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Exact analytical solution to three-dimensional phase change heat transfer problems in biological tissues subject to freezing
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作者 李方方 刘静 乐恺 《Applied Mathematics and Mechanics(English Edition)》 SCIE EI 2009年第1期63-72,共10页
Analytically solving a three-dimensional (3-D) bioheat transfer problem with phase change during a freezing process is extremely difficult but theoretically important. The moving heat source model and the Green func... Analytically solving a three-dimensional (3-D) bioheat transfer problem with phase change during a freezing process is extremely difficult but theoretically important. The moving heat source model and the Green function method are introduced to deal with the cryopreservation process of in vitro biomaterials. Exact solutions for the 3-D temperature transients of tissues under various boundary conditions, such as totally convective cooling, totally fixed temperature cooling and a hybrid between them on tissue surfaces, are obtained. Furthermore, the cryosurgical process in living tissues subject to freezing by a single or multiple cryoprobes is also analytically solved. A closed-form analytical solution to the bioheat phase change process is derived by considering contributions from blood perfusion heat transfer, metabolic heat generation, and heat sink of a cryoprobe. The present method is expected to have significant value for analytically solving complex bioheat transfer problems with phase change. 展开更多
关键词 three-dimensional phase change heat transfer problem CRYOSURGERY CRYOPRESERVATION moving heat source model bioheat transfer Green's function analytical solution
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人体足部传热数值模拟及加热实验 被引量:7
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作者 任萍 杨阳 刘静 《纺织学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第3期99-105,共7页
针对极低温条件下的人体足部防寒保暖问题,建立了基于经典Pennes生物传热方程的足部传热学模型,得到其一维解析解,并采用Fluent软件对足部的传热学过程进行三维数值模拟,得到常温(291 K)及极低温(233 K)情况、足底有无加热源条件下的4... 针对极低温条件下的人体足部防寒保暖问题,建立了基于经典Pennes生物传热方程的足部传热学模型,得到其一维解析解,并采用Fluent软件对足部的传热学过程进行三维数值模拟,得到常温(291 K)及极低温(233 K)情况、足底有无加热源条件下的4组计算结果。同时设计加热实验对数值模拟结果进行验证,引入红外成像技术及热电偶测温方法对实验过程及结果加以观测和记录,并对实验中所采用的锂电池供电性能进行测试。研究结果可为今后研制相关高性能可加热产品提供参考。 展开更多
关键词 足部 生物传热 加热鞋垫 电热丝 红外成像
