（工程热物理专业论文）生物组织传热及其若干应用研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 生物传热学是生物医学工程领域内交叉于生物、 热物理、 临床医学等诸多领域的 新兴学科分支， 其核心在于探索生命最基本的特征之一 一一 物质和能量的传输规律并 加以有效利用。 数学模型在生物传热的研究中占有极其重要的地位， 是进行理论探讨和现实应用 的共同基础。 一个成功的模型是合理解释生物组织内、 外的传热机理、予各种临床热 医学以强而有力的理论指导和支持、正确地测定和预示生物体温度场的前提和基础。 自1 9 4 8 年p e n n e s 生物传热方程问 世以 来，生物传热学的 研究者们提出了 许多生物传 热的模型， 其中不乏极具启发意义的经验和思想， 但这些模型都有其各自 应用的局限 性。 对于人体一些特殊的体温调节方式， 如发汗等， 现存的模型都无法从机理上对其 进行合理的描述。 根据发汗的剧烈程度， 在皮表是否存在液态汗珠或汗膜可以将发汗 分为隐性发汗和显性发汗两种形式。 本文在对现存生物传热模型进行分析比较的基础 之上， 吸收其中的有益思想按照人体的生理结构对肢体进行了具有传热特征的分层处 理。 在充分考虑到汗腺的大量存在， 使得皮肤层在宏观上体现出一种多孔性的前提下， 我们运用非饱和多孔介质内的流动和传热理论对发汗行为进行了机理性描述。 我们在 模 型中 引 入了 多 孔介质的d a r c y 定 律， 在质量连续方 程和能 量 连续 方程的 共同 作用下 可以求汗液在汗腺中的流动和相变全过程。 发汗受环境条件的影响巨大，同时还与汗 腺的开放程度有很大关系。 作为人体一种特殊的体温调节方式， 发汗的存在可以使得 皮肤表面温度降低1 - 2 0 c ，这对于维持组织内 部的温度相对稳定是有很大意义的。 肿瘤热疗是通过加热肿瘤组织治疗肿瘤的一种方法， 即利用某些物理能量在组织 中沉淀而产生的热效应， 使肿瘤组织温度上升至有效治疗温度，并维持一定时间，以 达到既能使肿瘤缩小甚至消除， 又不致损伤正常组织的目的的一种治疗方法。由于肿 瘤热疗对病人的伤害小、 疗效高，可以与其它治疗手段同时采用并且可以有效、大幅 地提高其它治疗手段的疗效。 因此目 前， 肿瘤的温热疗法已成为继肿瘤的手术、 放疗、 化疗和免疫疗法之后的第五大疗法，被国际医学界称之为“ 绿色疗法” 。肿瘤热疗的生 理学原理是正常组织在一定的高温范围内可以继续存活而肿瘤组织细胞却会受到彻 底的破坏。 这种温度对肿瘤组织的选择性杀伤是肿瘤热疗的治疗依据。肿瘤热疗的关 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 键是加热技术。 有效加热肿瘤患区组织使之处于有效治疗高温 ( 4 1 - 4 3 0 c )以上，并 尽量不伤害周围的正常组织是提高疗效的关键。 为达到这样的目 的， 精确地对肿瘤的 热疗过程中组织的温度响应进行预示是有极为重要意义的。当前， 常用的外加热源是 激光、微波或者超声。 外加能源在组织中的传输和被吸收是热疗过程中热量产生的原 因。 热量在组织中的传播导致组织温度的升高。本文主要探讨了激光和微波作为肿瘤 热疗加热源时组织的温度响应特性。生物组织是光的混浊介质，对激光而言，激光在 组织中的 传输主要是被组织的吸收和散射的过程; 对于微波，生物组织是电磁导体， 在微波的作用下会发生极性分子的极化，从而产生对微波能量的吸收产热。本文讨论 了 激光和微波在组织中的传输过程以 及它们对生物组织的热效应， 得出了一些有益于 肿瘤临床治疗的结论。 生物组织的热物理特性决定了机体组织进行物质、 热量传递的能力， 这些性质显 然对机体的热状态会产生至为重要的影响，因此生物组织 ( 尤其是活体)的热物性参 数是深入研究生物体传热特性和传热机理的关键， 在临床医学的应用中也占有重要的 地位。与一般工程材料相比，生物活体组织中存在血液灌注和生理代谢，因而生物传 热学上所考虑的热物性参数除了热科学传统上的热导率k、热扩散率a 之外，还应有 血 液 灌 注 率 w b q , 的 数 据。 本 文 使 用 热 敏电 阻 采 用 等 温 升 法 通 过 实 验 获 得了 部 分 生 物材料的导热系数。 本文研究接受国家自 然科学基金重点项目 ( n o .5 9 8 3 6 2 4 0 ) 咨助。 关 键 词: 生 物 传 热， 数 学 模型 ， 人体 发 汗， 热 疗， 激 光， 微波， 热 物 性 -一- 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs t rct b i o - h e a t t r a n s f e r i s a r i s i n g s u b j e c t b r a n c h o f t h e b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g i n t e r c r o s s e d w i t h a g o o d m a n y fi e l d s s u c h a s t h e b