对考虑汽化温度和压力动态变化的SP光热作用数理模型进行了初步探讨。本文对CO2激光蚀除离体猪皮组织时蚀除弹坑直径和深度与激光功率的量效关系、532 nm和1064 nm激光照射活体小鼠皮肤组织时热损伤厚度与激光能量密度的量效关系以及用578 nm激光对活体兔眼视网膜的热损伤阂值进行了实验研究,实验结果与数值结果符合较好。本文研究成果有助于进一步深入认识对皮肤疾病进行激光治疗过程中的临床现象和规律,对提高治疗的安全性和有效性具有参考价值和指导意义。
丁海峰[2]2008年在《皮肤生物组织光热响应研究》文中认为随着激光生物医学的进展,光辐射在生物组织体中的分布以及光与组织的相互作用成为重要的基础问题,并促使了一门新的学科“组织光学”的诞生。上世纪80年代“选择性光热解效应”机理的提出,使得激光在皮肤美容外科方面的应用研究迅速开展起来,然而,至今基础研究仍然远滞后于临床应用,尤其在辐射曝光剂量的选择上,临床上仍带有很大的盲目性与试探性,使得激光或强脉冲复合光治疗的安全性及有效性难以保证,这一问题成为长期困扰广大医师的症结所在。本文结合数值分析及实验手段,紧紧围绕“皮肤生物组织光热响应”这一命题进行研究,积极探索生物组织的光热作用规律,探求辐射曝光剂量及其参数选择、评价的依据,来提高激光或强脉冲复合光治疗的安全性及有效性。首先概述了光与生物组织作用的基本机制及生物组织中光传输、热传输的基本理论。在此基础上,根据皮肤组织吸收光能进而诱发热效应的特点,结合人皮肤组织等的光学特性参数,采用蒙特卡罗方法模拟了皮肤等几种组织中的光能流传输分布,并比较了各个特性参数对光能流分布的影响。然后采用有限元方法,对含有激光热源项的生物传热方程进行求解,着重定量分析了不同曝光剂量参数(脉宽、脉冲间隔)下皮肤组织的温度分布响应特性,建立了评价函数δn,很好的评价与描述了脉冲光的传热特性,并探究了脉宽及脉冲间隔的选取问题,有助于临床上曝光剂量的选取。创新的提出强脉冲复合光的建模模型与方法,并采用有限元方法进行了数值建模分析。实验部分主要包括两方面的内容,其一:皮肤组织的光谱特性实验。选用与人皮肤组织接近的离体猪皮及皮肤模拟液(脂肪乳剂、碳素墨水),分别研究了它们的光谱特性,得到了散射性粒子与吸收性粒子不同的光谱特性,并以血液(散射、吸收并存)为例进行了验证。其二:皮肤组织的光热响应实验。自行设计并研制了适用于生物软组织体内二维精确定位的热电偶探针测温及单片机温度采集系统,该系统定位精度高(可达10um),两维方向易于调节。并使用该系统,研究了离体猪皮在CO2激光、Nd:YAG激光及强脉冲光作用下的升温特性,并与有限元模拟的结果进行了对比,实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性。也说明了数值分析结果的合理性及其具有较好的临床应用价值。本文工作得到了国家自然科学基金(No.60678054)的资助支持。
关魁文[3]2013年在《皮肤组织对红外激光辐照热响应的细胞机理研究》文中研究指明光热响应是红外激光与生物组织相互作用的主要形式之一,但其产生、传输和作用机理尚不十分清晰,这导致在临床应用中还主要以经验为主,不能更为有效地控制激光治疗的过程和效果。为了明确激光辐照过程中的作用机理,以期达到优化治疗效果,研究者开始从细胞层面着手,来认识这一作用。本文主要采用膜片钳技术与激光辐照相同步技术,对激光辐照生物组织过程中细胞外液在光吸收诱导的热响应中所起的媒介作用进行了理论和实验两方而的探究。皮肤疾病是目前应用激光治疗最有效的一个领域,红外激光又大多以热作用的形式和标准来确定其相关参数。基于这样一个前提,在组织层面上,本文从理论上研究了激光辐照皮肤的光热响应情况。