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生物组织热传导问题的数值仿真 被引量:1
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作者 曹蕾蕾 张涛 +1 位作者 刘琼 张学敏 《计算机仿真》 CSCD 北大核心 2013年第2期221-225,共5页
针对生物组织热传导方程解析解无法获得的问题,提出了将Laplace变换与杂交有限元相结合的数值求解算法。首先,利用Lapace变换对生物组织热传导方程进行处理,将时间域内的边值问题转化为Laplace空间内;接着,利用杂交元方法在Laplace空间... 针对生物组织热传导方程解析解无法获得的问题,提出了将Laplace变换与杂交有限元相结合的数值求解算法。首先,利用Lapace变换对生物组织热传导方程进行处理,将时间域内的边值问题转化为Laplace空间内;接着,利用杂交元方法在Laplace空间对此新的边值问题进行求解;然后,通过Stehfest算法进行Laplace反变换,将结果变换会时间域中,从而得到生物组织的温度分布。最后,以皮肤组织的热传导问题为例,利用Matlab编制程序对其温度场分布进行数值仿真,算例结果表明肿瘤病变会改变皮肤组织的温度分布,即肿瘤处的温度较周围组织明显升高。仿真结果表明LT和HFEM相结合算法的正确性和有效性,为非入侵式医疗诊断提供了依据。 展开更多
关键词 拉普拉斯变换 杂交有限元法 生物热传导 温度场分布
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生物组织在冻结过程中的三维相变传热问题精确解 被引量:4
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作者 李方方 刘静 乐恺 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2009年第1期64-74,共11页
对冻结过程中的三维生物传热相变问题进行分析求解是低温生物医学中一个困难而有重要理论意义的课题.围绕离体生物材料的低温冻存过程,引入移动热源模型及Green函数法,求得几组不同边界(全对流、全定温和复合边界)条件下,生物组织瞬态... 对冻结过程中的三维生物传热相变问题进行分析求解是低温生物医学中一个困难而有重要理论意义的课题.围绕离体生物材料的低温冻存过程,引入移动热源模型及Green函数法,求得几组不同边界(全对流、全定温和复合边界)条件下,生物组织瞬态温度场的三维精确解表达式;进一步地,针对低温手术中生物活体组织受单枚或多枚冷冻探针的作用问题,考虑了血液灌注率、代谢热产及探针冷源的存在,同样推导出相应边界条件下瞬态温度场的精确解.该方法对于处理复杂生物传热问题的分析求解有重要的理论参考价值. 展开更多
关键词 三维相变生物传热 低温外科 低温保存 移动热源 GREEN函数 解析解
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皮肤表面温度场分布的数值仿真 被引量:1
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作者 赵宁 曹蕾蕾 +1 位作者 郭辉 贾清健 《计算机仿真》 CSCD 北大核心 2011年第11期148-152,共5页
研究皮肤表面温度分布,有效识别病变区,针对生物组织的热传导问题,为了准确判断生物组织健康状态,提出了一种新的求解生物组织热传导方程的数值方法。通过时间步进法对佩恩生物热传导方程进行时间离散。采用径向基函数的线性组合对非齐... 研究皮肤表面温度分布,有效识别病变区,针对生物组织的热传导问题,为了准确判断生物组织健康状态,提出了一种新的求解生物组织热传导方程的数值方法。通过时间步进法对佩恩生物热传导方程进行时间离散。采用径向基函数的线性组合对非齐次解进行近似,用Trefftz有限元法求解方程的齐次解。可分别以健康皮肤和肿瘤病变皮肤为例,利用Matlab编制程序,对温度分布进行数值仿真,结果表明血流注入率越大,生物组织的温度越低。肿瘤病变会影响生物组织的温度分布。试验证明,肿瘤处的温度较周围组织的温度高。所得结果验证了方法的正确性和有效性,为非入侵式医疗诊断提供了依据。 展开更多
关键词 径向基函数 杂交有限元法 生物热传导方程 温度场分布
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数值求解人体生物热方程时边界条件的处理方法 被引量:5
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作者 沙斌 袁修干 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1992年第2期46-50,共5页
本文提出了一种数值求解人体生物热方程时边界条件的处理方法,该方法以生物传热学理论为基础,通过引入“当量皮肤温度”T_(tb),对皮肤层内的生物热方程作了适当修改,并且推导出了采用交替变换方向法(Alternating direction implicit met... 本文提出了一种数值求解人体生物热方程时边界条件的处理方法,该方法以生物传热学理论为基础,通过引入“当量皮肤温度”T_(tb),对皮肤层内的生物热方程作了适当修改,并且推导出了采用交替变换方向法(Alternating direction implicit method)求解人体温度场时,边界节点的离散方程。 展开更多