i o l o g y , t h e r m a l p h y s i c s a n d c l i n i c a l m e d i c i n e e t c , w h o s e c o r e i s t o s e e k a n d ma k e u s e o f , o n e o f t h e b a s i c v i t a l c h a r a c t e r s , t h e l a w o f t h e m a t t e r a n d e n e r g y t r a n s m i s s i o n . m a t h e m a t i c a l m o d e l i s v e r y i m p o rt a n t t o t h e s t u d y o f b i o - h e a t t r a n s f e r , a n d i t i s a l s o t h e c o m m o n f o u n d a t i o n f o r b o t h o f t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n d p r a c t ic a l a p p l i c a t i o n . a s u c c e s s f u l m o d e l i s t h e k e y t o e x p l a i n t h e m e c h a n i s m o f h e a t tr a n s f e r i n b i o - t i s s u e o r b e t w e e n it a n d t h e e n v i r o n m e n t , a n d i s a l s o t h e k e y t o d e t e r m i n e a n d in d i c a t e t h e t e m p e r a t u r e fi e l d i n a n o r g a n i s m . s i n c e p e n n e s b i o - h e a t t r a n s f e r e q u a t i o n i s p u b l i s h e d i n 1 9 4 8 , r e s e a r c h e r s o n b io - h e a t t r a n s f e r p u t f o r w a r d m a n y m o d e l s . a l t h o u g h a ll t h e m o d e l s h a v e a v e ry l i m i t e d r a n g e o f a p p li c a b i l i t y , t h e r e a r e s t i l l g r e a t i d e a s a n d e x p e r i e n c e a m o n g t h e m . i n r e g a r d t o s o m e s p e c i a l a d j u s t in g m e t h o d o f b o d y t e m p e r a t u r e , s u c h a s p e r s p i r a ti o n , t h e r e i s n o p r e s e n t m o d e l c o u l d d e s c r i b e t h e b e h a v i o r o f p e r s p i r a t i o n i n m e c h a n i s m . a c c o r d i n g t o h o w i t i s i n t e n s e , o r w h e t h e r t h e r e e x i s t s w e a t b e a d s o r s w e a t fi l m i n l i q u i d o n t h e s u r f a c e o f s k i n o r n o t , w e c o u l d s e p a r a t e t h e p e r s p i r a t i o n i n t o c o n c e a l e d a n d r e v e a l e d p e r s p ir a t i o n . w i th t h e c o m p a r e a n d a n a l y s is a b o u t t h e s u b s i s t e n t b i o - h e a t t r a n s f e r m o d e l s , t h e t h e s i s d i v i d e s t h e l i m b i n t o l a y e r s a c c o r d i n g t o i t s b i o l o g i c a l s t r u c t u r e a n d i