研究中采用目前研究光皮肤组织热响应过程时常用的两层模型,理论计算了激光辐照过程中不同部位皮肤组织热响应的温度分布,对比了不同部位皮肤表皮层开始汽化的时间和探讨了能量累积问题,结果表明不同部位的皮肤层厚度、皮肤组织各层中水、脂肪、血红蛋白等色团的光学性质和热学性质、以及所选取激光的参数包括波长、能量密度、脉冲宽度等在作用过程中都起到了至关重要的作用,但要具体辨识色团的作用就需要进行细胞方面的实验。为了明确水在红外光热响应过程中介导方面的作用,本文选取980nm和845nm两个波长的近红外激光进行了理论和实验两方面的研究,选择两个波长的依据是：由于水是生物组织中含量最高的色团(按重量),在生物组织的生命活动中起着至关重要的作用,另外,两个波长的激光在临床上较为常用,且在水中的光吸收系数分别为0.502cm-1(980nm)和0.0378cm-1(845nm),其比值大约10倍。在研究过程中把激光辐照的作用过程分为温升建立和耗散两个阶段,在温升建立阶段,理论方面充分考虑激光辐照的脉冲时程(500ms)长于水介质的热弛豫时间(17.6ms),且空间作用长度远远短于两个波长的光在水中的穿透深度等因素。主要考虑轴向吸收和径向热扩散两方面的作用。实验上是基于膜片钳系统来测量细胞外溶液中,已进行温度标定的、充灌溶液的玻璃微电极(Open-pipette method)电导变化,根据这个电导变化来定量研究溶液的光热响应与其吸收特性的关联。实验结果显示温度场建立过程中双波长辐照产生的温升比大约为10倍。在耗散阶段(关闭激光后),理论方面主要是运用热扩散理论来分析温度场的衰逝进程,实验方面使用膜片钳监测神经细胞电生理功能在温度场衰逝过程中的变化,这样可以最大限度的排除其它光学效应(比如光化学、光力学等)的影响。理论和实验结果都证明了Na通道的电流强度在双波长激光辐照后都得到了较明显的增强,目.980nm激光辐照后的电流强度增加值明显高于845nm激光辐照后的电流强度的增加值。又由于在实验过程中只改变激光波长,其它实验条件保持一致,因此这两个结果具有波长依赖的可比性。理论和实验两方面的结果都表明,溶液在低强度近红外激光的吸收特性决定了光热响应,从而对细胞的电生理功能进行调制。这一结果,可以直接用于生物组织光热响应特性相关的机理研究。由于第四章中理论分析电流峰值的变化时所采用的近似方法使得实验和理论计算有一定的差异,在接下来的工作中对其理论进行了修正。文中采用离子热迁移理论分析了激光辐照溶液中的细胞Na离子通道电流的峰值变化。通过理论分析发现：由于局部温升造成的离子迁移,致使细胞周围的离子浓度减小,而Na离子浓度的减小减弱了电压依赖的Na离子通道的电流强度的增强程度。最后,由于血液中的主要吸收色团为水(约90%)和血红蛋白,那么对于近红外光,血液吸收的能量明显强于周围的组织。基于该事实本文进行了近红外激光的静脉观测实验,发现使用近红外激光辅助可以使手背静脉较清晰的显现出来,这对临床上静脉穿刺等临床医学应用特别是对血管比较难以辨认的患者提供了帮助,同明证明了红外光辐照皮肤过程中水的吸收起到了决定性的作用。
杨洪钦[4]2001年在《激光与皮肤组织的热作用》文中研究指明本论文结合国家自然科学基金项目（69778029#和60078024#2项）和福建省自然科学基金项目（A0010015#），从理论和实验上尝试研究激光辐照下生物组织的光热响应。 首先研究激光辐照下生物组织热传递的物理机制，在此基础上借助光在生物组织中的传输模型和热传导方程，唯象地导出激光辐照下生物组织的热传递方程。接着采用交替方向隐式法，简称ADI法在柱坐标上数值分析激光诱发生物组织温度场随时间、空间的变化关系。 研究了激光辐照下离体猪皮、活体大白鼠皮肤和活体兔皮肤组织温度场的测量技术，进行了Er:YAG激光和超脉冲CO_2激光辐射下的实验测量，并用数学工具软件对实验结果进行拟合分析，得到激光辐照期间和激光停止辐照后生物组织温度场的变化规律，最后分析了影响激光诱发生物组织温度场的一些主要因素。相关的结果对激光辐照生物组织诱发光热响应的深入研究和指导激光的临床应用具有一定的意义。
