考虑温度依赖性特性的脉冲激光辐照生物组织热分析及其在热疗优化中的意义

《Journal of Thermal Biology》：Thermal analysis of biological tissue under pulsed laser irradiation accounting for temperature-dependent properties

本文针对脉冲激光辐照下生物组织的热响应问题，创新性地提出了结合温度依赖性热物性参数的双相滞后（DPL）生物热传导模型，采用拉普拉斯变换与Stehfest数值反演技术获得半解析解，并通过有限差分法验证了模型的准确性。研究系统揭示了温度依赖性参数、血液灌注率及代谢生热在不同相位滞后机制下对温度分布的影响，为优化热疗方案（如肿瘤消融）提供了关键理论依据。

　　

Highlight

物理模型

各向同性生物组织样本厚度为 L，其上表面受脉冲激光照射，下表面为绝热边界。初始温度假设为恒定值 T₀，忽略与周围环境的对流换热效应。基于双相滞后（DPL）生物热传导理论，常物性下的控制方程可表述为（Xu et al., 2008）：

验证解的有效性

鉴于当前文献中缺乏关于变物性生物热传导问题的实验数据，本研究采用基于有限差分法的数值解来验证所提出的半解析解的有效性。利用显式有限差分格式对控制方程（15）进行离散化（Wang et al., 2023; Zhang et al., 2024）：

[差分格式表达式]

其中，

[参数说明]

计算所需的相关数值，包括样本的物理参数……

结论

本研究对脉冲激光辐照下具有温度依赖性物理参数的生物组织热响应进行了系统分析。通过拉普拉斯变换技术，我们在变换域中推导出了包含温度依赖性热参数、血液灌注率和代谢生热的组织温度精确解，并应用Stehfest数值反演方法获取了时空温度分布。