王振宇+何玲
[摘要] 意图 理论模仿及试验验证生物安排经高能激光照耀的热损害情况。办法 取两组鸡胸肌安排分别用直径为1000 μm与600 μm光纤的激光照耀，每组激光的功率均分别为40 W、60 W和80 W三种，做白腊切片HE染色后在显微镜下取得病理图片，丈量热损害各项参数（汽化、碳化及凝聚深度）并与理论模仿成果相比较。成果 建立了高能激光的热传导模型并运用matlab模仿了前列腺安排的温度散布，核算出80W的激光照耀1 s时碳化层、凝聚层及体温过高层的厚度分别为0.025 mm、0.120 mm及0.200 mm；病理切片显现了生物安排受激光照耀后碳化层与细胞增大层的细胞结构，丈量并将照耀时刻归一至1 s所得碳化层与细胞增大层的厚度分别为0.027 mm、0.265 mm（光纤直径1000 μm）及0.015 mm、0.172 mm（光纤直径600 μm）。定论 运用热传导模型模仿生物安排的热损害情况与病理切片相共同，猜测的碳化层厚度与试验成果相吻合，模仿的成果具有较高的临床价值。
[关键词] 激光；热效应；热损害；生物安排
[中图分类号] R318.51 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2014）24-0004-03
激光能够通过光导纤维精确地传入人体将病变安排切除、汽化或凝聚，而且对周围正常安排损害很小，在医治良性前列腺增生等疾病中得到广泛运用[1]。临床运用中需求正确操控激光的功率及医治时刻，否则会导致医治效果欠安及添加正常安排的损害。
生物安排受激光照耀后会发作不同程度的热效应和热损害，如凝聚、汽化和碳化等[2]。本文旨在通过生物安排的热效应理论模型，核算并模仿经高能激光照耀的生物安排内的瞬时温度散布，并通过试验办法研讨生物安排热损害的特色以及验证理论推导的正确性。
1 目标与办法
1.1 研讨目标
为研讨前列腺安排中激光发作的热损害，试验资料选用与前列腺安排密度附近的鸡胸肌安排。试验仪器为南边医科大学医疗仪器研讨所研发的长脉冲YAG激光医治仪，均匀功率0～80 W接连可调，峰值功率可达1000 W[3]。激光传输选用国际标准光学纤维，内径分别为600 μm和1000 μm。
1.2 理论核算
激光首要通过热相互效果将能量传递到生物安排并发作必定的生物学效应，热相互效果包含热发作、热传输及热效应。激光被生物安排吸收而发作的热能可由下式给出[3-5]：
其间，z代表光轴，r代表某点到光轴的间隔， I（r，z，t）为激光在圆柱形坐标系内t时刻的强度，μt为激光衰减系数，ω（z）为光束的腰部，ω（z）=ω0exp（-0.5μtz）。
热传输能够根据经典Pennes生物传热方程[6，7]：
这儿，ρ，C，K分别为安排的密度、比热容量和热导率。
热效应能够用Arrhenius方程[4-8]描绘，温度在37℃～42℃时，调查不到生物安排有显着的改动；在大约42℃～50℃内，因为分子构成的改动，生物安排会发作化学键的损坏和膜的改动，被称为体温过高；超越50℃时，酶活性显着地削弱，细胞内传递的能量相应地削减，导致细胞固定；在60℃时，蛋白质和胶原蛋白发作变性效果，安排凝聚和细胞坏死就会发作；100℃时，安排中的水分子开端汽化，然后引起安排碎片的机械决裂与热分化；当一切的水分子都被汽化，温度才会持续升高，超越100℃时就会发作碳化效果，周围安排变黑并冒烟；温度高于300℃时，生物安排会发作熔融[3]。
1.3 试验办法
取两组鸡胸肌安排分别用直径为1000 μm与600 μm光纤的激光照耀，每组中激光的功率均分为40 W、60 W和80 W三种。操控光纤与鸡胸肌安排间隔约1 mm左右，在冷却水下匀速移动光纤照耀。照耀后的鸡胸肌安排放入4%多聚甲醛固定液进行固定，然后送病理做白腊切片苏木精-伊红（hematoxylin and eosin， HE）染色[2]。在4倍光学显微镜下获取病理切片的图画，运用Image-pro Plus丈量如图1所示的各项数据，其间L、D分别为汽化区域宽度与深度，L1为碳化层厚度，L2、L3分别为横向和纵向细胞增大区域厚度，本试验中因为安排的凝聚区域与体温过高区域难以做到定量区别，故将细胞面积超越（1200 μm2）界说为细胞增大[3]，因而L2、L3并不代表凝聚层厚度。
2 成果
2.1 前列腺安排的模仿温度散布
前列腺的光学参数可查得[3，4]，吸收系数μα=0.4 cm-1，散射系数μs=110 cm-1，μt=110 cm-1，均匀散射角g=0.96，R=0.20，近似密度ρ=1.07 g/cm3，含水量η=70%，比热容量C=3.38 kJ/（kg·K），热导率K=0.43 W/（mK），温度传导率α=1.19×10-7 m2/s。
经激光照耀的生物安排内热量随时刻而分散的温度散布可由方程（2）的齐次部分求解得到[9，10]：式中，χ2=r2+z2，Q是积分常数。