胡韵箫[5]2017年在《中红外医用光纤激光的研制及其与生物组织作用的研究》文中研究表明近年来,2.0μm激光手术治疗系统相比于传统开放式外科手术和经尿道电切术,在治疗前列腺等泌尿系统疾病方面,具有出血量少、作用创口小以及手术安全性高等优势。这是由于水分子在1.94μm波长处有一个吸收峰,组织受激光照射,内部的水分会迅速吸收激光能量,瞬间达到气化所需的温度条件并受热分解。在此过程中,组织的气化分解能快速带走大量的热能量,减小其在邻近组织中的热传导作用,降低对目标组织周围的热损伤。然而目前市场上商用化的铥激光手术刀的光源大多采用连续二极管端面抽运的Tm:YAG激光系统和Tm:YLF激光系统。掺Tm~(3+)光纤激光器相较于传统铥固体激光器具有较好的光束质量、良好的集成性和较高的紧凑性,完全具有替代传统固体激光手术刀的潜在应用价值。因此,研究掺铥光纤激光系统与新鲜生物组织的相互作用,开展定量分析和定性讨论是非常有必要的。本文基于2.0μm波段掺铥光纤激光器的各种优点,开发和研制了一款连续/准连续全光纤铥激光治疗系统和搭建了基于全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构的高功率铥激光手术实验系统,并且重点研究了2.0μm波段掺铥光纤激光与生物软组织的相互作用。主要研究成果有以下几点:(1)基于Tm~(3+)对793 nm泵浦的吸收能级建立了掺铥光纤激光器的速率方程,并结合边界条件对激光器的输出功率特性进行了数值模拟,并计算了达到预期输出功率所需的光纤长度和输出激光的斜率效率。数值仿真结果表明掺铥增益光纤长度为6 m时,在12 W泵浦功率下可以实现3.4 W的激光输出。我们通过调节边界条件参数,同时对掺铥光纤激光器的MOPA放大输出特性进行了数值分析。当种子源功率为3 W时,采用10 m的掺铥增益光纤并设置泵浦功率为160 W时可以实现81.75 W激光输出,此时放大器的斜率效率为48.9%。(2)基于掺铥光纤激光输出功率的数值模拟结果、泵浦参数以及增益光纤参数,对低功率铥光纤激光治疗仪的连续激光源系统进行搭建,并封装实现了2μm全光纤激光治疗仪的整机系统。该系统可以输出中心波长为1981.53 nm,光谱宽度为0.07 nm的窄带连续激光。在连续工作模式下可以实现最高2.0 W,在占空比为50%的准连续工作模式下可以实现平均功率为1.0 W的输出。其次我们应用低功率全光纤铥激光治疗仪对新鲜小猪皮肤进行单点消融实验研究,定量分析在激光作用下,组织热穿透深度始终控制在2.5 mm以下。当1 Hz的激光作用下,组织消融深度相对于连续激光将会大幅提高,皮肤组织也能达到相同消融时间和激光平均功率下的最大消融深度和最小凝固深度。在与3μm铒激光对皮肤组织的作用深度对比中,3μm激光具有更浅的穿透深度,但我们依然可以调节铥激光的参数来适应于铒激光的组织作用情况。(3)开展了2μm全光纤MOPA结构的铥激光实验系统搭建和研究。系统的主振荡级可以输出中心波长为1980.4 nm,光谱宽度(FWHM)为0.05 nm的窄带连续激光。实验中,我们测试了大模场掺铥光纤激光放大器的输出功率最高可以达到78.1 W,此时的泵浦功率为138.8 W,放大斜率效率为57%。于此同时,我们也开展了30 W量级的高功率掺铥光纤激光器切割新鲜猪肾脏的实验研究,在具有切割效应情况下,我们将切割速度从3 mm/s提高到5 mm/s,组织凝固宽度和深度会降低50%左右。综合所有数据表明,肾脏组织热作用深度在3 mm以内,最大凝固深度在1 mm左右,进一步验证了2μm高功率掺铥光纤激光器在中红外激光医疗领域的发展可能性。