t s t h e r m a l c h a r a c t e r i s ti c b y a b s o r b i n g t h e h e l p f u l t h o u g h t a m o n g t h o s e m o d e l s . c o n s i d e r i n g t h e n u m b e r o f t h e e x i s t i n g s w e a t g l a n d s i n s k i n l a y e r i s s o g r e a t , w e c o u l d t a k e t h e s k i n l a y e r a s a k i n d o f p o r o u s m e d i a i n m a c r o s c a l e . t h u s w e u s e t h e fl o w a n d h e a t t r a n s f e r t h e o ry o f p o r o u s m e d i a t o d e s c r ib e t h e p e r s p i r a ti o n i n m e c h a n i s m . d a r c y s l a w i s a d o p t e d t o t h e m o d e l . u n d e r t h e c o m b i n e d e ff e c t o f m a s s e q u a ti o n , m o m e n t u m e q u a ti o n a n d e n e r g y e q u a t i o n , w e c o u l d o b t a i n a l l t h e p r o c e s s o f t h e fl o w a n d p h a s e - c h a n g e o f s w e a t i n s w e a t g l a n d . t h e p r o c e s s o f p e r s p i r a ti o n i s a ff e c t e d b y t h e e n v i r o n m e n t c o n d i t i o n s g r e a t l y , a t t h e s a m e t i m e ; t h e p r o c e s s w i ll a l s o b e a ff e c t e d b y t h e o p e n s i t u a t i o n o f s w e a t g l a n d s . a s a s p e c i a l a d j u s t i n g m e th o d o f b o d y t e m p e r a t u r e , t h e p e r s p i r a t i o n c o u l d d e c r e a s e t h e t e m p e r a t u r e o f s k i n s u r f a c e to a b o u t 1 - 2 0 c , w h i c h w i ll b e h e lp f u l t o m a in t a i n t h e b o d y t e m p e r a t u r e s t e a d y . h y p e rt h e r m i a i s a t r e a t m e n t t o h e a l t h e c a n c e r b y h e a t i n g . t h a t i s , w h e n s o m e k i n d o f 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 p h y s i c a l e n e r g y i s d e p o s i t e d i n t o t h e b io - t i s s u e , t h e t h e r m a l e ff e c t o c c u r s a n d i n c r e a s e s th e t e m p e r a t u r e o f b i o - t i s s u e t o a f a ir l y h i g h t e m p e r a t u r e . wh e n t h e p r o c e s s l a s t s f o r s o m e t i m e t h e c a n c e r w i l l s h r i n k o r e v e n b e c l e a r e d u p , w h i l e t h e n o r m a l t i s s u e w i l l n o t b e d a m a g e d . s in c e h y p e rt h e r m i a b r i n g s t h e p a t i e n t s m a