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范文一：光热效应机理与医学应用
第22卷第3期 咸 宁 师 专 学 报 Vol. 22, N o. 32002年6月 Jour nal of Xianning Teacher s College Jun. 2002文章编号:1006-5342(2002) 03-0033-04
光热效应机理与医学应用
李忠明1, 李红贤2
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(11咸宁师范高等专科学校 物理系, 湖北 咸宁 437005; 21广西供销学校, 广西 南宁 530021)
摘 要:介绍了激光与生物组织相互作用的基本内容, 详细分析和讨论了激光与生物热作用效应与医学应用以及激光生物组织热作用过程和机理, 并对热效应作了定量描述1关键词:激光; 生物组织; 热效应; 作用机理中图分类号:R318151 文献标识码:A 0 引言
激光与生物组织作用过程和机理的研究是激光生命科学领域的中心问题1随着激光医学的发展以及激光在各个领域应用的不断深入, 光热、光化学、光机械、光声等激光与生物组织的相互作用的基本原理及应用研究就显得特别重要, 并吸引了一大批相关领域专家的关注和参与1从相关国际会议的议题及讨论热点可以看出[1~4], 激光与生物组织相互作用的基本原理及应用研究仍是当前的研究热点1通过多年的研究, 人们已经了解到激光对生物体的作用主要表现为刺激、抑制、损伤及诱变等效应1然而激光与生物作用机
[5~10]
制目前仍不是很清楚, 这严重阻碍了激光在医学中广泛应用和激光医学的发展1激光与生物组织的作用、光子在活体组织中传输、激光理疗针灸作用机理等都值得进一步研究, 其成果越来越显示出重要的指导意义和应用价值1本文首先讨论激光与生物组织作用的基本内容, 并对激光与生物组织热作用效应与医学应用, 以及激光) ) ) 生物组织作用过程与机理进行详细分析和讨论1
1 激光与生物组织作用内容[11~16]
激光照射生物组织时, 由于空气和生物组织表面折射率的不匹配, 垂直入射的激光通常有大约5%的光被反射, 而其余的光透入组织并经过吸收和多次散射等过程1激光与生物组织相互作用的基本模式如图1所示1直接反射的光除因光子动量改变对被作用组织表面施以力的作用外,
一般不会产生光生物效应1光在组织中的散射和吸收取决于激光波长和组织的光学特性1如紫外波长对应的ArK (193nm) , KrF (248nm) , XeCl (308nm)1激光和红外波长对应的Er:Y AG (2194L m) , C O 2(1016L m) 1激光在脉管组织中被高度吸收, 具有这些波长的激光对生物组织的作用主要是吸收, 散射相对于吸收并不显著; 而对于波长在450nm 到590nm 范围的激光(如氩离子激光) , 吸收和散射都占有重要的地位, 在590nm 到115L m 波段, 散射相对于吸收占主导地位1光在生物组织中传输以及组织对激光的吸收等都与激光的参数和组织的性质有关, 利用激光进行生物学或医学临床研究, 主要是利用组织对激光的吸收作用, 因此, 应用前应了解诸如波长、模式、功率密度、能量密度、照射时间、聚集程度和靶面积等激光参数, 以及生物组织特性1其中包括生物组织的机械性能, 如组织密度和弹性等; 热学性能, 如组织的比热、热导率、热扩散率、热传导系数等; 电学性能, 如组织的阻抗及其极化率等; 光学性能, 如组织的反射率、折射率、吸收率和散射等; 声学性能, 如声阻和声吸收率等; 生物学特性, 如组织的含水量、色素的类型、分布和密度、血管分布、血量和血速、组织诸层状结构等1此外还要了解生物细胞的分化程度、分裂速度、代谢状态等机体状态1可见, 激光与生物组织相互作用涉及生物组织中激光传输的基本规律及其与生物组织光学特性、组织生理状态之间的关系, 生物分子吸收激光能量后, 在生物系
1收稿日期:2002-01-11
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咸宁师专学报 第22卷
