（卓工）激光焊接离体皮肤组织的热损伤效应研究文献综述

激光焊接离体皮肤组织的热损伤效应研究概况

摘要：简要介绍生物组织激光焊接技术，目前主要的研究内容。热作用与生物组织热损伤程度的关系，激光照射生物组织温度场分布的研究现状，实验的内容及目的。

关键字 离体皮肤组织；激光；热损伤

0 引言

1960年世界上第一台红宝石激光器问世，从此激光技术得到了迅速的发展，在人们的不断探索中发现，大功率激光可用于手术的止血和切割，而低功率激光可用于组织焊接^[1]。于是在20世纪70年代末激光生物组织焊接出现了。在Klink及Jain等率先实现了输卵管和血管的成功连接，并由此发现了该项技术的巨大先进性后，更多的研究者致力于尝试对各种生物组织进行激光焊接^[2]。然而生物组织结构复杂，其热学、光学特性因不同生物体差异较大，且激光的波长、输出功率、扫描方式等诸多参数的不同也会使其引起的热效应不同，导致生物组织在激光作用下融合的潜在机制尚不明确，从而无法保证激光在生物组织焊接过程中应用的安全性、可靠性和有效性等，就目前国内外对于激光与生物组织热作用的研究大多数仍局限于离体组织实验测试以及数值模拟，很难应用到临床实践。原因就在于这项技术还存在工艺稳定性和适应性不足，切口融合质量和可靠性不易控制^[3]。为了推动生物组织激光焊接技术的发展，积极开展 激光对皮肤组织的损伤研究具有十分重要的意义和作用 。

1 热损伤效应研究现状

1.1热损伤效应研究内容

当激光辐照皮肤组时，由于热作用而产生的热损伤程度，一方面取决于激光参数，如波长、功率、密度、照射时间等；另一方面也取决于被辐照皮肤组织的光学特性和热学特性，如吸收系数、散射系数、热导率等。光热效应中的温度可以作为皮肤组织热损伤的指标^[4-5]，因此对热损伤效应的研究主要是对激光照射下离体皮肤组合的温度的分布及变化。皮肤组织热作用与温度大致具有图一所示的关系。在激光热损伤组织中，最严重的热损伤不是发生在样本表面，而是发生在样本的中心^[6-8]。

图一 热效应与组织温度的关系

1.2生物组织热损伤研究现状

1948年Pennes首次引人血液灌注率，从根上将生物组织与一般的工程材料的传热问题区别开来并建立了生物组织热传导方程，即Pennes方程^[9]。继Pennes模型后，先后出现了其他不同模型，主要有将血流影响归入有效热传导率项的Weinbaum-Jiji模型和把生物组织看成多孔介质的多孔体模型等^[10-12].。2008年陈燕基于激光与生物组织相互作用的机理,建立了强激光辐照离体人皮肤组织的二维传热模型。对于Pennes生物传热方程,使用有限元法数值模拟了温度场分布。并利用连续激光对离体人皮肤组织进行辐照实验研究。实验表明:当激光辐照时间为6.83s时,皮肤组织发生热致汽化;当辐照时间为11.20s时,组织发生热致炭化;当辐照时间为25.30s时,组织发生热致燃烧^[13]；林育灵基于生物组织热传导理论和Crank-Nicolson有限差分算法,建立了具有二阶精度的可用于推算组织体温度分布的有限差分格式,以稳态条件下组织温度场的解析解作为初始条件,确定了激光辐照下生物组织体内温度场分布情况,并分析激光辐照下沿照射方向温度场随照射时间的变化情况以及激光功率密度和组织体血液灌注等因素对组织体温度场分布的影响^[14];2011年王群超研究了激光照射下猪肝组织传热过程温度场空间分布的动态规律。采用有限元分析法,利用激光分布公式获得猪肝组织的温度场空间分布,并采用K型热电偶和热电偶放大器来测量猪肝组织表面和内部温度^[15]。宋伟宏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^[16]。2016年汤陌生设计了一种利用340 nm波长的自体荧光成像技术评估活体组织热损伤的方法,并采用该方法对激光照射后的牛腱组织进行了荧光成像,将荧光成像后的牛腱组织样本与日光灯下成像后的牛腱组织样本通过天狼星红F3BA染色的组织学方法进行了验证和比较。实验结果显示,样本中受激光照射区域的胶原蛋白的自体荧光发生了明显改变,说明该方法能够用于评价组织热损伤^[17]，为评价热损伤提供了一种新的方法。

1.3热损伤研究趋势

在以往关于激光对皮肤组织的热作用探讨中,大都将皮肤组织简化为均匀介质的一维传热模型，但实际上皮肤组织的结构非常复杂，很难看成均匀介质，而且其吸收激光能量是一个容积吸收过程。因此在以后的研究中建立皮肤组织的准确模型是不可避免的，只有基于一个“标准”的模型，各实验研究结果才具有参考性，相关性。除此以外，现有的关于皮肤组织热作用的研究由于条件因素选用的全都是离体组合，若要生物激光焊接技术应用于临床，对于皮肤组织热损伤的研究必定要选用与不离体组织具有相同生物活性的样本进行试验。

2 结论

目前，在关于热损伤评定的研究中，研究者们基本都是基于组织的光学特性以及热学特性对组织的温度分布进行数值模拟以及验证，致力于实时精准的了解在激光照射下组织的温度分布。在对温度场准确的模拟下，进行对于激光工艺参数与组织温度分布关系，热损伤程度的实验。

参考文献

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[3]黄俊.离体生物组织激光焊接特性实验研究[J].中国激光,2017,(4):210-215.