原继东[6]2007年在《双脉冲Q开关激光治疗色素性皮肤病的实验研究》文中认为激光医学是当今发展最为迅速的医学领域之一。激光本身极好的方向性、单色性、相干性,以及激光与皮肤组织的作用的热效应、压强效应等,使其在治疗皮肤科疾病领域也有着极其广泛的应用。特别是在治疗色素性皮肤病方面,Q开关激光由于其被证实的“选择性光热作用”,使其既能有效地消除色素性皮肤病损,也能有效地避免对靶组织以外皮肤组织的伤害,因此已经被广泛地应用于该领域。但是,我们在对Q开关单脉冲激光研究的过程中发现,我们可以通过提高泵浦速率来提高其单脉冲输出能量,并使脉冲宽度变窄,使输出峰值功率大大提高,从而提高治疗效果。但此方法从工程角度会加大激光介质和激光元器件损坏的危险性,从医学角度会加重由高功率激光在皮肤组织造成的二次压强效应——即所谓的“声瞬变”带来的声损伤。这使得提高输出能量和减小激光器件损坏危险、减少组织损伤成为矛盾。从理论上讲,Q开关双脉冲甚至多脉冲治疗色素性皮肤病,可以将能量分两次或多次辐射出去,在脉冲宽度不变条件下,仍能保证和单脉冲一样的峰值功率,并同时减少了激光元器件损坏的危险性。但从医学角度Q开关双脉冲激光是否和单脉冲有相同的疗效?哪些因素会影响其治疗效果?本论文就围绕此方向展开研究,主要内容有:1、在研究激光与皮肤组织作用机制的基础之上,对激光作用下皮肤的热效应进行了研究,并建立皮肤组织热传导的模型,进而分析激光对皮肤组织的热损伤和声损伤。2、在研究Q开关单脉冲激光治疗色素性皮肤病损的基础之上,用动物实验对Q开关单脉冲、双脉冲激光治疗黑色文身的实际效果进行了比较研究,并在研究中通过数据说明能量密度、脉冲间隔对双脉冲激光治疗文身疗效的影响。最终通过比较实验发现,合适脉冲间隔的Q开关双脉冲激光与相同能量密度的Q开关单脉冲激光治疗文身的疗效相似,且在治疗过程中,双脉冲对皮肤的损伤明显小于单脉冲。3、通过对Q开关单脉冲、双脉冲激光与皮肤组织的生物作用机制的研究,提出Q开关双脉冲激光治疗色素性皮肤病损能够在不提高激光峰值功率的前提下提高治疗色素性皮肤病损的效果且减轻损伤的原理,并进行了简单的数学分析。
李乐乐[7]2016年在《离体生物组织激光焊接工艺试验研究》文中认为生物组织激光焊接技术(Laser Biological Tissue Welding, LTW)作为一种微创手术具有操作简单、手术时间短、伤口愈合快、炎症反应轻、疤痕不明显等优点,是一种很具潜力的组织缝合替代技术。但是目前大多数生物组织激光焊接研究都集中在激光辐照后的慢性组织学,缺乏系统分析激光参数和其他相关因素对组织焊接吻合效果的影响规律；另外由于焊接参数多,生物组织差异大,导致激光焊接技术的可重复性较低,组织融合的潜在机理尚不明确。本文结合ANSYS数值模拟和试验研究的手段,主要探索了激光参数(如功率、光斑、激光输出方式、扫描方式等)和添加剂等因素对离体皮肤组织切口的焊接吻合效果,并给出生物组织激光焊接的作用机理和参数优化方案,以提高激光焊接技术在生物组织切口吻合应用的可重复性和安全性。本文首先基于生物组织中的皮肤特性,系统总结了激光与生物组织的相互作用及激光在生物组织中热传输理论,为生物组织激光焊接的数值模拟和试验研究提供了可选择、可控制的重要参量。其次应用生物热传输理论,采用ANSYS有限元法,搭建了皮肤的两层结构模型,施加高斯分布激光热源,计算了不同激光功率、光斑、热源移动速度和扫描方式下,模型的温度响应情况,包括峰值温度、温度场分布和时间行为等。结合数值模拟的激光参数选择,采用自主设计的生物组织激光焊接试验平台对离体皮肤组织进行工艺试验研究,综合考虑了激光功率、添加剂、扫描方式和激光输出方式一系列因素对组织切口的焊接吻合效果。