阿里纽斯方程所描述的那样坏死; 温度超过50e 时, 可观察到酶活性明显地减弱, 导致细胞固定, 而且细胞的某些修复性机理也被损坏; 在60e 时, 蛋白质和胶蛋白发生变性, 而导致组织的凝结和细胞的坏死, 相应在宏观上可见组织变暗; 若温度高于80e , 膜的通透性急剧提高; 在100e 时, 大多数组织中的水分子开始汽化, 出现气泡, 从而引起组织的机械破裂和热分解; 当高于150e 时, 碳化发生, 可见邻近组织变黑且冒烟; 当温度高于300e 时, 组织出现熔化1可见, 生物组织的热效应与其局部的温升密切相关1在医学上, 通过改变激光参数来调节组织温升, 控制激光热作用效应, 从而达到医用的目的1如激光理疗、针灸, 使用低能量激光将温度控制在37e ~45e 之间; 激光诱导间质热疗法所需要的温度刚好超过60e ; 中心汽化边缘热杀的激光治癌法中, 用光导纤维将激光注入肿瘤, 肿瘤细胞将吸收激光能量变热, 选择合适的激光能量和照射时间, 使肿瘤中心温度为100e , 边缘温度达到43e , 则肿瘤边缘细胞被热杀, 中心被汽化, 残存物用抽吸法排出体外, 从而达到治癌的目的; 激光手术要使组织温度高于100e 而激光组织焊接要使组织温度高于300e 1所以, 在医学中, 热相互作用应用的主要思想就是选择合适的光能量和照射时间, 使生物组织达到特定的温度, 使其导致预期的热效应1典型的激光器有:CO 2, Nd:YA G, Er:Y AG, Ho:Y AG, 氩离子激光和二极管激光等1典型脉冲持续时间为1L s~1min, 典型激光功率密度为10~106W/cm 21212 激光热作用的机理分析
激光是一种光, 它的能量高1从能量的角度来看, 当激光作用于生物组织时, 生物分子吸收入射到组织中的光子能量, 其振动和转动加剧, 即激光光子能量转化为生物分子的动能1分子振动动能即为通常意义上的热能1这部分热能先储存在直接受照射的生物组织中, 然后逐渐传递给周围组织, 或以热辐射的形式辐射出去1生物组织的导热性能差, 热扩散速度很慢, 当能量密度很大的脉冲激光作用于生物组织局部时, 分子在短时间内获得大量能量, 来不及立刻传递出去, 分子的动能急剧增加, 温度迅速上升1要精确地定量计算激光作用时生物组织的温升是十分困难的, 但在某些条件下, 可以近似得出定量结果1如假设生物体的热学参数不随温度而变, 且生物体为均匀的和各向同性的, 并假定激光作用于组织时其光能瞬时变为热能且迅速达到局部平衡, 统内所产生的一系列光物理和光化学过程、反应以及在激光作用下生物组织病理生理状态的物理表征等基本内容
1
图1 激光与生物组织相互作用原理
激光与生物组织作用形式多样, 其相互作用机理也各不相同1根据构成生物组织的分子和原子对激光能量的吸收和转化, 可将激光与生物组织的相互作用分为光化作用、光热作用、光蚀除作用、等离子体诱导蚀除作用和光致破裂作用等五类; 根据激光作用生物组织所产生的宏观效应, 又可把激光与生物组织作用分为热作用、光化作用、机械作用、电磁场作用、生物刺激作用1激光诱导生物组织产生荧光的过程, 实际上和热作用、光化作用以及生物刺激作用一样, 都是生物组织吸收入射光子后发生光生物效应的结果, 也可以看成是激光与生物组织作用的基本过程1下面仅分析激光与生物组织的热相互作用, 并讨论其在医学中的应用1
2 激光与组织热作用效应及机理分析211 激光热作用效应及医学应用
激光热作用代表了一大类相互作用类型, 其宏观效应就是被作用的生物组织温度升高1具体表现是:热对生物细胞的热杀、组织的热敷、热凝、切开、汽化、热化反应和热至压强等1那么激光作用于组织, 其热效应究竟表现为何种形式, 则取决于激光的参数, 生物组织特性, 以及生物体机体状态1
生物细胞只能在适宜的温度下生存1当温度上升即使不太高时, 只要持续时间稍长, 酶也将失去活性, 蛋白变性, 从而使细胞或组织受伤甚至死亡; 如果温度上升较高, 即使时间不长, 也能大大降低一些酶的活性, 待温度恢复正常时, 其原有的活性也只能得到部分的恢复1所以, 组织的破坏是激光作用时间和组织温升的函数1就其温升来说, 当温升超过体温, 又在45e 以下时, 只会出现温热感, 重者会出现红斑; 温升在45e ~50e 内, 称为体温过高1如果这样的体温
第3期 李忠明 李红贤 光热效应机理与医学应用L d I -L dx
+=0(1) K pC 9t K
其中, T 为组织中某点相对皮温的温升, K 为组织的热导率, Q 为组织密度, C 为其比热, L d 为组织的吸收系数, I 为入射激光的功率密度1由此方程可求得不同功率密度激光作用时, 组织表面温升和激光照射时间等关系1图2为在一维情况下, 根据方程(1) 所求得的不同功率密度激光作用时, 组织表面温升与激光照射时间的关系1虽然只是近似的理论计算结果, 但在激光医学应用中对激光参数的选择具有指导意义1如果考虑到组织的代谢产热, 血液灌注、对流等散热的影响, 则可用Pennes 传热模型加以描述[17]
1
2 ¨T -
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图2 组织温升与激光作用时间的关系
从电磁学角度来看, 激光也是一种电磁波, 其电场强度E 和功率密度I 的关系为:E =27141当聚集Q 开关或锁膜脉冲激光器的功率密度为109~1015W/cm 2, 其电场强度可高达106~9