由此可知，当时刻t趋近于0时，温度散布函数T（r，z，t）挨近于∞。图2显现了时刻t分别在1～20 s时的温度散布曲线。
在间隔辐射点中心方位不一起温度随时刻的分散情况如图3所示，在间隔辐射点中心0.5 cm处，生物安排的温度几乎没有改动，阐明在必定的区域之外热量不再分散。
通过生物安排的温度散布能够近似模仿生物安排的热损害情况，如图4所示，分别为能量为80 W的激光照耀生物安排1、2和5 s后的近似温度散布，其间白色区域为生物安排被汽化后的空穴，赤色表明温度超越100℃时构成的碳化区域，浅蓝色表明温度在60℃～100℃、为不行康复的热损害即凝聚坏死区域，绿色表明温度为42℃～60℃，即体温过高区域。表1中列出了安排热损害的近似数据。
2.2 试验成果
鸡胸肌安排经光纤直径分别为1000 μm与600 μm，功率分别为40 W、60 W和80 W的激光照耀，并经HE染色后在4倍光学显微镜下的病理切片见图5。
因为人为操作的不稳定性，试验过程中的实践照耀时刻各不相同，能量较高时激光开释的热量多，切开速度快，照耀时刻变短，因而图中激光功率为80 W时照耀时刻相对较短，切除安排的深度也相对较少。表2列出了照耀时刻经归一化为1s后生物安排热损害情况，跟着激光能量的添加，碳化层厚度减小；选用芯径较小的光纤（600 μm）进行医治时，生物安排的碳化情况显着优于芯径较大的光纤（1000 μm）[3]。其间60 W功率，600 μm光纤照耀条件下，安排被损坏，无法丈量其碳化情况。
3 评论
本文中选用的理论模型疏忽了因血液活动和推陈出新等生物活动引起的热交换，以及因为生物安排碳化而导致其安排结构发作改动对热传递带来的影响等要素，而且因为水分子汽化带走部分热量，这些要素均会影响生物安排内温度的实践散布。
试验中运用的鸡胸肌安排尽管密度与前列腺安排挨近，但其解剖结构及细胞类型均相差较大。而且激光照耀过程中人为操作的影响较大，在不同的能量下光纤移动速度不同以及在移动过程中光纤与安排间隔不确定，导致HE染色后的病理切片可比性下降，图5中并不能很明晰地比照不同能量下激光的切开深度、碳化层深度以及凝聚层的细胞改动情况。
用4%多聚甲醛固定前，鸡胸肌安排被人为操作所拉扯、损坏，导致照耀的宽度与深度发作较大改动，表2为照耀时刻通过归一化的生物安排热损害情况，但在归一的过程中又采取了多项近似值，导致该表中数据不能肯定代表现实情况。尽管如此，本研讨的模仿成果可作为临床及根底科学研讨的参阅数据，而且试验所得出的数据与理论核算比较挨近，根据方程（3）所得出的高能激光温度与时刻的改动曲线具有较高的临床参阅价值，而且据此模仿的生物安排热损害情况与病理切片根本共同。
[参阅文献]
[1] Rieken M， Bachmann A. Thermal lasers in urology[J]. Medical Laser Application， 2010， 25（1）： 20-26.
[2] Sajjadi A Y， Mitra K， Grace M. Expression of heat shock proteins 70 and 47 in tissues following short-pulse laser irradiation： Assessment of thermal damage and healing[J]. Medical Engineering & Physics，2013，35（10）：1406-1414.
[3] 王振宇. 长脉冲YAG激光医治仪的研发[D]. 南边医科大学， 2008.
[4] Niemz M H. Laser-tissue interactions： Fundamentals and applications[M]. Springer， 2007.
[5] 李小霞， 范世福， 赵友全. 激光效果下生物安排光热效应的研讨情况[J]. 分析仪器， 2003，（3）：44-48.
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[7] 王辉， 吴建国. 生物传热学及其医学运用[J]. 同济大学学报（医学版）， 2004， 25（2）： 159-162.
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[9] Dua R， Chakraborty S. A novel modeling and simulation technique of photo-thermal interactions between lasers and living biological tissues undergoing multiple changes in phase[J]. Computers in Biology and Medicine， 2005， 35（5）： 447-462.