l l i n j u ry a n d h i g h c u r a t iv e e ff e c t , w h e n i t i s u s e d w i t h o t h e r t h e r a p e u t i c m e t h o d s s y n c h r o n o u s l y , h y p e rt h e r m i a w i l l i n c r e a s e t h e c u r a t i v e e ff e c t o f o t h e r s g r e a t l y ; h y p e rt h e r m i a h a s b e e n a w i d e l y a p p l i c a b l e m e t h o d t o t r e a t c a n c e r a n d i s c a l l e d g r e e n t h e r a p e u t ic s . t h e p h y s i o l o g y m e c h a n i s m o f h y p e rt h e r m i a i s t h e n o r m a l b i o - t i s s u e c o u l d s u r v i v e u n d e r a h i g h t e m p e r a t u r e b u t t h e c a n c e r c e l l s w i l l b e d e s t r o y e d t h o r o u g h l y a t t h e s a m e t e m p e r a t u r e . t h e s e l e c t i v e k i l l o f t e m p e r a t u r e i s t h e b a s i s o f c a n c e r h y p e rt h e r m i a . t h e k e y o f t h e h y p e rt h e r mi a i s t h e h e a t in g t e c h n o l o g y . h o w t o h e a t t h e b io - t is s u e t o a e ff e c t i v e t h e r a p e u ti c h i g h t e m p e r a t u r e ( 4 1 - 4 3 0 c ) a n d try n o t to h a r m t h e n o r m a l t i s s u e i s t h e mo s t i m p o rt a n t t h i n g t o i n c r e a s e t h e c u r a t i v e e ff e c t . a s t h e p u r p o s e , t h e a c c u r a t e i n d i c a t i o n o f t e m p e r a t u r e i n c a n c e r t i s s u e d u r i n g t h e p r o c e s s o f h y p e rt h e r m i a i s v e r y im p o rt a n t . n o w a d a y s , p e o p l e o f t e n u s e l a s e r , m i c r o w a v e o r s u p e r s o n i c a s t h e h e a t i n g s o u r c e . t h e t r a n s p o rt a n d b e i n g a b s o r b e d o f t h e e n e r g y f r o m o u t s i d e i s t h e o n l y r e a s o n t h a t h e a t e n e r g y i s p r o d u c e d i n s i d e t h e t i s s u e . wh e n t h e h e a t i s t r a n s f e r r e d i n t h e t i s s u e , t h e t e m p e r a t u r e o f b i o - t i s s u e w i ll a r i s e . t h e t h e s i s d i s c u s s e s t h e t e m p e r a t u r e r e s p o n s e o f b i o - t i s s u e w h e n l a s e r o r m i c r o w a v e i s i n t r o d u c e d i n t o t h e h y p e rt h e r m i a , a n d d r a w s s o m e c o n c l u s i o n u s e f u l