10V/c m 1所以, 当激光照射人体组织时, 相当于将人体置于强大的电场中1而人体类似于电介质电容器1电介质中整个分子呈中性, 但中性分子的电荷分布不均衡1正负电荷的电中心重合的为非极性分子, 正负电荷的中心不重合的为极性分子1在电场作用下, 非级性分子的正负电荷分别朝相反方向运动, 使分子发生极化, 被极化的分子在电场作用下将重新排列, 在重排过程中与周围分子(粒子) 发生碰撞磨擦而产生大量的热1机体内电介质溶液的离子受到电场作用发生移动, 当频率很高时, 将在其平衡位置振动, 也能使电介质变热1对于低能量激光作用生物组织时, 对生物组织产生刺激作用1细胞受激兴奋将会使膜电阻减少, 于是产生大量离子跨膜通透而形成电流, 将在/谐振回路0中产生热量1此外, 机体内某些成分如体液为导体, 在不同程度上具有闭, 导致生热1这些热的宏观体现就是使组织的温度升高1电磁场对生物组织所产生的热可通过下列方式作近似计算:
在弱激光刺激作用下, 细胞膜受激兴奋产生动作电位, 使细胞膜电阻迅速下降, 瞬时有大量离子跨膜通透形成电流, 假设流过细胞膜的平均电流为I m , 流过R i 和R 0的平均电流为I , 则它们分别在细胞膜电阻R m 和纵向电阻R i 、R 0上产生热量为:
2
Q =I 2(R i +R 0) t (2) m R m t +I
在稳恒电场作用下, 体液中的正、负离子将分别向异性电极移动, 并在移动中遇到阻力, 从而使部分电能转化为热能放出热, 这一热作用服从焦耳定律1即:
Q =I 2Rt (3) 其中, Q 为热量, I 为电流, R 为皮肤、脂肪、血液、肌肉、骨和腱等的等效电阻, t 为通电时间1在交变电场作用所产生的热为:
q =j 2222t (4)
4R +f E
其中, q 为单位体积的生热量, f 为电场变化频率, j 为电流密度, E 、R 分别为组织的介电常数和导电率1
磁场对生物体的热作用是通过磁强变化率引起的, 如涡流生热1涡流产生的热量Q 由下式给出:
Q =k f 2L 2G 2R -1t (5) 其中, K 为比例系数, f 为磁场变化频率1可见, 高频磁场所产生的热与频率的平方成正比与电阻成反比1由于人体内血液、肌肉和脉管组织的电阻小于脂肪, 所以, 它们的生热多于脂肪, 即高频磁场主要生热于肌肉或电阻小的组织1
应当说明的是, 激光与生物组织的热作用效应也有其不利的一面1如100W 的CO 2激光手术时, 在照射瞬间光点温度在200e 以上, 受照射组织发生汽化和炭化, 而距切割边缘015cm 处组织的温度为41~43e , 这足以引起细胞蛋白质组分的凝固变性或热分解损伤切口周围的细胞和组织1另外, 在激光治癌中, 应注意因激光热效应引起的汽化压力形成的二次压强1激光聚集照射时会在瞬间使局部组织出现高热和急剧温升, 引起组织蒸发、膨胀和汽化, 局部体积剧增, 从而使细胞和组织内部的压强迅速增加, 引起微型爆炸1这种由蒸气团产生的瞬时压强称为二次压强, 它的破坏力很强, 尤其是在组织内部发生时其危险性更大, 它可以轻易地将组织撕裂1由二次压
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咸宁师专学报 第22卷
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The Thermal Effect Mechanism and the Medical Applications
of Lasers Interaction with Bio -tissue
LI Zhong -ming 1, LI Hong -xia n 2
(1. Department of Physics, Xianning Teachers College, Xianning 437005, China; 2. Guangxi Supply and M arketing School, Nanning 530021, China)
Abstract:In this paper , the basic content of laser interaction with tissue was introduced, and the thermal in 2teraction and ef fect of mechanism of between laser and bio-tissue were systematically and deeply discussed. The chinical application of laser biology effects were also presented.