[10] 赵友全，范世福，李小霞. 生物安排光热传输和热损害研讨[J]. 我国激光， 2004， 31（5）：631-634.
（收稿日期：2014-05-27）
2.2 试验成果
鸡胸肌安排经光纤直径分别为1000 μm与600 μm，功率分别为40 W、60 W和80 W的激光照耀，并经HE染色后在4倍光学显微镜下的病理切片见图5。
因为人为操作的不稳定性，试验过程中的实践照耀时刻各不相同，能量较高时激光开释的热量多，切开速度快，照耀时刻变短，因而图中激光功率为80 W时照耀时刻相对较短，切除安排的深度也相对较少。表2列出了照耀时刻经归一化为1s后生物安排热损害情况，跟着激光能量的添加，碳化层厚度减小；选用芯径较小的光纤（600 μm）进行医治时，生物安排的碳化情况显着优于芯径较大的光纤（1000 μm）[3]。其间60 W功率，600 μm光纤照耀条件下，安排被损坏，无法丈量其碳化情况。
3 评论
本文中选用的理论模型疏忽了因血液活动和推陈出新等生物活动引起的热交换，以及因为生物安排碳化而导致其安排结构发作改动对热传递带来的影响等要素，而且因为水分子汽化带走部分热量，这些要素均会影响生物安排内温度的实践散布。
试验中运用的鸡胸肌安排尽管密度与前列腺安排挨近，但其解剖结构及细胞类型均相差较大。而且激光照耀过程中人为操作的影响较大，在不同的能量下光纤移动速度不同以及在移动过程中光纤与安排间隔不确定，导致HE染色后的病理切片可比性下降，图5中并不能很明晰地比照不同能量下激光的切开深度、碳化层深度以及凝聚层的细胞改动情况。
用4%多聚甲醛固定前，鸡胸肌安排被人为操作所拉扯、损坏，导致照耀的宽度与深度发作较大改动，表2为照耀时刻通过归一化的生物安排热损害情况，但在归一的过程中又采取了多项近似值，导致该表中数据不能肯定代表现实情况。尽管如此，本研讨的模仿成果可作为临床及根底科学研讨的参阅数据，而且试验所得出的数据与理论核算比较挨近，根据方程（3）所得出的高能激光温度与时刻的改动曲线具有较高的临床参阅价值，而且据此模仿的生物安排热损害情况与病理切片根本共同。
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[10] 赵友全，范世福，李小霞. 生物安排光热传输和热损害研讨[J]. 我国激光， 2004， 31（5）：631-634.
（收稿日期：2014-05-27）
2.2 试验成果
鸡胸肌安排经光纤直径分别为1000 μm与600 μm，功率分别为40 W、60 W和80 W的激光照耀，并经HE染色后在4倍光学显微镜下的病理切片见图5。
因为人为操作的不稳定性，试验过程中的实践照耀时刻各不相同，能量较高时激光开释的热量多，切开速度快，照耀时刻变短，因而图中激光功率为80 W时照耀时刻相对较短，切除安排的深度也相对较少。表2列出了照耀时刻经归一化为1s后生物安排热损害情况，跟着激光能量的添加，碳化层厚度减小；选用芯径较小的光纤（600 μm）进行医治时，生物安排的碳化情况显着优于芯径较大的光纤（1000 μm）[3]。其间60 W功率，600 μm光纤照耀条件下，安排被损坏，无法丈量其碳化情况。
3 评论
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试验中运用的鸡胸肌安排尽管密度与前列腺安排挨近，但其解剖结构及细胞类型均相差较大。而且激光照耀过程中人为操作的影响较大，在不同的能量下光纤移动速度不同以及在移动过程中光纤与安排间隔不确定，导致HE染色后的病理切片可比性下降，图5中并不能很明晰地比照不同能量下激光的切开深度、碳化层深度以及凝聚层的细胞改动情况。
用4%多聚甲醛固定前，鸡胸肌安排被人为操作所拉扯、损坏，导致照耀的宽度与深度发作较大改动，表2为照耀时刻通过归一化的生物安排热损害情况，但在归一的过程中又采取了多项近似值，导致该表中数据不能肯定代表现实情况。尽管如此，本研讨的模仿成果可作为临床及根底科学研讨的参阅数据，而且试验所得出的数据与理论核算比较挨近，根据方程（3）所得出的高能激光温度与时刻的改动曲线具有较高的临床参阅价值，而且据此模仿的生物安排热损害情况与病理切片根本共同。
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[10] 赵友全，范世福，李小霞. 生物安排光热传输和热损害研讨[J]. 我国激光， 2004， 31（5）：631-634.
（收稿日期：2014-05-27）
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