特解边界元法数值解三维Pennes方程及其应用

应用特解边界元法对非稳态的三维Pennes方程求解 ,将解分为一满足泊松方程的通解与一特解之和 ,通解按照边界元法求解 ,特解用分离变量法给出 ,与位置有关的部分采用截断多项式 .逐时间段计算边界元的温度及热流值 ,然后计算域内点的值 .并将该方法用于热疗温度场的数值实例计算 .

基于模拟血管树以及改进Pennes方程的生物传热模型

以血管树形态模型以及单根血管的轴向温度变化规律为基础,对传统Pennes方程进行了改进,建立了一种新型的生物传热模型,并将其模拟结果与传统Pennes方程的模拟结果进行了比较。首先采用分形L系统的方法构建了血管树模型,然后解析求解了单根血管传热问题,得到了血管轴向温度的变化规律,最后对传统Pennes方程的血液灌注项进行了改进,使其表示血管与组织间的局部换热量。以含有简单形态血管树的二维生物组织区域为例,分别采用改进Pennes方程和传统Pennes方程对其进行了传热求解,计算结果表明改进Pennes方程可以描述血管树对于组织温度分布的局部影响,而传统Pennes方程反映的是组织区域内均匀形式的温度分布。

生物导热基本方程的一维不定常解析解

对目前比较通用的3种生物导热基本方程——Pennes方程,王补宣方程和Chen-Holmes方程,以及在考虑热波效应时这3种方程的改进形式,都给出了其一维不定常特例下可能的解析解。据知,以前还没有发表过这么完整的解析解。它们除有其不可代替的理论价值外,还可以作为标准解来校验目前日益发达的数值解以及作为基础来研究计算传热学的数值计算方法。另外。

隐式差分格式在复杂人体组织传热时间分数阶方程中的应用

针对时间分数阶Pennes生物传热方程,构造其隐式差分格式,求解出了时间分数阶Pennes生物传热方程的近似解,并讨论了其稳定性与收敛性。结果表明:隐式差分法求解pennes方程具有可行性且计算简单。

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。

肝肿瘤温控射频消融温度分布的有限元建模

为了提高肝肿瘤射频温控消融温度分布的预测精度,建立了具有比例积分(proportional integral,PI)反馈控制器的射频消融温度分布仿真模型,并且研究了有限元模型中不同传热方程(Pennes和Hyperbolic生物传热方程)对温度分布的影响.首先,利用单电极热消融仪对离体猪肝进行温控射频消融实验,电极针尖稳态温度设定为90℃,消融时间为600 s,并利用测温针获得各测温点的热消融数据.然后,建立具有PI控制器的肝肿瘤温控射频消融有限元模型,其中PI控制器通过反馈调节电压源来使针尖温度与实测数据保持一致,传热方程分别采用基于非傅里叶传热规律的Hyperbolic方程和基于傅里叶传热规律的Pennes方程,生物组织电导率和导热率选用温度依赖性函数.最后,通过仿真温度和实测温度进行对比验证.结果表明,相比于Hyperbolic方程,采用Pennes方程的仿真模型具有较高的精度,各测温点的仿真温度与实验结果之间的标准偏差、平均误差和最大误差的均值分别为0. 78、1. 46、2. 90℃.因此,基于PI控制器和Pennes生物传热方程的肝肿瘤温控射频消融有限元模型能够有效地预测热消融温度.

生物组织传热红外热成像的三维温度场重建

背景:红外热成像技术作为新型的非接触测温方法,具有无损、快捷、方便的特点,并且可以利用计算机技术对生物组织内部温度场进行三维重构。目的:针对肿瘤热疗过程中温度场测量与重构,提出生物组织温度场三维重建新方法。方法:首先根据生物传热和红外热辐射信息,采用红外热成像技术非接触测量分层体模的二维温度分布信息;然后,将此温度信息转换为人眼可视的灰度图,并进行伪彩色处理,同时,利用传输函数为热像图序列的每一个像素重新分配颜色和不透明度,从而对分层体模的温度场利用体绘制光线投射算法进行三维重建。结果与结论:实验结果表明,依据红外热辐射的原理,采用红外热像仪接受红外信息并将其转换为温度值,然后采用伪彩色显示方法,对分层体模的三维温度场进行光线投射重建,为热疗过程中生物组织内部三维温度场的测量、观测提供了新的技术手段与方法。