t o t h e c l i n i c a l t r e a t me n t . t h e t h e r m a l p h y s i c a l p r o p e rt i e s o f t h e b i o - t i s s u e d e t e r m i n e s i t s a b i l i t y t o t r a n s f e r m a s s a n d h e a t , t h a t i s t o s a y t h o s e p r o p e rt i e s w i l l a ff e c t t h e b o d y s t h e r m a l c o n d i t i o n g r e a t l y , s o t h e d a t a o f t h e b i o m a t e r i a l s t h e r m a l p r o p e rt i e s ( e s p e c i a l l y i n - v i v o ) i s n o t o n l y p i v o t a l t o s t u d y t h e f e a t u r e a n d m e c h a n i s m o f t h e b i o - h e a t t r a n s f e r b u t a l s o i m p o rt a n t i n t h e c l i n i c a l m e d i c i n e a p p l i c a t i o n . c o m p a r e d w i t h t h o s e n o r m a l t e c h n i c a l m a t e r i a l s , t h e re e x i s t b l o o d p e r f u s i o n a n d p h y s i o l o g i c a l m e t a b o l i z a t i o n i n b i o l o g i c a l l i v i n g t i s s u e , t h u s t h e b l o o d p e r f u s i o n r a t i o巩 a n d m e t a b o l i z e d r a t i o q m m u s t b e i n c l u d e d e x c e p t f o r t r a d i t i o n a l t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k, t h e r m a l d i f f u s i v it y a i n t h e b i o - h e a t . w e g e t s o m e b i o m a t e r i a l s t h e r m a l c o n d u c t i v i t y e x p e r i m e n t a l l y t h r o u g h w h a t i s c a l l e d f i x e d t e m p e r a t u r e i n c r e m e n t u s i n g t h e r m i s t o r b e a d . t h e p r e s e n t w o r k i s f in a n c i a l l y s o p p rt e d b y t h e k e y p r o j e c t o f t h e n a t i o n a l n a tu r a l s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a u n d e r t h e g r a n t n o . 5 9 8 3 6 2 4 0 . k e y w o r d s : b i o - h e a t t r a n s f e r , m a t h e m a t i c a l m o d e l , p e r s p i r a t i o n o f h u m a n b o d y , h y p e rt h e r m i a , l a s e r , m i c r o w a v e , t h e r m a l p r o p e rt y t v 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已 经标明引 用的内 容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 2 a y 年 丁月 。 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以 将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保 密 口 ， 在 年解 密后适用 本授权书。 