关键词 生物传热学 热调节 计算传热学
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活体组织血液灌注率无损测量方法的研究 被引量:6
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作者 邓中山 刘静 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2001年第1期1-11,16,共12页
活体组织血液灌注率的无损测量是生物医学工程领域中一个十分重要而困难的课题。本文基于新近报道的血液灌注率无损测量方法 ,提出了简化的一次加热测量措施以取代原方法中必须经两次加热的不足 ,从而大大缩短了小灌注率组织的测量时间... 活体组织血液灌注率的无损测量是生物医学工程领域中一个十分重要而困难的课题。本文基于新近报道的血液灌注率无损测量方法 ,提出了简化的一次加热测量措施以取代原方法中必须经两次加热的不足 ,从而大大缩短了小灌注率组织的测量时间。由此导出了体表在一次简谐加热作用下组织温度响应的解析解 ,解的形式及随后的计算结果表明了方法的可行性。针对空间非均匀或温度依赖型血液灌注率情形 ,本文采用双倒易边界元方法研究了加热能流密度、简谐热流振幅、加热频率、皮下血管、血液灌注率、加热片面积大小等对组织温度响应幅度、相位等的影响规律 ,由此提出了无损估测非均匀血液灌注率的措施。这些系统性结论为发展适合于临床应用的血液灌注率无损测量仪器建立了相对完整的理论基础。 展开更多
关键词 血液灌注率 生物传热 无损检测 相位移动 简谐加热 双倒易边界元方法
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一侧颈动脉堵塞引起的体表非对称温度分布特征
8
作者 张海峰 黄金华 丁卫平 《中国科学技术大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第1期100-104,共5页
将颈部简化为含大血管的圆柱形组织,对颈动脉血管和含微、小血管的颈部组织分别建立热平衡模型.通过有限元求解,研究颈部表面的温度分布与颈动脉流量、颈部组织的物性以及环境参数的关联性.最后,实验研究兔子在一侧颈动脉结扎后的颈部... 将颈部简化为含大血管的圆柱形组织,对颈动脉血管和含微、小血管的颈部组织分别建立热平衡模型.通过有限元求解,研究颈部表面的温度分布与颈动脉流量、颈部组织的物性以及环境参数的关联性.最后,实验研究兔子在一侧颈动脉结扎后的颈部两侧体表温度差,初步验证传热模型的合理性. 展开更多
关键词 生物传热 血管传热 有限元分析 热诊断 动物实验
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隔离病房中SARS病人的热臃塞问题及其解决方法
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作者 邓中山 刘静 《北京生物医学工程》 2003年第4期248-252,共5页
用Monte Carlo算法对SARS病人躯干部分的三维传热过程进行了模拟。计算结果表明 ,在即将到来的夏季 ,隔离病房中SARS病人会由于发热而引起热臃塞 ,并有可能因此导致病情的恶化。本文给出了解决热臃塞问题的强化传热方案 ,并通过计算验... 用Monte Carlo算法对SARS病人躯干部分的三维传热过程进行了模拟。计算结果表明 ,在即将到来的夏季 ,隔离病房中SARS病人会由于发热而引起热臃塞 ,并有可能因此导致病情的恶化。本文给出了解决热臃塞问题的强化传热方案 ,并通过计算验证了此方案的有效性。 展开更多
关键词 隔离病房 SARS 热臃塞 Monte-Carlo算法 严重急性呼吸综合症 三维传热过程 计算机模拟
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无损测量血液灌注率的辅助导热平片内外温度的相位分析
10
作者 邓中山 刘静 《北京生物医学工程》 EI 2001年第3期205-209,共5页
本文针对近期建立的血液灌注率无损测量装置中的辅助导热平片 ,通过数值模拟分析了测量过程中加热频率、各种热物性及厚度等因素对该平片内外温度相位的影响 ,由此给出了仪器设计中辅助导热平片的选取方案。这项工作为利用辅助导热平片... 本文针对近期建立的血液灌注率无损测量装置中的辅助导热平片 ,通过数值模拟分析了测量过程中加热频率、各种热物性及厚度等因素对该平片内外温度相位的影响 ,由此给出了仪器设计中辅助导热平片的选取方案。这项工作为利用辅助导热平片测量简谐热流的方法建立了完整的基础 ,对研制适合于临床应用的血液灌注率无损测量仪器具有重要的参考价值 ,并有助于认识简谐热流作用下复合材料内的传热规律。 展开更多
关键词 相位 血液灌注率 生物传热 简谐加热 辅助导热平片 无损测量
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激光与生物组织相互作用:光子迁移与生物传热理论 被引量:2
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作者 朱栴 曾绍群 +1 位作者 骆清铭 2.龚辉 《激光生物学报》 CAS CSCD 2000年第1期68-74,共7页