亚低温治疗中颅脑径向温度的数值模拟

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。

亚低温治疗中颅脑温度场的三维数值模拟和实验研究

研究了亚低温治疗过程中颅脑温度场的变化规律及影响因素并提出降低颅脑温度的有效方法。基于Pennes生物传热方程,利用有限容积法建立颅脑传热的三维球坐标模型,数值方法求解亚低温治疗过程中颅脑内部的温度变化规律,通过活体动物试验对该方法进行评价,并分析模型中主要参数:血液灌注率、新陈代谢率和动脉血液温度对颅脑温度分布的影响。通过数值计算,得到不同情况下颅脑的温度分布,给出降低脑温的有效方法。所建模型较真实反映了实际颅脑温度变化,数值模拟结果对亚低温治疗的深入探讨具有参考价值。

有限元法分析人体皮肤热效应的空间分布

研究了He-Ne激光辐照下人体皮肤组织传热过程温度场空间分布的动态规律。利用有限元法实现皮肤组织非稳态传热方程的模拟计算,获得了人体皮肤组织光致热效应的径向和轴向分布行为及时间变化关系。研究结果对于激光外科临床应用中激光参数的合理确定有一定的指导意义。

单兵数字化头盔微风扇散热的理论计算与实验研究

现代战争已经步入数字化时代。这些数字化系统在提高军事作战能力的同时,也带来了不便,例如单兵数字头盔系统的散热问题。研究了基于微风扇的头盔冷却散热方法,首先建立了人体头部的传热学模型,并利用Fluent数值模拟软件,对微风扇不同风量,以及不同风流道对头部的降温影响进行了三维数值模拟。通过比较计算结果,得到了较为合适的风量值和风流道布置,两者匹配可以实现最佳散热效果。另外,本文还设计了相应的散热实验对数值模拟结果进行验证。实验中,以采用微型风扇散热的单兵数字头盔、30岁健康男性的头部作为测试对象,引入红外成像技术及热电偶测温方法对实验过程和结果加以观测和记录,结果证实了微风扇冷却头盔的有效性。同时,实验结果与数值模拟结果基本一致,证实了数值模拟方法的可行性。最后,对单兵数字化头盔的散热技术前景进行了展望,归纳总结出有待解决的基础科学和应用技术问题。

35GHz高功率毫米波辐照下活鼠体表温升的研究

高功率密度35 GHz毫米波对活体鼠体表的辐照温升的实验结果表明:实验鼠的辐照侧的活体皮肤血液灌注率达到较高的水平;剃毛实验鼠的皮肤表面温升曲线和有毛实验鼠皮肤表面温升曲线类似,但在相同的时刻,前者温升要高于后者。将实验温升曲线和Pennes方程计算结果做了对比,发现:考虑血流灌注的Pennes方程与前16 s左右的剃毛实验鼠实验温升曲线吻合;在16 s之后,无血流灌注的热传导方程计算结果更加靠近剃毛实验鼠实验温升曲线,实验曲线略高于含有较大血流灌注率的理论计算曲线。上述实验现象和理论计算结果差异的可能原因也做了一些简单分析。

活塞聚焦换能器引起温度提升的研究

由于高强度聚焦超声的出现,活塞聚焦换能器引起的温度场日益受到重视。本研究基于生物热传导方程(Pennes方程)及高斯声束叠加法理论,给出了由活塞聚焦超声引起的温度提升理论模型,并计算温度场的横向分布。实验采用猪的肝脏组织和脂肪组织,采用活塞聚焦换能器加热的方法,用热电偶测量可组织内的温度提升,并将计算结果与实验结果进行了对比分析。结果表明:在弱聚焦且声源强度小于3.0 wW/cm2的情况下,此模型可准确预测生物组织的温度分布,生物组织温度的提升主要决定于线性声场,并且与换能器参数有关,温度的提升随着换能器的声功率、频率、半径的增加而增加,随焦距的增加而减小,随媒质的灌注长度的增加而增加。

