皮肤组织光热效应的数值分析

1、皮肤组织光热效应的数值分析基金项目：河南省自然科学基金项目（12230041016），河南省教育厅自然科学发展计划项目（12B140019） 王莉华1，徐朝辉2，晁明举1作者简介：王莉华（1972-），女，硕士研究生，副教授，主要从事激光与物质相互作用方面的研究通信联系人：晁明举（1964-），男，博士，教授，博导，主要从事激光加工技术的研究. E-mail: chaomingju1.51.51.5School of Physics and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450000;School of Physics and Mecha

2、nical and Electrical Engineering ;School of Physics and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450000郑州大学物理工程学院，郑州 450000;周口师范学院物理与机电工程学院，周口 466001;郑州大学物理工程学院，郑州 450000466001;45000015838609052;1873884877915838609052南省周口市川汇区文昌路东段周口师范学院物理与机电工程学院;郑州市郑州大学物理工程学院86603143;86603143;chaoming

3、ju王莉华（1972-），女，硕士研究生，副教授，主要从事激光与物质相互作用方面的研究;晁明举（1964-），男，博士，教授，博导，主要从事激光加工技术的研究王莉华;徐朝辉;晁明举WANG Lihua;XU Zhaohui;CHAO Mingju晁明举河南省自然科学基金项目（12230041016），河南省教育厅自然科学发展计划项目（12B140019）1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.5|1|王莉华|WANG Lihua|郑州大学物理工程学院，郑州 450000|School of Physics and Engineering,Zhengzhou Uni

4、versity,Zhengzhou 450000|王莉华（1972-），女，硕士研究生，副教授，主要从事激光与物质相互作用方面的研究|河南省周口市川汇区文昌路东段周口师范学院物理与机电工程学院|466001|8660314315838609052<CR>|2|徐朝辉|XU Zhaohui|周口师范学院物理与机电工程学院，周口 466001|School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering |86603143|<CR>*|3|晁明举|CHAO Mingju|郑州大学物理工程学院

5、，郑州 450000|School of Physics and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450000|晁明举（1964-），男，博士，教授，博导，主要从事激光加工技术的研究|郑州市郑州大学物理工程学院|450000|chaomingju18738848779皮肤组织光热效应的数值分析|Numerical Analysis on photothermal Effect on Skin|河南省自然科学基金项目（12230041016），河南省教育厅自然科学发展计划项目（12B140019）（1. 郑州大学物理

6、工程学院，郑州 450000；2. 周口师范学院物理与机电工程学院，周口 466001）摘要：为了研究激光光束特性对人体皮肤组织光热效应产生的温度场的影响，基于Pennies传热方程，建立了皮肤组织的数值模型，采用有限元方法，模拟了高斯分布的激光辐照生物组织表面产生的温度变化。得到了激光光热效应中的温度的变化规律。研究发现当激光辐照时间较长时，增加辐照时间对温升效应的影响不大，而激光辐照时间比较短时，增加激光辐照时间对温升效应的影响比较明显；激光功率密度对皮肤表面附近温升效果比较明显，但在皮肤组织内部温升呈指数衰减，激光功率密度对温升效应影响不大，在距皮肤表面深度大于5mm处，激光功率密度对温

7、升不再产生影响。研究结果能够为激光热疗法的临床应用提供理论参考。关键词：医用光学；激光辐照；皮肤组织；温度场中图分类号：0439;R750Numerical Analysis on photothermal Effect on SkinWANG Lihua1, XU Zhaohui2, CHAO Mingju1(1. School of Physics and Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450000;2. School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering)Abstr

8、act: In order to study the influence of property of laser on temperature fields，Based on Pennesequation ,numerical Simulation model was established,the numerical Simulation of temperature fields of skin irradiated by laser of Gauaaian distribution was performed by using FEM. The temperature fields o

9、f photothermal effect was obtained. The results show that additional time of irradiation can develop the steep of temperatue rate of rise when the time of irradiation was enough short,if the irradiation time is enough long,it no effect on the temperature fields.The power density of laser has positiv

10、e effect on the rise of temperature at the surface of skin,but in the skin internal,the rise of temperature follows an exponentially attenuation law,the effect depth is 5mm.the results can provide theory reference for clinical application of photothermal moxibustion therapy.Key words: Medicaloptics，