Key words:laser; bio-tissue; thermal eff ects; interaction mechanism
范文二：光热效应机理与医学应用
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! 光热效应机理与医学应用
!( 李忠明，李红贤
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摘 要:介绍了激光与生物组织相互作用的基本内容，详细分析和讨论了激光与生物热作用效应与医学应用以及激光生物组织热作用过程和机理，并对热效应作了定量描述 )
关键词:激光;生物组织;热效应;作用机理
中图分类号:+&!, ) %! 文献标识码:-
" 引言) 光在组织中的散射 和 一般不会产生光生物效应
激光与生物组织作用过程和机理的研究是激 吸收取决于激光波长和组织的光学特性 如紫外 ) 光生命科学领域的中心问题 随着激光医学的发 ) )，)， 对 应 的 ( ( 01 2&34105(346789 -!’,波长展以及激光在各个领域应用的不断深入，光热、 激光和红外波长对应的(&",34 ) ) :0: ;-< 光化学、光机械、光声等激光与生物组织的相互="" ((="" )="" 2’4)，8="(!"" )="" #4)="" )="" 激光在脉管组织中被="" (""作用的基本原理及应用研究就显得特别重要，并="" 高度吸收，具有这些波长的激光对生物组织的作="" 吸引了一大批相关领域专家的关注和参与="" 从相="" )="" ,!="" .="" ’,用主要是吸收，散射相对于吸收并不显著;而对="" ，激="" 关国际会议的议题及讨论热点可以看出于波长在="" 到="" 范围的激光(如氩离子="" ’%"34="" %2"34="" 光与生物组织相互作用的基本原理及应用研究仍="" 激光)，吸收和散射都占有重要的地位，在="" %2"34="" 是当前的研究热点="" 通过多年的研究，人们已经="" )="" 光波段，散射相对于吸收占主导地位="" !="" )="" %4="" )="" 到"了解到激光对生物体的作用主要表现为刺激、抑="" 在生物组织中传输以及组织对激光的吸收等都与="" 制、损伤及诱变等效应="" 然而激光与生物作用机="" )="" ,%="" .="" !",，这严重阻碍了激光在="" 激光的参数和组织的性质有关，利用激光进行生="" 制目前仍不是很清楚医学中广泛应用和激光医学的发展="" 激光与生物="" )="" 物学或医学临床研究，主要是利用组织对激光的="">
组织的作用、光子在活体组织中传输、激光理疗 吸收作用，因此，应用前应了解诸如波长、模式、 针灸作用机理等都值得进一步研究，其成果越来 越显示出重要的指导意义和应用价值 本文首先 ) 功率密度、能量密度、照射时间、聚集程度和靶面积等激光参数，以及生物组织特性 其中包括 ) 讨论激光与生物组织作用的基本内容，并对激光 生物组织的机械性能，如组织密度和弹性等;热与生物组织热作用效应与医学应用，以及激光学性能，如组织的比热、热导率、热扩散率、热 ———生物组织作用过程与机理进行详细分析和讨
传导系数等;电学性能，如组织的阻抗及其极化 论 )
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收率和散射等;声学性能，如声阻和声吸收率等;
,,!! . !#生物学特性，如组织的含水量、色素的类型、分 激光与生物组织作用内容! 激光照射生物组织时，由于空气和生物组织 布和密度、血管分布、血量和血速、组织诸层状结构等 此外还要了解生物细胞的分化程度、分 ) 表面折射率的不匹配，垂直入射的激光通常有大裂速度、代谢状态等机体状态 可见，激光与生) 约 的光被反射，而其余的光透入组织并经过 % / 物组织相互作用涉及生物组织中激光传输的基本
吸收和多次散射等过程 激光与生物组织相互作 ) 规律及其与生物组织光学特性、组织生理状态之 用的基本模式如图 所示 直接反射的光除因光! ) 间的关系，生物分子吸收激光能量后，在生物系 子动量改变对被作用组织表面施以力的作用外，
收稿日期:(""( $ "! $ !! ! 万方数据基金项目:湖北省教育厅自然科学基金资助青年项目((""!>’%""!)
