激光热疗中皮肤组织的热力学响应与损伤行为及控制方法研究

At present, laser is widely used in clinical medicine. To assure the efficacy of hyperthermia technique, it is important to study the process and mechanism of the interaction between laser and living skin tissues, especially to achieve temperature at the infected cells during the treatment process. Two approaches are utilized in this research program, namely the generalized mapping/ transformation techniques and numerical simulation methods. Based on the non-Fourier bioheat transfer model, thermal damage theory and generalized thermoelasticity, this project is focused on the following three aspects: (1) Temperature-coupled stress distribution of simplified three- dimensional skin tissue when it is subjected to multiple heat sources and analysis of thermodynamic responses and thermal damage property of the tissue during the heating process. (2) Simulation of temperature-coupled stress distribution of three-dimensional multilayered skin tissue irradiated by pulsed heat source and exploration of thermal damage mechanism of the tissue induced by high-energy heat sources during thermal therapy. (3) Thermal analysis in a three-dimensional skin tissue with embedded tumor and gold nanoshells to improve the efficiency of heat energy absorption and to avoid burn of surrounding healthy skin. Through this research, it is anticipated to make theoretical analysis, numerical simulation and quantitative evaluation of thermal damage of transient thermal impact of three-dimensional skin tissue. This can provide a theoretical guidance for precisely determining the treatment time of tumor and to optimize the parameters of laser therapy.

对于激光热疗过程中激光与皮肤组织的相互作用过程和机理的研究，特别是对基体材料热吸收及热传导特性的研究，在临床医学方面具有重要意义。本项目将基于非傅里叶生物传热模型、热损伤理论模型、广义热弹性理论等，采用广义映射/变换等数学方法和数值模拟技术，围绕以下三项内容开展研究：（1）简化三维皮肤模型受多热源交互作用的温度耦合应力场分布及烧蚀过程中组织的响应与损伤特性分析；（2）仿真三维多层皮肤模型在热脉冲作用下的温度耦合应力场分布及激光热疗过程中高能热源对多层皮肤组织的损伤机理探索；（3）仿真三维皮肤组织导入金纳米颗粒对提高肿瘤区域热量吸收效率的影响及防止周围健康组织大面积灼伤的方法。通过该项目的研究，完成对三维皮肤组织的瞬态热冲击问题的理论分析、数值模拟和损伤量化评估，对精确控制肿瘤治疗时间和优化激光治疗参数具有积极的理论指导意义。

对于激光热疗过程中激光与皮肤组织的相互作用过程和机理的研究，特别是对生物组织热吸收及热传导特性的研究，在临床医学上具有重要意义。本项目的创新性成果有以下几个方面：.（1）基于双弛豫参数的生物热传导模型建立了三维皮肤组织的热传导分析方法，推导了适用的格林函数，可以方便地分析不同边界条件的影响。将皮肤简化为具有粘弹性地基的弹性薄板，分析弛豫时间与激光移动速度对其弹性响应的影响。基于生物组织和血液两种介质的能量守恒方程，引入孔隙率与耦合因子，建立了生物组织的广义热弹性理论模型。.(2) 引入热位移的概念，建立了含三弛豫参数的生物热传导模型。该模型介于热波模型与双弛豫参数模型之间，能同时体现生物热传播的散射与波动现象。热传导率系数对皮肤组织的热力学响应至关重要。将分数阶导数和记忆依赖型导数理论引入Pennes热传导模型，建立了新的生物热传导模型, 能更充分地反应加热过程的波动效应。.（3） 激光加热过程中，生物组织中会产生耦合弹性波、耦合热波和弹性剪切波等平面波。结合三参数生物热传导模型与非局部弹性理论，分析皮肤组织中平面波的传播、反射与折射特性。.（4）仿真多热源与多脉冲作用下皮肤组织的温度响应。合理地排列多热源可以得到多种形状的加热区域，并且出现二次升温。多脉冲激光作用下，激光脉冲数量与占空比的影响非常明显。.(5) 仿真生物组织导入金纳米颗粒对提高肿瘤区域热量吸收效率的影响及防止周围健康组织大面积灼伤的方法。加入金纳米颗粒并在皮肤表面采取合适的对流换热条件，可以将更多能量集中于肿瘤组织，从而使激光束可以在杀伤肿瘤组织同时最大程度保护皮肤组织与健康的皮下组织。通过该项目的研究，完成对三维皮肤组织的瞬态热冲击问题的理论分析、数值模拟和损伤量化评估，对精确控制肿瘤治疗时间和优化激光治疗参数具有积极的理论指导意义。