激光热疗中 ,激光与生物组织相互作用研究主要包含两方面 :光子在生物组织中的迁移规律 ,以及光生热在生物组织中的传导。对前者的描述主要为 ,基于传输理论的解析法和 Monte~ Carlo模拟 ,生物组织中光子迁移规律的研究能定量描述组织... 激光热疗中 ,激光与生物组织相互作用研究主要包含两方面 :光子在生物组织中的迁移规律 ,以及光生热在生物组织中的传导。对前者的描述主要为 ,基于传输理论的解析法和 Monte~ Carlo模拟 ,生物组织中光子迁移规律的研究能定量描述组织中的光分布 ,并进一步获得生物组织中的热分布 ;考虑到了生物组织特性 ,所建立的宏观及微观生物传热模型 ,全面描述了生物组织中温度场分布及变化规律。光子迁移与生物传热理论是研究激光热疗不可分割的两部分 ,文中将两者结合起来 ,对激光与生物组织相互作用中的光热理论进行了全面论述。 展开更多
关键词 激光 生物组织 光子迁移 生物传热模型
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人体颈部受冷诱发脸部升温及其系统生物传热学解释
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作者 吕永钢 刘静 《航天医学与医学工程》 CAS CSCD 北大核心 2007年第6期441-446,共6页
目的引入系统生物传热学的概念解释局部冷刺激对脑部热响应的影响规律。方法采用红外热像仪监测健康被试者颈部受强冷作用后脸部的热响应规律,进而建立数学模型,从理论上预示强冷刺激后人体脑组织中的三维传热过程。结果对颈部血管实施... 目的引入系统生物传热学的概念解释局部冷刺激对脑部热响应的影响规律。方法采用红外热像仪监测健康被试者颈部受强冷作用后脸部的热响应规律,进而建立数学模型,从理论上预示强冷刺激后人体脑组织中的三维传热过程。结果对颈部血管实施强冷刺激(0℃冰水混和物)时,人体出现心率增加等激烈反应,脸部温度出现不降低反而升高的现象,暗示头部生理系统中存在复杂热调节机制;然而强热刺激(55℃热水)则不足以诱发人体出现反常的体温响应特性。结论本文研究对临床低温脑复苏过程中实施有效的降温处理及脑温监测具有重要的参考价值。 展开更多
关键词 局部冷热刺激 异常温度响应 热调节 系统生物传热 低温脑复苏
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激光辐照生物组织傅里叶与非傅里叶热传导效应 被引量:6
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作者 杨洪钦 陈建玲 +2 位作者 王瑜华 谢树森 李晖 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第10期2582-2586,共5页
对描述激光辐照生物组织光热响应的经典生物热传递模型和生物热波模型进行比较,分析两种模型的适用条件及影响因素。结果表明,当激光辐照时间接近或小于生物组织热释放时间时,基于生物热波模型的结果与经典生物热传导模型的结果差异明显... 对描述激光辐照生物组织光热响应的经典生物热传递模型和生物热波模型进行比较,分析两种模型的适用条件及影响因素。结果表明,当激光辐照时间接近或小于生物组织热释放时间时,基于生物热波模型的结果与经典生物热传导模型的结果差异明显,采用后者对热损伤进行评估引起的误差较大。对于生物热波模型,考察点所在深度越浅,非傅里叶导热特征越明显。比较两种生物热传导模型,第一层血液灌注率和吸收系数对辐射原点的瞬态温度分布均有影响,但不改变其热特征。 展开更多
关键词 医用光学 Pennes生物热传递 非傅里叶热传导 热损伤评估 生物组织
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肿瘤热疗中探针加热下组织温度场演化规律的研究 被引量:6
14
作者 刘静 张学学 +1 位作者 卢文强 王存诚 《清华大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 1998年第7期86-89,101,共5页
研究了肿瘤热疗中实施组织温度场预示、优化加热及功率调节一体化的问题。基于新近建立的生物传热热波方程,采用双倒易边界元方法,对在一定加热方式下生物组织内的热量传递规律进行了考察。对传统Pennes方程和生物传热热波方程... 研究了肿瘤热疗中实施组织温度场预示、优化加热及功率调节一体化的问题。基于新近建立的生物传热热波方程,采用双倒易边界元方法,对在一定加热方式下生物组织内的热量传递规律进行了考察。对传统Pennes方程和生物传热热波方程的对比研究发现,在针对真实热疗过程中由于调节加热功率而导致的温度场演化进行模拟时,两类方程的预示结果存在明显差别,这提示了在预测和控制生物体内微小温度时所采用的精细模型应是理论基础更为严密的生物传热热波方程,且在瞬变加热作用下尤为关键。文章还研究了血液灌注率在组织温度场发生改变中的作用及其生理学意义。这些研究为建立实用的肿瘤热疗仪器打下了一定的基础。 展开更多
关键词 加热 肿瘤热疗 组织温度场 温度控制
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