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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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生物医学传热学的研究进展 被引量:8
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作者 刘静 任泽霈 王存诚 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 1996年第2期198-213,共16页
概述了生物传热学在现代生物医学工程领域和相关领域内的研究现状及其自身的研究特点,指出了其中尚待解决的问题及应用前景,并对现有生物传热学模型的建立方法和生物热物性测试技术的优缺点进行了综述.
关键词 生物传热 热模型 热物性测试 生物医学工程
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激光低损伤加热疗法的理论分析 被引量:9
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作者 周建华 刘登瀛 徐建中 《激光生物学报》 CAS CSCD 2001年第4期241-254,共14页
激光低损伤加热疗法将激光照射与表面冷却相结合 ,能实现只让病变组织细胞凝固 ,而体表健康组织则不受损伤。它是治疗靠近体表肿瘤的一种很有希望的方法。为了进一步认识这种治疗方法 ,本文提出了一个适用于激光低损伤加热疗法的数值计... 激光低损伤加热疗法将激光照射与表面冷却相结合 ,能实现只让病变组织细胞凝固 ,而体表健康组织则不受损伤。它是治疗靠近体表肿瘤的一种很有希望的方法。为了进一步认识这种治疗方法 ,本文提出了一个适用于激光低损伤加热疗法的数值计算模型 ,模拟了热疗过程中的光传输和热传递 ,得到组织内部的瞬态温度分布。在此基础上 ,详细讨论了散射系数、吸收系数、各向异性系数等光学参数 ,激光加热功率、照射半径、表面对流换热系数等热学参数 ,以及血液灌注率和新陈代谢等生理参数对这种低损伤加热疗法的影响。结果发现 ,只要通过适当调节吸收系数、散射系数和照射功率等参数就可实现对加热区域位置和范围的控制。 展开更多
关键词 激光低损伤加热疗法 生物组织 辐射传输方程 七流模型 生物传热方程
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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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亚低温治疗中颅脑径向温度的数值模拟 被引量:3
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作者 冯俊小 顾静 刘文杰 《华北电力大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2010年第1期78-82,共5页
近年来亚低温逐步应用于临床脑保护治疗。采用Pennes血液对流项处理方法,建立颅脑传热的一维球坐标模型,模拟正常状态下人脑温度分布和实施亚低温冷却治疗后的脑温变化。分析了模型中不同的物性参数对颅脑温度分布的影响,据此提出了有... 近年来亚低温逐步应用于临床脑保护治疗。采用Pennes血液对流项处理方法,建立颅脑传热的一维球坐标模型,模拟正常状态下人脑温度分布和实施亚低温冷却治疗后的脑温变化。分析了模型中不同的物性参数对颅脑温度分布的影响,据此提出了有效降低脑温的方法。 展开更多
关键词 亚低温 生物传热 Pennes方程 颅脑模型 数值模拟
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电磁加热条件下皮肤组织的生物热力学行为 被引量:2
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作者 卢天健 徐峰 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2010年第4期719-732,共14页
研究目的是开发一种数学方法来计算传热过程、热引起的力学响应以及相应的疼痛等级,从而对临床上应用的各种加热疗法之间的差别进行定量评估.采用基于有限差分法的数值模拟方法,基于无限大和均匀化假设,分析了各种热疗法中皮肤组织的温... 研究目的是开发一种数学方法来计算传热过程、热引起的力学响应以及相应的疼痛等级,从而对临床上应用的各种加热疗法之间的差别进行定量评估.采用基于有限差分法的数值模拟方法,基于无限大和均匀化假设,分析了各种热疗法中皮肤组织的温度、烧伤和热应力分布.研究发现:充血对热损伤的影响很小,但对皮肤的温度分布影响很大,而这又反过来显著影响由此产生的热应力场;对于激光加热,光波越短则峰值温度越高,但峰值更接近皮肤表面温度;激光和微波加热所产生的热应力集中于表皮顶层,因为发热量沿皮肤深度方向呈指数衰减;薄角质层(常常被忽略)对皮肤组织的热力学响应起主导作用. 展开更多
关键词 皮肤组织 生物传热 热应力 解析模型 数值方法 热疼痛
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皮肤传热的双相位滞后模型 被引量:5
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作者 卢天健 徐峰 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第5期1-7,共7页
为了研究皮肤组织传热过程中的非傅里叶特性,采用双相位滞后生物传热模型分析了皮肤组织的传热过程,对典型案例进行了详细分析,并与Penness模型、热波模型进行了比较.研究结果表明:Pennes模型、热波模型与双相位滞后模型的生物传热预测... 为了研究皮肤组织传热过程中的非傅里叶特性,采用双相位滞后生物传热模型分析了皮肤组织的传热过程,对典型案例进行了详细分析,并与Penness模型、热波模型进行了比较.研究结果表明:Pennes模型、热波模型与双相位滞后模型的生物传热预测结果存在很大差异;不同的双相位滞后模型给出了相似的结果;热松弛时间参数对温度和热损伤有较大影响.研究结果可望对医学中热问题的研究,尤其是临床皮肤热治疗方法的改进,起到积极的推动作用. 展开更多
关键词 皮肤组织 生物传热 非傅里叶分析 双相位滞后模型
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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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全身麻醉下个体化病人体温调节反应的计算机仿真 被引量:6
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作者 俞快 张现成 刘浩 《医用生物力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期163-170,共8页
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&... 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。 展开更多
关键词 人体体温调节 生物热传导模型 全身麻醉 围手术期低体温 个体化特征
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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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血管介入式全身热疗计划软件的研制 被引量:1
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作者 贾得巍 刘静 《北京生物医学工程》 2010年第6期613-619,627,共8页
血管介入式全身热疗有望在晚期和扩散型肿瘤的治疗中发挥重要作用,相应临床手术的高效实施需要发展治疗计划软件来指导加热剂量的精确给定。本文从已经过验证的人体全身生物传热房室模型出发,开发出一套基于C#.Net与Matlab COM组件的计... 血管介入式全身热疗有望在晚期和扩散型肿瘤的治疗中发挥重要作用,相应临床手术的高效实施需要发展治疗计划软件来指导加热剂量的精确给定。本文从已经过验证的人体全身生物传热房室模型出发,开发出一套基于C#.Net与Matlab COM组件的计算机软件。在Matlab中完成热量守恒和差分离散,实现人体全身热效应的数值计算和后处理功能;在C#.Net中通过Heath Carter体型及成分评估策略、IO文件操作、Solidworks丰富了前处理自定义操作、可视化效果后处理和报告功能。本软件对全身热疗的基本问题提出了系统化的解决方案并将其分解为前处理、计算、后处理等几大模块并建立了评估的基本流程,计算案例成功地将全身热疗计划评估通过友好软件用户接口进行了标准化。 展开更多
关键词 血管介入式全身热疗 治疗计划软件 房室模型 生物传热 COM组件 混合编程
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An analytical solution of non-Fourier Chen-Holmes bioheat transfer equation 被引量:2
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作者 GOU Chenhua CAI Ruixian 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2005年第23期2791-2792,共2页
An algebraically explicit analytical solution with heat wave effect is derived for the non-Fourier bioheat transfer Chen-Holmes model. Besides its important theoreti-cal meaning (for example, to expand the understandi... An algebraically explicit analytical solution with heat wave effect is derived for the non-Fourier bioheat transfer Chen-Holmes model. Besides its important theoreti-cal meaning (for example, to expand the understanding of heat wave phenomena in living tissues), this analytical solu-tion is also valuable as the benchmark solution to check the numerical calculation and to develop various numerical computational approaches. 展开更多
