基于混合生物热传导模型的Pennes方程的改进

在血管树模拟研究的基础上,运用混合生物热传导模型并采用考虑血管和组织间局部传热的血液灌注率,改进了传统的Pennes生物传热方程.运用COMSOL Multiphysics对其进行仿真,并对改进前后Pennes方程求解结果进行比较,结果表明,改进后的Pennes方程能够显示出血管树对组织区域温度分布的局部影响,而传统Pennes方程则只表述了组织中温度分布的均匀形式.

生物组织热传导问题的数值仿真

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。

脉冲Er:YAG激光辐照多层牙齿组织换热特性分析

目的:研究不同激光输入方式下,牙齿组织内部能量的沉积分布特征,搭建激光输入参数与牙齿组织内部温升的定性关系。方法:基于Pennes生物热传导方程,考虑牙齿组织的层状结构以及激光辐照时牙齿外表面与周围环境的热交换,构建Er:YAG激光辐照牙齿组织的热输运模型。借助有限差分法,对不同激光输入方式下牙齿组织内部温升的时-空分布特征进行了数值模拟和对比分析。结果:激光能量输入方式的改变(脉冲功率、脉宽、脉冲个数、脉冲间隔)对于牙齿组织的温升将产生显著的作用效果,并且其作用效果会随着深度的增加而逐渐衰减;输入总能量一定的前提下,输入方式的作用效果仅集中在照射表面附近,对于组织内部牙髓腔壁面的温升几乎不产生影响。此外,牙齿组织外表面与周围环境的热交换一定程度上抑制牙齿组织的温升并加速其冷却进程。结论:激光输入方式对牙齿组织的温升效果存在重要影响,在其与牙齿组织过程前后需考虑外表面与环境的热交换。

激光照射下生物组织内部温度分布的数值模拟

基于生物热传导理论和有限元算法,采用Matlab软件中的偏微分方程工具箱,模拟激光照射下生物组织的温度分布,并用三维图展现生物组织的温度随时间、空间的变化规律。对激光临床应用有理论指导意义。

超声治疗生物体焦域温度理论研究

本文研究了在凹球面聚焦换能器作用下,一生物体软组织的温度升高情况。通过生物热传导方程,运用分离变量的方法,推导出了超声作用于生物软组织,焦域温度随时间变化的解析解形式。并通过实验模拟出软组织内焦域温度随时间的变化情况。

伴行血管在高强度聚焦超声下对温度场的影响

在高强度聚焦超声(HIFU)下,研究了管径不同的伴行血管对于组织温度分布的影响.基于3个热平衡方程提出了1个生物热传导模型,针对带有直径为50～300μm成对血管的组织,利用有限元方法进行了3-D温度瞬态仿真,并对血管直径、血液流速和血液灌流率对3-D温度分布的影响进行了比较.结果表明,血管直径和血流速度是影响HIFU作用下组织温度分布的决定因素,此外,该模型可以给出较为准确的组织消融量.

HIFU治疗热场中的有限元分析

本文对生物传热机制及生物热传导方程进行了研究 ,提出了一个混合型的生物热传导模型。针对带有血管的组织建立了高强度聚焦超声治疗下的组织热传导计算模型 ,并利用有限元方法进行了 3 D瞬态温度场分析。同时 ,根据Sapareto Dewey方法给出了组织消融量的仿真结果。

皮肤表面温度场分布的数值仿真

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。

全身麻醉下个体化病人体温调节反应的计算机仿真

目的通过构建计算机仿真模型分析全身麻醉引起的体温调节系统损伤和手术室低温环境对个体化病人围手术期体温调节的影响。方法开发一个麻醉模型,通过降低基本代谢率、皮下血管收缩和骨骼肌颤抖的阈值来模拟麻醉效果,并耦合到作者建立的"皮肤-体核"二节点体温调节模型中。该模型可通过设置骨骼肌颤抖产热、出汗、及皮下血管舒缩能力的强弱模拟年龄衰老导致的热调节能力损伤,设置不同脂肪厚度模拟肥胖以及设置心血管模型参数模拟不同的心血管疾病,进而计算分析这些个体化特征对低温麻醉条件下体温调节的影响。结果在低温环境下,与年轻人相比,老年人体核温度较低,体表温度较高。脂肪厚度增加或左心室功能衰竭加重,都有可能缓解低温环境中体核温度下降。风速或相对湿度增加会导致体核温度降低。当麻醉引起的血管收缩阈值降低0.5~3℃时,会引起体核温度显著降低。结论通过对比模型预测与实验测量的结果,验证了该模型的可靠性。身体的个体化特征对低温环境下人体温度调节具有重要影响。个体体征与全身麻醉结合进一步复杂化了人体的体温调节,给临床医师带来巨大挑战。

高热引发恶性肿瘤消退的热力学根据

目的探讨高热引发恶性肿瘤消退的原因，提供导致肿瘤消退的热力学根据。方法应用Pennes生物热传导方程推导。提供出高热引发恶性肿瘤消退的热力学根据。结果高热时肿瘤体内的温度比正常机体的温度高，温度升高的程度随肿瘤体的大小而不同。结论高热时肿瘤体内的温度可接近或达到肿瘤细胞的至死温度43℃，从而导致肿瘤消退。