激光与生物组织光热效应的国内研究进展

夏文财

摘 要 从上世纪60年代第一台红宝石激光器问世以来，激光与生物组织相互作用的研究就迅速开展起来，并在军事领域和医学领域得到了广泛的应用。本文简要介绍了激光与生物组织光热效应在国内的发展。

关键词 激光 生物组织 热效应

中图分类号：R312 文献标识码：A

激光作用于生物组织时产生的各种效应是激光在军事、医学等多个领域应用的基础。激光辐照生物组织时，由于生物组织在结构上和组成成分上的复杂性以及激光各项参数的变化，将导致其相互作用机理发生改变，激光辐照生物组织产生的各种效应可分为：光化学作用、光热作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除以及光致破裂五类。

我国这方面的研究起始于上世纪八十年代，在国际大环境的影响下，众多学者和单位先后进行了该领域的研究，主要有福建师范大学物理与光电信息科技学院的谢树森、李辉教授，华中科技大学生命科学与技术学院院长骆清铭教授，天津大学的范世福、刘迎、徐可欣、李小霞教授，华南师范大学激光生命科学研究所的邢达教授及朱丹博士、刘静博士和他们所在的团队，他们在激光与生物组织作用机理领域进行了大量的工作，为我国的科技进步做出了卓越的贡献。

在组织光学领域取得的成绩主要有：山东大学的魏守水、任曉楠、高迪，南开大学的张春平、许棠等学者-对光能量在生物组织中的传播及分布情况进行了深入研究，并通过蒙特卡罗方法仿真分析了光子在多层组织中的传输过程，得出不同的入射激光参数对组织中光能分布的影响；同时，张春平、许棠采用光纤探测技术对生物组织的光分布进行了测量，进而得出了组织的各项光学参数。上海交通大学的黄梅珍、丁海峰对光子在皮肤组织中的传输进行了蒙特卡罗模拟，并对皮肤组织的光学特性进行了实验研究。大连理工大学的丁建华、郝素丽用蒙特卡罗法对多种波长的激光辐照生物组织时，组织内的光能分布进行了模拟，得到了激光波长的变化对光能分布的影响。朱丹博士对组织参数的测量方法进行了深入研究，根据全动态模型的理论构想，建立了相应的光学测量系统。谢树森教授对组织光学的研究内容及方法进行了概述以及研究了哺乳动物组织的光学性质，对猪的肌肉、肺等组织的漫反射率与光能流分布进行了离体测量，并对生物组织传热理论和生物组织温度的测量原理进行了深入研究。

在热传导领域取得的成绩主要有：华中科技大学的刘伟、杨昆搭建了阶跃温升法测量生物组织热学参数的实验平台，对生物组织水含量等参数对光热效应的影响进行了实验分析。沈桂平通过建立在直角坐标系下的数学模型计算得到了激光辐照时组织的温度分布，并对温度场分布的影响因素进行了研究分析。李忠明对生物传热方程的一维温度解进行了计算，定量研究了激光功率、辐照时间和生物组织热学性质对生物组织温度场分布的影响。杨洪钦硕士进行了Er：YAG激光和超脉冲CO2激光辐照皮肤组织的实验，对影响激光诱发皮肤组织温度场变化的主要因素进行了研究，同时分析了激光辐照时组织的传热特性，并得到了激光辐照时组织的温度场动态变化情况。李小霞博士对生物组织的传热特性进行了深入研究，并对传热方程进行了求解，同时仿真分析了多种条件下组织的热效应，得到了激光辐照下生物组织温度场动态变化的规律，并建立了激光辐照组织光热效应的参数测量平台，最后对仿真结果进行了实验验证。华中科技大学的李正佳教授、黄楚云博士对激光汽化水中生物组织时，组织的吸收系数进行了测量。

在生物组织热损伤领域：赵友全博士研究了激光加热下生物组织的光热分布及其变化，并对激光照射下生物组织产生热损伤的各种影响因素进行了分析。李希靖对激光辐照时正常组织与损伤组织的边界问题进行了研究，通过建立模型，计算分析了临界组织的温度场。刘静博士等学者对激光辐照生物组织引起的热损伤产生了浓厚的兴趣，对热损伤的整个过程及损伤后的恢复进行了深入的研究。朱光明对肿瘤组织在激光辐照下的热损伤分布情况进行了深入研究。黄义梅和龚玮对组织热损伤的评估方法进行了深入研究。

目前，实时的组织温度测量实验仅限于离体组织，活体组织的实时温度测量受条件限制使得测量结果误差较大，测量精度还有待于提高。目前运用最为广泛的生物组织传热模型有W-J生物传热模型、TCEBE生物传热模型和Pennes生物传热模型。WJ生物传热模型的求解过程十分复杂，适合于微血管组织；TCEBE生物传热模型的计算也相当复杂，而且部分参数的获取还存在一定的困难；Pennes生物传热模型的计算相对简便，从1948年被提出以来就受到了广大学者的喜爱，一直被沿用至今。所以本文将采用Pennes生物传热模型来求解计算组织的温度场分布。

参考文献

[1] 赵瑾瑜.激光超声引起血红蛋白配合物光解反应和生物组织热效应研究[D].南京大学，2016.

[2] 李乐乐.离体生物组织激光焊接工艺试验研究[D].南京理工大学，2016.

[3] 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.

[4] 冯巧.激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物医用合金的组织与性能[D].大连理工大学，2016.