关键词 Chen-Holmes方程 生物热传递模型 非傅立叶效应 解析解
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Estimation of temperature elevation generated by ultrasonic irradiation in biological tissues using the thermal wave method 被引量:1
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作者 刘晓宙 朱忆 +1 位作者 张飞 龚秀芬 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第2期302-307,共6页
In most previous models,simulation of the temperature generation in tissue is based on the Pennes bio-heat transfer equation,which implies an instantaneous thermal energy deposition in the medium.Due to the long therm... In most previous models,simulation of the temperature generation in tissue is based on the Pennes bio-heat transfer equation,which implies an instantaneous thermal energy deposition in the medium.Due to the long thermal relaxation time τ(20 s-30 s) in biological tissues,the actual temperature elevation during clinical treatments could be different from the value predicted by the Pennes bioheat equation.The thermal wave model of bio-heat transfer(TWMBT) defines a thermal relaxation time to describe the tissue heating from ultrasound exposure.In this paper,COMSOL Multiphysics 3.5a,a finite element method software package,is used to simulate the temperature response in tissues based on Pennes and TWMBT equations.We further discuss different factors in the bio-heat transfer model on the influence of the temperature rising and it is found that the temperature response in tissue under ultrasound exposure is a rising process with a declining rate.The thermal relaxation time inhibits the temperature elevation at the beginning of ultrasonic heating.Besides,thermal relaxation in TWMBT leads to lower temperature estimation than that based on Pennes equation during the same period of time.The blood flow carrying heat dominates most to the decline of temperature rising rate and the influence increases with temperature rising.On the contrary,heat diffusion,which can be described by thermal conductivity,has little effect on the temperature rising. 展开更多
关键词 thermal wave model of bioheat transfer temperature elevation ultrasound irradiation
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Numerical Simulation on Thermal Response of Laser-Irradiated Biological Tissues Embedded with Liquid Metal Nanoparticles
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作者 WANG Dawei RAO Wei 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第4期1220-1235,共16页
Photothermal therapy is emerging as a very promising way for minimally invasive cancer treatment.To enhance thermal energy deposition of laser in target malignant tissues,liquid metal nanoparticles(LMNPs)have been rec... Photothermal therapy is emerging as a very promising way for minimally invasive cancer treatment.To enhance thermal energy deposition of laser in target malignant tissues,liquid metal nanoparticles(LMNPs)have been recently identified as completely unprecedented photothermal sensitizers due to their unique physicochemical properties and superior photothermal conversion rate under near-infrared(NIR)laser irradiation.However,there is currently a strong lack of understanding of the laser energy distribution and the transient temperature field within the biological tissues,which would seriously hinder the development of LMNPs assisted photothermal therapy.Therefore,this paper focused on the distinctive photothermal effect of LMNPs embedded in biological tissues under NIR laser irradiation.The mathematical model coupling the Monte-Carlo photon transport model with Penne's bioheat transfer model has been established.Simulation studies have shown that LMNPs play an important role in enhancing the absorption of NIR laser,which contributes to local temperature rise and improves the temperature distribution.Comparing with the control case without LMNPs,the maximum temperature increases by nearly 1.0 time,the local temperature rise reaches 30℃ in 1.0 second.When the diameter and concentration of LMNPs are 40 nm and 1012/mm3,the resulting temperature variation and distribution is best for the effective killing of tumors without damaging normal tissues.In addition,the simulation results are meaningful for guiding the selection of laser irradiation time in conjunction with the cooling time,ensuring the controllable accuracy of treatment.To the best of our knowledge,the present study is one of the first attempts to quantify the influence of transformable LMNPs on the temperature distributions inside the biological tissues,showing important academic significance for guiding LMNPs assisted photothermal treatment. 展开更多
关键词 Monte-Carlo simulation Penne's bioheat transfer model transformable liquid metal nanoparticles NIR laser photothermal therapy
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