最终在数值模拟和试验研究基础上,提出了生物组织焊接机理和参数优化方案。研究结果表明：生物组织切口受激光辐照而吻合的主要原因是组织与激光的热作用使内部温度升高至60～80℃,胶原和蛋白发生变性和凝结；BSA具有加速组织切口吻合,减少不可逆热损伤的作用；相比于连续激光,大功率下的脉冲激光,焊接时间减少30～40%,有助于提高焊接效率；在5W脉冲激光、脉宽50ms、光斑半径0.2mmm、焊接速度200mm/s(直线扫描)作用下,切口经BSA处理,其焊接成功率接近100%,具有高重复性,切口抗拉强度最高可达38.2N·cm-2。
李永亮, 曲世俊, 张玉兰, 张立中[8]2003年在《YAG激光脱毛的热损伤机理研究及临床应用》文中研究指明探讨了可调脉宽Nd:YAG脱毛激光对皮肤组织的热损伤机理及其临床应用,由此而建立估算皮肤组织损伤深度的数学模型,根据此理论对YAG脱毛激光的临床应用及其指导意义展开讨论。
谢树森, 杨洪钦, 李步洪[9]2001年在《激光与皮肤层状组织的光热作用及其传热模型》文中研究表明本文基于激光与生物组织相互作用的机理 ,对激光与组织光热相互作用形成的热源项进行拓宽理解 ,并分析了激光照射下组织光热性质的关联。在此基础上 ,提出了激光与皮肤层状组织相互作用传热模型。数值模拟获得的若干结果与相关文献的报道一致 ,方法为精确预测激光诱发的组织热响应提供有力的工具。
方玉宏[10]2007年在《强脉冲光的生物组织选择性光热解效应及其实验研究》文中研究表明强脉冲光(IPL)光子嫩肤技术的理论基础是选择性光热解效应，强脉冲光的辐照参数是影响皮肤组织选择性热效应关键因素。本文结合数值模拟和大鼠皮肤的热损伤实验，初步研究了波长、能量密度、脉宽以及脉冲数对作用效果的影响。论文的内容主要包含以下四个部分：●首先，简要论述了光子嫩肤的研究背景与现状，指出目前存在的问题，揭示本论文的选题意义，并概括出主要的研究内容。●介绍了光子嫩肤的作用机制——选择性光热解效应，并结合强脉冲光的特点，从波长、辐射曝光时间(脉宽)以及曝光剂量(能量密度)叁个方面讨论了选择性效应。●对强脉冲光与皮肤组织的光热响应作数值模拟研究。运用Monte Carlo方法模拟强脉冲光在皮肤组织中的能流率分布以及能量沉积，即热源项，进而采用1-D有限差分求解传热方程，给出温度分布曲线。分析比较了不同参数模拟后的结果。●通过在IPL辐照下活体大白鼠皮肤热损伤的研究，分析比较了各参数下的作用效果，并与数值模拟进行对照。
参考文献：
[1]. 皮肤病治疗中激光蚀除和选择性光热解的光热作用研究[D]. 张纪庄. 清华大学. 2009
[2]. 皮肤生物组织光热响应研究[D]. 丁海峰. 上海交通大学. 2008
[3]. 皮肤组织对红外激光辐照热响应的细胞机理研究[D]. 关魁文. 大连理工大学. 2013
[4]. 激光与皮肤组织的热作用[D]. 杨洪钦. 福建师范大学. 2001
[5]. 中红外医用光纤激光的研制及其与生物组织作用的研究[D]. 胡韵箫. 电子科技大学. 2017
[6]. 双脉冲Q开关激光治疗色素性皮肤病的实验研究[D]. 原继东. 天津大学. 2007
[7]. 离体生物组织激光焊接工艺试验研究[D]. 李乐乐. 南京理工大学. 2016
[8]. YAG激光脱毛的热损伤机理研究及临床应用[J]. 李永亮, 曲世俊, 张玉兰, 张立中. 长春理工大学学报. 2003
[9]. 激光与皮肤层状组织的光热作用及其传热模型[J]. 谢树森, 杨洪钦, 李步洪. 光电子·激光. 2001
[10]. 强脉冲光的生物组织选择性光热解效应及其实验研究[D]. 方玉宏. 福建师范大学. 2007