[4]Wu Xiu-shan,Hou Yu,Li Xi-jing.The research on thermal damage in biological tissues induced by high-irradiance-laser[ J].Joumal of Optoelectronics.Laser,2001,12(7):746-750.(in Chinese)

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[6]魏晓芳,刘会洲.热变性对蛋白质结构及泡沫行为的影响[J].化工冶金,2000,21(4):40-42.

[7]LeCarpentier GL,Motamedi M,McMath LP,et al.Continuous wave laser ablation of tissue: analysis of thermal andmechanical events[J].IEEE TransBiomed Eng,1993,40(2):188-200.

[8]张先增,谢树森,林慧韫.生物组织激光消融阈值的光谱特性 [J].激光生物学报,2006,(1):97-100.

[9]Pennes H.H,Analysis of tissue and artetial blood temperatures in the resting human forearm[J].Journal of Applied Physiology,1948,(2):93-122.

[10]Weinbaum S,Jiji L.M,Lemons D.E.Theory and experiment for the effect of vascular microstructure on the surface tissue heat transfer-Part I:Anatomical foundation and model conceptualization[J].ASME Journal of Biomechanical Engineering, 1984,106(4):321-330.

[11] Weinbaum S,Jiji L.M,Lemons D.E.Theory and experiment for the effect of vascular microstructure on the surface tissue heat transfer-Part II:Model formulation and solution[J].ASME Journal of Biomechanical Engineering,1984,106(4):331-341.

[12] Wulff W.The energy conservation equation for living tissues[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1974,21(6):494-495.

[13] 陈燕.强激光对离体皮肤组织热损伤的模拟与实验研究[J].激光与红外,2008,(4):375-378.

[14]林育灵. 激光辐照生物组织温度场的数值模拟[J].生命科学仪器,2008,(3):37-40.

[15]王群超,苑洁,邓琦林,章家福,朱训生.激光照射猪肝组织的温度场研究[J].激光生物学报,2011,(2):166-170.

[16]宋伟宏,熊国欣,李立本.激光照射下生物组织内部温度分布的数值模拟[J].激光杂志,2011,(3):35-36.

[17]汤陌生.荧光成像技术在组织热损伤评价中的应用[J].中国医疗设备,2016,(3):53-55.

资料编号：[551912]

激光焊接离体皮肤组织的热损伤效应研究概况

摘要：简要介绍生物组织激光焊接技术，目前主要的研究内容。热作用与生物组织热损伤程度的关系，激光照射生物组织温度场分布的研究现状，实验的内容及目的。

关键字 离体皮肤组织；激光；热损伤

0 引言

1960年世界上第一台红宝石激光器问世，从此激光技术得到了迅速的发展，在人们的不断探索中发现，大功率激光可用于手术的止血和切割，而低功率激光可用于组织焊接^[1]。于是在20世纪70年代末激光生物组织焊接出现了。在Klink及Jain等率先实现了输卵管和血管的成功连接，并由此发现了该项技术的巨大先进性后，更多的研究者致力于尝试对各种生物组织进行激光焊接^[2]。然而生物组织结构复杂，其热学、光学特性因不同生物体差异较大，且激光的波长、输出功率、扫描方式等诸多参数的不同也会使其引起的热效应不同，导致生物组织在激光作用下融合的潜在机制尚不明确，从而无法保证激光在生物组织焊接过程中应用的安全性、可靠性和有效性等，就目前国内外对于激光与生物组织热作用的研究大多数仍局限于离体组织实验测试以及数值模拟，很难应用到临床实践。原因就在于这项技术还存在工艺稳定性和适应性不足，切口融合质量和可靠性不易控制^[3]。为了推动生物组织激光焊接技术的发展，积极开展 激光对皮肤组织的损伤研究具有十分重要的意义和作用 。

1 热损伤效应研究现状

1.1热损伤效应研究内容

当激光辐照皮肤组时，由于热作用而产生的热损伤程度，一方面取决于激光参数，如波长、功率、密度、照射时间等；另一方面也取决于被辐照皮肤组织的光学特性和热学特性，如吸收系数、散射系数、热导率等。光热效应中的温度可以作为皮肤组织热损伤的指标^[4-5]，因此对热损伤效应的研究主要是对激光照射下离体皮肤组合的温度的分布及变化。皮肤组织热作用与温度大致具有图一所示的关系。在激光热损伤组织中，最严重的热损伤不是发生在样本表面，而是发生在样本的中心^[6-8]。