热疗是医学领域的一种有用的方法，如热疗、激光焊接、激光消融、激光手术等热处理方法。为了在保证患者安全的同时使治疗效果最大化，需要对激光束引起的热损伤进行精确预测。

热损伤是由温度升高引起的。因此，第一步是选择合适的热传导模型来获得温度分布。活体组织的热传导过程复杂，涉及到血液与组织之间的热传导、血管床的血液灌注和代谢性热的产生。此外，皮肤中的热松弛时间可达数秒，因此应考虑非傅立叶效应。本文采用双相滞后生物热传导模型，同时考虑热流密度和温度梯度的相位滞后，使得温度梯度优先于热流密度矢量，或者热流密度矢量优先于温度梯度。

图1所示。人体组织照射到移动激光束的示意图。

采用Henriques热损伤模型对燃烧损伤进行研究。根据与变性率有关的烧伤损伤评价参数，通常接受三个烧伤程度。

人体组织建模为长方体，如图1所示。人体组织的上表面由一个正方形的激光光斑照射，该光斑沿中轴匀速移动。

生物组织的导热系数小，因此烧伤主要发生在激光能量集中的照射区域附近的小区域。

图2所示。热损伤在组织中的分布。(a)展示热损伤分布的选定部件示意图;(b)热影响区的热蚀分布。

图2(b)展示了靶组织适当部位(图2(a)中的灰色部分)的热烧分布，以便更清晰地描述热损伤。从图2中可以明显看出，在激光照射的区域会发生热缩。最严重的烧伤出现在上表面患处的中心线。

激光移动速度和光斑大小通过影响能量集中程度对热损伤有很大影响。增大激光移动速度和光斑尺寸可以扩大辐照区域，降低烧伤程度。与光斑尺寸相比，激光移动速度对烧伤深度的影响更大。

热流密度和温度梯度这两个热松弛参数对热损伤也有明显的影响。热流的相位滞后延迟了热能从被照射区域向附近区域的传播。因此，热积累和燃烧程度随着热流相滞后的增加而增加。一、二度烧伤深度随热流相滞后缓慢减小，而三度烧伤深度对热流相滞后更为敏感。相反，温度梯度的相位滞后延迟了靶组织的温度响应，这意味着能量传输发生在温度变化之前。温度梯度的相位滞后阻碍了热的积累，降低了辐照区的燃烧程度。随着温度梯度相滞后的增大，三度烧伤深度明显减小。

豫新太阳，马景轩，杨嘉玲
北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学研究所，北京

出版

激光治疗中移动热源对三维生物组织热损伤的影响
马景轩，杨先峰，孙玉新，杨嘉玲
2019年7月29日

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