不 保 密 斌 ( 请在以上方框内打 “ i i ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : * ia ) -:o 4年 s -月 ， 日 指导教师签名: 刘 华 寻 j o 味年 歹 月 1 0日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 概述 1 . ，生物传热学的学科背景和应用背景 近些年来， 人体环境学以及生物医学工程领域内诸如肿瘤的温热疗法、 低温外科、 低温器官保存、 烧伤、烫伤、冻伤等临床医学和康复医学的发展进步，要求人们对生 物体( 特别是人体) 的物质和能量传输的 研究逐步由 定性转变为定量， 其结果直接刺 激了 人 类深 入 认 识人 体 热 质 传 输 机制 和 特性的 迫 切 性 1-3 1 ， 促成了 生 物 传 热 学 这一 全 新 交叉学科的形成和发展。 生物传热学是生物医学工程领域内交叉于生物、 热物理、临床医学等诸多领域的 新兴学科， 其核心在于探索生命最基本的特征之一物质和能量在生命体中以及与 环境之间的传输规律。 定量化研究是科学技术进步的重要标志。 工程热物理方法的引入， 使得对生命热 现 象、 热问 题的 研究 取得了 长 足的 发 展1 3 1 。 许多 过去 从生 理学角 度看来极 为复 杂的 热 问题在引入热科学的有关概念之后，往往可以获得非常清晰而明确的认识。 热技术在 现代医疗中越来越广泛的应用也为医学科学的发展进步注入了 新鲜的血液。 事实上， 热科学方法从其开始探讨一些生物医学工程问题之初，就由于其独特的应用效果，引 起了各界的高度重视，被普遍认为是临床医学中的一项关键技术。 生物传热学的内 容包括了从细胞、亚细胞层次到组织、器官直至生物个体内的热 质传输行为。其研究成果可以广泛地应用于日 益成长的诸如低温外科、激光手术、移 植器官的冷冻保存、 肿瘤的热疗、 冷疗、 低温脑复苏、 疾病的红外热诊断技术、 烧伤、 冻伤、 烫伤的治疗和康复以 及人类居住环境的热调节、 人类着衣的热舒适控制等等【 1 -5 1 由于生物传热学是一门跨学科的交叉科学，涉及到包括生命科学、生物学、工程热物 理学、 生理学、 解剖学、 化学、 临床医学、 计算机科学和一些工程分支学科以及激光、 红外、核磁共振、仿生、超声等一些高新技术。因此，生物传热学在理论和技术上既 需要这些科学技术的支持， 同时它自 身的任何突破也可能会极大地促进上述相关领域 的发展。 当前.国内外对生物传热的研究方兴未艾，研究的重点集中在以下月 ， 个方面， - -. . . 种 种 种 . . . . . 州 . . . 种 种 . . . . . . . . 种 种 种 . . . . 种 .一一一. -一 . . - 叫 一 门- 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ( 1 ) 生物传热数理模型的建 立; ( z ) 临 床医学中的 热物理问 题， 包括肿瘤的冷、 热疗， 冷冻 外科， 烧伤， 冻伤， 烫伤等的热作用机理及康复研究; ( 3 ) 基于生物组织的超微解剖结构的 血管传热; ( 叼生 物体空 间 温度 场的 无 损重构; ( 5 ) 生 物体在体热物性参数， 如热导 率、 热扩散率、 血液 灌注率、 代谢率等基 本 物理量的测定; ( 6 ) 人体特殊结构的传热问 题，如人体呼吸道的空调功能，头发、 毛发在皮表a 盖的热调节作用; ( 7 ) 疾病的无损实时热诊断技术; ( $ ) 各 类热物理因 子， 如 超声、 微波、 红外、 射频等作用 于 人体及各种生命材料 时产生的热学效应研究; ( g ) 生命热现象的研究。 本课题“ 临床医学中的若干热物理问题研究” 的子课题之一:生物组织传热 传质模型和热物理参数测量正是基于上述学科背景和应用背景而开展进行的。 1 . 2生物传热的特点 生 物 组 织内 的 传 热、 传 质 以 及 生 物 体 与 环 境 之 间 物 质 和 能 量 的 交 换 过 程， 是 生 命 系 统 最 基 本 的 过 程 之 一 。 作 为 物 质 高 度 进 化 的 产 物 ， 生 物 组 织 具 有 与 一 般 工 程 材 料 相 比 迥 然 不同 的 特点 ， 并因 此使 得 生 物组 织 在 传 热 上具 有以 下 几 个 方面 的 特点 f2 . 6 . 7 l 从 局 部 看， 生 物 组 织 材 料 的 结 构 异 常 复 杂 ， 很 难 被 视 作 各 向 同 性、 均 匀同 质的 介 质， 其 独 特的 血 液 和 体 液 循 环， 更 增 加了 传 热 过 程 的 复 杂 性。 由 于 生 理 结 构 的 复 杂 性 和 不 确 定 性 ， 时 至 今日 ， 人 类 仍 然 不 能 完 全 明 了 人 体 的 血 液 循 环 机 制 ， 不 能 准 确 、 完 全 地 阐 明 血 液 的 流 动 循 环 对 生 命 体 热 质 传 输 的 影 响 、 不 能 真 实 再 现 血 液 的 存 在 对 维 持 生命体日 常生命活动的作用。 