11、Laser irradiating，Skin-tissue，Temperature Fields0 引言激光已被广泛应用于相当一部分疾病的临床治疗，并且收到了良好的治疗效果。激光疗法中其中大部分的应用涉及到了激光的热效应，如激光热疗法、激光针灸、凝结以及激光外科手术等。为了确保激光热治疗过程中的安全并提高治疗效率，对人体组织中的热传递和热损伤的准确分析非常重要。激光照射皮肤组织时产生的光热效应是激光热疗法的理论基础，激光剂量控制是激光热疗法理论研究的核心问题，目前虽然有关于激光与人体组织光热效应的一些研究成果1-4，但缺乏对激光剂量控制的定量分析。作者建立了人体皮肤组织的热传导数学模型，基于P

12、ennies方程，用有限元法分析了激光在组织模型中产生温度场的过程，考虑了血液灌输量对热传导效果的影响，分析了激光光束参数对温度场变化的影响以及影响光热转换效率的主要因素，研究结果能够为激光热疗法的临床应用以及激光热治疗仪的改进提供一定的理论参考。 2.模型的建立 皮肤是人体中面积最大，质量最重的组织，平均厚度约为4毫米，主要由表皮（Epidermis）、真皮（Dermis）和皮下组织等部分（Hypodermis）构成。根据皮肤组织结构的特点，采用了三层结构建立了光热模型，如图1。图1 皮肤组织三层结构模型表1所示为波长808nm的激光光束照射皮肤组织时各层的光热参数，其中a为组织的吸收系数，

13、s为组织的散射系数，为组织的密度，C为组织的比热，k为组织的热导率，Wb为组织的血液灌注量5-7。表1 模型的物理特性参数a（m-1）s（m-1）(kg/m3)C(J/kg.K)k(W/m.K)Wb(ml/1000ml.s)Epidermis42.5001850119035950.2430Dermis12.4301963109133550.4164.832Hypodermis8.28301066121122410.1964.832经典Pennis传热方程可以表示为： (1)（1）式中为组织密度，单位kg/m3，C为组织比热，单位J/kg·K，T为组织温度，单位，k为组织热导率，单位

14、W/m·K，S为激光光源功率密度，单位W/cm3，b为血液的密度，单位kg/m3，Cb为血液的比热，单位J/kg·K，Wb为血液的灌注率，单位ml/(1000ml·s)，Tart为动脉温度，单位，t为计算时间，单位s，S为光源项，单位W/m3，Qm为新陈代谢产生的能量。设三层组织（表皮，真皮，皮下组织）厚度Z1、Z2、Z3 ，吸收系数a1、a2、a3,散射系数s1、s2、s3，热源分布项s1、s2、s3如下式 8。 (2) (3) (4)式中R为皮肤表面的镜面反射率，r为测量点到光斑中心的距离,0为光斑半径。3. 模拟结果基于有限元法，计算区域大小（r×

15、z）为0.02m2,表皮层厚z1为0.0001m，网格大小（r×z）为0.000025×0.000005,真皮层和皮下层的厚度分别为z2=0.002m, z3=0.0179m,网格大小（r×z）为0.000025×0.000025m2，按照式（2）、（3）和（4）分别输入三层皮肤组织的光学参数，并取b=1060kg/m3,Cb=3360 J/kg·K8。激光器的额定功率为2w可变，光斑大小0可调,照射时间tp=180s。3.1 照射时间对组织温度变影响 通过图2（a，b）可以看出，表皮层表面中心处最大温度约升高了49.43，当光源即将撤离时（1

16、31s左右），温升效应停止。在开始的50s 内温升效应最明显，随着照射时间延长，温度上升速度明显减小。由于模拟过程中光源功率较低，虽然组织的血液灌注率较小，在这一过程中还是对的结果产生了影响，一直持续到光源撤离。（a）光源中心（b）皮肤表面图2. 激光照射皮肤组织时组织温度随时间的变化3.2组织不同位置温度的变化皮肤组织表面附近沿径向和光源中心沿轴向在t=131s时温度的变化如图3所示。可以看出，温度梯度在轴向上变化要小于径向上的变化。原因在于轴向和径向上温度变化分别由组织对激光的吸收率（吸收系数）和组织对激光的散射率（散射系数）所决定，吸收系数越大，径向吸热越迅速，温度升的越快，散射系数越大

