红外热成像技术揭示凝胶模型中低温冷冻过程的表面与深度热场动态及其在生物组织冷冻消融中的应用价值

本研究通过开发多通道测量系统，结合红外热成像(IRT)与凝胶模型，首次实现冷冻手术中表面温度场与深部冰区动态的同步监测。研究发现模拟血管存在时表面热场呈现"蝶翼形"变形，数值计算验证了冷冻区与热等温线的演化规律，为临床评估冷冻强度和时间提供量化依据，推动冷冻手术精准化发展。

　　

冷冻手术作为微创治疗技术，在皮肤良恶性肿瘤治疗中展现出独特优势，但其核心难题在于难以实时监控冷冻区域的三维扩展和温度分布。传统依赖肉眼观察或触诊的方法缺乏可靠性，而现有影像学监测手段各有局限。更复杂的是，血管系统的存在会显著改变热传导模式，使得临床难以准确预测冷冻边界。这些瓶颈严重制约着冷冻疗法的精准应用。

乌克兰国家研究基金会支持的研究团队在《Cryobiology》发表创新成果，通过构建5%明胶水凝胶模型，结合红外热像仪(IRT)与多通道温度监测系统，首次实现冷冻过程中表面热场与深部冰区演变的同步可视化。研究特别设计血管模拟模块，发现当模拟血管位于低温暴露区时，表面热等温线会形成特征性的"蝶翼形"分布。该发现通过数值计算获得验证，为临床冷冻手术提供重要的量化参考标准。

关键技术方法包括：1)建立5%明胶水凝胶模型模拟生物组织；2)开发集成红外热成像、视频记录和多点温度探测的测量系统；3)设计可调节血流参数的模拟血管模块；4)采用数值计算方法验证实验结果。实验在(20±2)°C环境温度下进行，通过控制低温暴露参数记录冷冻/解冻全过程。

【Object of study】
采用5%明胶水凝胶作为实验对象，其光学透明性和热力学稳定性允许同时观察表面和深部相变过程。预处理包括2小时室温溶胀和60°C均质化处理，确保模型与生物组织具有可比性。

【Measuring setup】
自主研制的多通道系统实现三大功能同步：红外热像仪记录表面温度分布，高速摄像捕捉冰区形态变化，微型温度传感器矩阵监测深部温度梯度。系统特别集成可编程血流模拟装置，能精确控制模拟血管的流速和温度。

【Freezing of hydrogel under low-temperature exposure】
实验显示冷冻初期即形成立体冰核，表面呈圆形冰斑。无血管干扰时，热等温线保持同心圆分布；引入模拟血管后，-20°C等温线变形为双极结构，证实血流显著影响热场分布。深度测温表明血管周围存在明显的温度梯度突变。

【Conclusions】

1. 所开发系统能有效模拟生物组织冷冻过程，特别适用于研究血管对冷冻区扩展的影响；2.首次证实表面热成像特征可反映深部血管分布，蝶翼形等温线可作为判断血管位置的标志；3.数值模型验证了实验数据的可靠性，建立表面观测与深部冷冻边界的关联规律。

该研究突破性地将热成像技术从二维表面监测拓展至三维冷冻预测，其创新测量系统为优化冷冻手术参数提供实验平台。发现血管导致的特征性热场变形模式，为临床判断冷冻边界提供新依据，对提高肿瘤冷冻消融的精确性和安全性具有重要价值。未来可进一步研究不同血管构型对冷冻形态的影响，推动个体化冷冻治疗方案的发展。