从 整 体 看 1 作 为 一 个 高 度 有 序 的 系 统 ， 生 物 本 身 拥 有 极 其 复 杂 的 温 度 感 应 和 温 度 控 制 系 统 ， 存 在 对 于 热 刺 激 的 主 动 响 应 能 力 。 人 们 至 今 无 法 将 这 种 热 的 主 动 响 应 能 力 在 生 物 体 内 和 生 物 体 与 环 境 之 间 物 质 能 量 的 传 递 中 合 理 地 体 现 出 来 。 作 为 有 思 想 ， 有 意 识 的 个 体 ， 生 命 体 在 其 传 热 、 传 质 过 程 中 ， 还 受 到 非 常 明 显 的 心 理 状 态 、 思 维 信 息 一- 一一 ， ， - 一 - - - - - - - ， 一 - - _ 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的影响。 这些都极大地增加了生物传热机制的复杂性和不确定性。此外，生物系统的 传热还属于一种不稳定的低传导热流和典型的小温差传热。 这无疑又增大了生物传热 研究中温度测量分辨的难度。 因此， 可以 毫不夸张地说， 生物系统的传热问 题涵盖了自 然界中许多最为复杂的 传热机制。 生物体的传热传质， 尤其是生命活体的热质传输问 题具有极强的随机的多 变性、不确定性、非定常性和概率统计性。 1 .3生物传热学的发展及本文的研究内容 1 .3 . 1生物传热模型的发展 对于任何一种研究对象理论上的定量化研究都必须要提出一种符合该研究对象 物理真实的数学物理方程，以深入揭示其特殊的物理机制。 这是进一步进行机理研究 的前提。 对于生命体的传热， 第一次将生物组织与一般工程材料的传热问题从根本上区别 开 来 始 于1 9 4 8 年p e n n e s 的 工 作 1 1 -3 , 8 1 将人体小臂简化为圆柱体，并考虑到小臂肌肉 组织中含有血流的灌注，p e n n e s 写出 了 轴 对 称 条 件下 微 分形 式的“ 生 物传 热 方 程” ( b i o - h e a t e q u a t io n ) , 其具 体数 学 表达式是: p c 访 1a/. a t 1_ . 丁 科ric 刘十 姚 十 蛛 ( 1 - 1 ) 其中: q b 0 w b c b ( t . 一 t ) ( 1 - l a ) 上述生物传热方程与一般固体热传导的不同之处在于在式 ( 1 - 1 )中含有一个血流项 q b ， 它反 映了 出 入控制体的 血流所 传输的 热 量; 而 源 项q m( 代谢率项) 反映的 是局 部组织新陈代谢引起的化学能向热能的转变。 对于 p e n n e s 方程中血流项的描述，后来的许多研究者提出了不同的表达方式。 j a in 9 i 认 为 : 对 流 热 交 换 项玩可以 由 动 脉 血 带 入 控 制 体 的 热 能 减 去 静 脉 血 从 控 制体 带 出的热能来平衡，也即: q b 1l w b c , (t , 一 t ) ( 1 - 1 b ) 一一一 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 其 中 ， 。 一 仇一 兀 )/ 仇一 t ) 为 组 织 和 静 脉( o s r s 1 ) 的 有 效 量 度 ， 当 静 脉 与 组 织 处 于完全热平衡时，” = 1 0 此外 还有以 出 入 控制体组织的 血液的烩 差 来代 表血 流项q b 的，即: 么 = p b 几a 1 式中， p b v b 是 局部 血流的 平均质 量流率， fil l ( 1 - l c ) a i 是通过控制体组织的单位质量血流的焙差 也 有 按 照 多 孔 体 的 渗 流 理 论 1 1 来 推 导 q 。 的 ， 此 时 : q b 一 : 0- (t - t , ) ( 1 - l d ) 式 中 的 是 多 孔 介 质 的 比 表 面 积( 即 面 孔 隙 度 ) ， 。 是 动 静 脉 血 流 流 体 与 多 孔 体 之 间 ir i 对 流 换 热 系 数，t b 和t r 分 别为 局 部 血流 和 肌肉 组 织的 温 度。 尽 管 在 表 达 形 式 有 所 区 别 ， 但 所 有 上 述 模 型 的 构 建 都 是 基 于p e n n e s 方 程 所 作 的 修 饰 ， 在 基 本 假 设 上 是 一 致 的 ， 即 在 发 生 血 液 对 流 换 热 的 肌 肉 层 内 的 毛 细 血 管 区 ， 肌 肉 和 血 流 具 有 相 同 的 温 度 。 因 此 上 述 的 方 程 统 称 为 血 液 灌 流 的 p e n n e s 类 方 程 。 基 于 解 剖 学 和 热 分 析 ， w e i n b a u m 等 、 j ij i 等 和s o n g 等 在 一 系 列 的 论 文 中 提 出 了 一 种 全 新 的 关 于 皮 肤 肌 肉 复 合 层 中 传 热 的 三 层 模 型 1 0- 1 6 。 该 模 型 表 明 ， 在 深 部 肌 肉 组 织 中 ， 有“ 热 重 要 性 ” 的 动 静 脉 血 管 是 那 些 总 是 彼 此 靠 近 、 并 排 而 行 的 小 动 脉 和 小 静 脉 ， 近 似 于 完 全 的 热 量 交 换 就 在 这 些 成 对 的 血 管 之 间 发 生 ， 血 管 与 周 围 组 织 的 传 热 却 相 对 较 少 中 间 层 可以 用p e n n e s 方 程 控 制 。 