17、，轴向上光子越容易被散射，激光功率衰减越迅速，温度梯度变化越大。研究表明，二氧化碳激光径向温度梯度比轴向温度梯度相比要大得多，故二氧化碳激光与皮肤组织作用时，深度和热效应都不明显，而半导体激光散射系数与吸收系数之间相差较小，能够到达皮肤组织较深的地方，同时也容易被皮肤吸收5-7。半导体激光是激光热治疗中的理想光源。图3. 131s时不同位置的最大温升3.3 激光功率对温度变化的影响 激光功率对温度变化的影响如图4 所示。由图看出，当光斑半径一定时，入射激光的功率增加到大约两倍时，皮肤表皮层表面光源中心处的温度也升高到大约原来的两倍，在表面以下，温度的升高速率以指数形式减小，轴向（Z）越大，温度

18、变化越不明显，在轴向5毫米以下，光源本身对组织温度的影响可以忽略不计。（a） 光源中心 （b）皮肤表面图4 激光功率对皮肤组织最大温升的影响3.4光斑大小对温度变化的影响 通过图5可以看出，当光斑从1毫米增加到1.5毫米时，温度升高的速率提高了 1.56 倍左右，表面中心处的最高温度分别为 44.4和 27.8。在临床治疗中，可以通过调节光斑的大小来迅速提高皮肤表面附近的温度，但在组织内部离表面比较远的地方，因温度衰减过快，故不能起到明显的治疗效果。 （a）光源中心 （b）皮肤表面图5. 光斑大小对皮肤组织温升的影响4.结论 本文建立了皮肤组织的三层结构光热转换的数学模型，用Pennies 方

19、程对皮肤组织表面和内部光热效应的分析，用有限元法分析了模型中的光热转换特性，初步得出了组织表面和内部光热效应引起的温度场的变化规律。在参考相关研究结果的基础上，考虑了血液灌注项Wb对光热转换效率的影响。研究结果表明，当用激光辐照人体皮肤组织时，组织温度会随辐照时间呈指数增长，撤离光源，温度又会以指数形式下降，说明生物组织在激光热效应过程中有一定保温特性，延长了光热效果在皮肤中作用的时间，而血液在流动过程中会带走一部分热量，使组织温度迅速下降，故激光热治疗的方法对血管交少的皮肤组织疗效比较显著。半导激光由于在皮肤中的吸收系数和散射系数相差不大，故可以到达组织内部5毫米的地方，对皮肤内部的热治疗可

20、以起到良好的效果，而吸收系数和散射系数相差比较大的激光如二氧化碳激光在进行皮肤表面的热治疗时能起到较好的治疗效果。在文献9中，作者设计了猪肝组织光热效应的实验，实验结果与本文所得结果具有相似之处，说明研究结果具有一定的科学性和参考价值。本文所建模型未考虑具体病变组织的参数，模拟结果尚未经过相应的实验验证，更加具体的研究结果有待于更加深入的研究。参考文献 (References)1 QIN JH，YU CX，TAN YH，et al. Difuse reflection on the acupuncture point under laser acupuncturewith diferent s

21、patial distributionJ. Laser Technology, 551-558 . 2 DING HF. Optical-thermal response research of skin tissueD.Shanghai:Shanghai Jiaotong Unversity, 2008：47-68.3 LI ZM, LUO QM. Physical Analysis on TissuesHeat and Heat-induced Injury for Laser IrradiationJ. Acta Laser Biology Sinica, 2012,30(2):81-8

22、4.4 A.Roggan, H.Albrecht, K.Dorschel, et al. Experimental set-up and Monte-Carlo model for thedetermination of optical tissue properties in the wavelength range 330-1100 nmJ.SPIE, 2011,33:21-36.5 C Rebecca Simpsonyz, Matthias Kohlyx, Matthias Essenpreisk et al. Near-infrared opticalproperties of vivo human skin and subcutaneous tissues measured using the Monte Carloinv