大张角聚焦换能器中的张角变化对生物组织温度场的影响

高强度聚焦超声(HIFU)是现代医学肿瘤治疗物理疗法的一项重要技术,其原理是通过聚焦方法将大面积超声聚焦换能器辐射出的声能量汇聚于面积极小的聚焦区,使聚焦区获得较强的声能量并利用超声波的热效应在短时间内使病灶部位获得较高的温升,从而使肿瘤组织热凝固坏死.大张角聚焦换能器指的是球面半张角大于16.6°的球壳式聚焦换能器.相对于传统的小张角换能器,大张角聚焦换能器拥有更强的声聚焦效应,聚焦区半径更小,穿透性更好,声能量聚焦效果明显强于小张角换能器,所以可以获得更好的温升.利用Spheroidal Beam Equation(SBE)方程求解大张角聚焦换能器条件下的声场获得空间热源的产热率,然后通过Pennes方程解出大张角聚焦换能器条件下生物组织中的温度场分布.研究不同改变张角方式下大张角聚焦换能器作用下生物组织的温升分布情况,研究结果表明改变换能器的孔径以改变张角时,张角越大温升越大,而改变其焦距以改变张角时,温度变化则相反.实验也验证了换能器孔径变化对生物组织中的温升的影响.

非常态下红外人脸识别的有限元分析

将红外技术与人脸识别技术相结合具有广阔的应用前景,近年来对血流图的红外人脸识别研究越来越多,但它们均假定血流量保持稳定不变。事实上,外部环境温度、喝酒、发烧或运动等因素都会对血流产生影响,进而影响识别性能。为此,本文针对非常态红外人脸识别,尝试开展有限元分析。初步实验证明,该方法能有效提高识别率,对于非常态下的鲁棒生物特征提取有一定的指导意义。

生物组织内红外热传递（英文）

结合热力学基本定律和热辐射理论,改进了Pennes生物热传导方程,描述艾灸生物组织内的热量传递过程。采用Green函数法推导了其解析解,建立了定量解释艾灸不同生物组织如健康组织、肿瘤组织的温度变化行为的方法。提出温度衰减系数的概念来衡量组织内不同深度处的能量吸收情况。艾灸时皮肤表面温度的变化趋势与仿真结果的一致性验证了方法的有效性。振荡的能量流对于组织是温和的刺激,这是生物组织实现良好功能的物理兴奋剂。结果表明,高频能量主要被皮肤表层吸收,而低频能量可以深入到生物组织内部。重要的是,疾病可以通过艾灸热的深透作用来治疗。

激光诱导间质热疗中生物组织的温度场研究

激光诱导间质热疗疗效评估的前提是必须获得准确的激光在不同功率、不同照射时间的生物组织温度场分布.利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics构建了在组织光学参量不变情况下的三维有限元传热模型.该模型基于Pennes生物传热方程和轴对称高斯形状的激光光束热源方程,参量针对离体猪肝组织,考虑到了生物组织热物性密度、比热和热导率随温度变化的情况.仿真获得激光功率为0.77 W、0.95 W、1.23 W,照射时间为10~90 s,径向距离0~2 mm范围和轴向距离0~4 mm范围的温度场数据集.利用拟合算法,获得了自变量为激光功率、照射时间、径向距离和轴向距离的生物组织温度场分布模型.将功率为0.88 W和1.05 W时的结果与Pennes方程结果相比较,两者误差在5%以内.

高频ns脉冲串作用下肝脏肿瘤热效应的多参数有限元仿真

为了综合传统不可逆电穿孔和ns脉冲的特点,充分发挥脉冲电场非热治疗肿瘤的优势,将高频ns脉冲串引入到消融肿瘤组织的应用中,并研究了此高频ns脉冲串在生物组织中产生的热效应。通过多参数有限元方法对施加1对针电极的肝脏和肿瘤组织的温度以及热损伤进行了仿真,施加的电压范围为1~4 k V,脉冲宽度范围为50~500 ns,重复频率介于100 k Hz^1 MHz之间,脉冲串长度为100μs,脉冲串的重复频率为1 Hz。使用Pennes生物传热方程计算电热耦合下的温度,并根据Arrhenius公式计算热损伤。结果表明:肿瘤在单个脉冲串作用下在100μs时刻达到的最高温度为49.26℃;在1 s时刻最高温度为40.4℃,经过1 s时刻之后热损伤的累积程度只有0.001 6,不会造成热损伤;通过参数拟合,可以得到任意参数下的组织温度以及热损伤。研究结果可为将来的实验研究提供参数选择的理论依据。

激光辐照下皮肤组织中温度场的理论分析和数值模拟

基于 Pennes传热方程 ,采用更能反映活体组织真实情况的血液灌注率和代谢热产率 ,从理论上分析了激光作用在生物皮肤组织时所引起的组织温度场变化 ,给出了皮肤组织温度变化的分析解 ,数值模拟了激光辐照下组织的温度场分布 .并讨论了激光辐照时间、组织深度以及生物组织热物性对组织温升的影响 .