最 外 层 假 设 只 有 导 热 的 存 在 。 w e i n b a u m - j ij i 模 型引 起了 激 烈的 争 论 【1 7 -2 0 。 辩 论 的 结 果 虽 表明 该 模 型的 处 理 方 法 是 合 理 的 ， 但 却 有 其 应 用 的 局 限 性 。 具 体 地 讲 ， w e in b a u m - j ij i 模 型 确 实 可 以 同 时 预 测 出 血 管 中 的 和 组 织 中 的 温 度 和 传 热 情 况 ， 但 它 在 建 模 时 假 设 组 织 中 除 了 一 对 主 要 的 动 、 静 脉 外 不 再 包 含 其 它 有 热 重 要 性 的 血 管 或 只 包 含 非 常 小 的 可 以 用 连 续 模 型 加 以 描 述 的 微 血 管 ， 这 显 然 与 实 际 情 况 有 出 入 ， 而 且 此 模 型 系 针 对 为 数 很 少 、 相 对 较 大 的 血 管 而 建 立 的 ， 因 此 ， 在 应 用 中 也 带 来 了 人 体 哪 些 部 位 能 够 运 用 此 模 型 的 难 题 。 但 不 管 怎 样 ， w - j 模 型 是 生 物 传 热 学 在 血 液 流 动 及 其 对 热 传 输 贡 献 上 的 巨 大 进 步 。 此 外 ， 许 多 研 究 者 还 从 其 它 角 度 着 手 ， 提 出 了 各自 的 生 物 传 热 模 型 。 影 响 较 大 的 有 由w u l护 2 1提 出 ， 包 括 我 国 清 华 大 学 的 王 补 宣 先 生 加 以 改 进 的 生 物 传 热 的 多 孔 体 模 梦找有 w is s le r . c r o s b ic 提 出 的 人 体 体 温 模 型 ， 在 此 基 础 上 s to lw ij k 等 考 虑 了 体 温 -一一一-一-一- 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 调节功能的六节段模型等2 1 1 .3 . 2人体发汗的热调节机理探索 生物传热模型的改进、 完善甚至提出一个新的更加符合物理真实的数学模型， 一 直是国内外学者们孜孜不倦的 研究方向之一，并且已 经获得了 一些较好的结果。 但截 至目 前，所有关于生物体热质传输的理论模型都还远未曾达到 “ 完美”的程度。对一 些人体特殊的热调节， 例如发汗等的详细的、科学的机制，人们还无法给出令人满意 的阐述。 事实上，当人体在环境温度较高、 环境湿度较大时， 会以 排汗的方式将体内的热 量散发到环境空间藉以 维持人体的正常温度2 3 , 2 4 1 。 由 于水分具有极大的 蒸发潜热， 因 此发汗可以有效地将体内产生的热量排散到环境空间。 本文在综合考虑皮肤层汗腺分 布的生理结构的前提下， 合理地认为皮肤层因为汗腺的存在使得皮肤在宏观上表现出 一种多孔性。 运用非饱和多孔介质的传热传质理论， 我们深入研究了隐性发汗的发生 机制以 及降 温机制. 探讨了环境温度、环境湿度、汗腺开放度等对发汗行为的影响。 丰富了 生物 传热学的内 容， 在一 定 程度上推进了 生 物传热 模型的 构建2 5 -28 1 本文对人体发汗行为的描述在很大程度上与我们的日常生活经验相吻合。 通过计 算， 发现在一定的高温环境下， 考虑人体发汗相变迁移的降温效应与不考虑发汗的情 形相比，皮肤表面的温度会低大约2 摄氏度。 1 3 3肿瘤的激光和微波热疗研究 肿瘤热疗是用加热治疗肿瘤的一种方法， 即利用有关物理能量在组织中沉淀而产 生热效应， 使肿瘤组织温度上升至有效治疗温度， 并维持一定时间，以 达到既可以 使 肿瘤缩小或消除， 又不 致损伤正常组织的目 的的一种治疗方法12 9 , 3 0 肿瘤热疗的应用由 来已久。升高体温治疗癌症的首次论文报导应该是 1 8 8 6年德 国 医 生b u s c h ， 他 报道一 例2 岁 儿童患 面部肿 瘤， 因 感 染病毒高 烧后肿 瘤消 失了 ( 有组 织 学 证实 ) ， 他的 报道引 起了 人们的 极 大兴 趣。 但由 于当 时 科学 技 术不发 达， 加 温方法 与设备简陋，使热疗的发展受到很大限制;加之进入 2 0世纪之后，x射线治疗及化 疗的相继问世，人们的注意力逐渐移向放疗和化疗。一直到上世纪七十年代，由于多 学科的介入与配合， 特别是热物理学、热生物学的不断深入研究，以及随着热疗合并 综合治疗的明显效果的不断报导，使得人们的注意力又回到热疗，并投入了更大的热 一-. . . . . . . . . . . . 口 . . . . . ， . 5 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 情对其进行广泛而深入的研究。 常见的外加能源包括有激光、微波、 超声等。 如何有效地加热肿瘤患区， 使之处 于 有效治 疗的 温度范围 ( 4 1 0 c - 4 5 0 c ) ， 并 尽可