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% 统内所产生的一系列光物理和光化学过程、反应阿里纽斯方程所描述的那样坏死;温度超过 (& 时，可观察到酶活性明显地减弱，导致细胞固定，以及在激光作用下生物组织病理生理状态的物理
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相互作用应用的主要思想就是选择合适的光能量 组织吸收入射光子后发生光生物效应的结果，也 可以看成是激光与生物组织作用的基本过程 下 ! 和照射时间，使生物组织达到特定的温度，使其 导致预期的热效应 典型的激光器有:，:! -./0 "面仅分析激光与生物组织的热相互作用，并讨论
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" 激光与组织热作用效应及机理分析
激光热作用效应及医学应用 激光热作用代表" ! # 了一大类相互作用类型，其 " ! " 激光热作用的机理分析
宏观效应就是被作用的生物组织温度升高 ! 具体 激光是一种光，它的能量高 从能量的角度 !
来看，当激光作用于生物组织时，生物分子吸收 表现是:热对生物细胞的热杀、组织的热敷、热
凝、切开、汽化、热化反应和热至压强等 那么 ! 入射到组织中的光子能量，其振动和转动加剧， 即激光光子能量转化为生物分子的动能 分子振 ! 激光作用于组织，其热效应究竟表现为何种形式， 动动能即为通常意义上的热能 这部分热能先储 ! 则取决于激光的参数，生物组织特性，以及生物 存在直接受照射的生物组织中，然后逐渐传递给 体机体状态 ! 周围组织，或以热辐射的形式辐射出去 生物组 ! 生物细胞只能在适宜的温度下生存 当温度 ! 织的导热性能差，热扩散速度很慢，当能量密度 上升即使不太高时，只要持续时间稍长，酶也将很大的脉冲激光作用于生物组织局部时，分子在 失去活性，蛋白变性，从而使细胞或组织受伤甚 短时间内获得大量能量，来不及立刻传递出去， 分子的动能急剧增加，温度迅速上升 要精确地 ! 至死亡;如果温度上升较高，即使时间不长，也
能大大降低一些酶的活性，待温度恢复正常时，定量计算激光作用时生物组织的温升是十分困难
的，但在某些条件下，可以近似得出定量结果 其原有的活性也只能得到部分的恢复 所以，组 ! !
如假设生物体的热学参数不随温度而变，且生物 织的破坏是激光作用时间和组织温升的函数 就 !
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光热效应机理与医学应用81 李忠明 李红贤 第 8 期
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* 咸宁师专学报’第 (( 卷
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收稿日期 : 2002 - 01 - 11 ()基金项目 : 湖北省教育厅自然科学基金资助青年项目 2001B45001 统内所产生的一系列光物理和光化学过程 、反应 阿里纽斯方程所描述的那样坏死 ; 温度超过 50 ? 以及在激光作用下生物组织病理生理状态的物理 时 , 可观察到酶活性明显地减弱 , 导致细胞固定 , 表征等基本内容 1 而且 细 胞 的 某 些 修 复 性 机 理 也 被 损 坏 ; 在 60 ? 时 , 蛋白质和胶蛋白发生变性 , 而导致组织的凝 结和细胞的坏死 , 相应在宏观上可见组织变暗 ; 若温 度 高 于 80 ?, 膜 的 通 透 性 急 剧 提 高 ; 在 100 ?时 , 大多数组织中的水分子开始汽化 , 出现 气泡 , 从而引起组织的机械破裂和热分解 ; 当高 于 150 ?时 , 碳化发生 , 可见邻近组织变黑且冒 烟 ; 当温度高于 300 ?时 , 组织出现熔化 1 可见 , 生物组织的热效应与其局部的温升密切相关 1 在 医学上 , 通过改变激光参数来调节组织温升 , 控 制激光热作用效应 , 从而达到医用的目的 1 如激图 1 激光与生物组织相互作用原理 激光与生物组织作用形式多样 , 其相互作用 光理 疗 、针 灸 , 使 用 低 能 量 激 光 将 温 度 控 制 在机理也各不相同 1 根据构成生物组织的分子和原 37 ?,45 ?之间 ; 激光诱导间质热疗法所需要的 子对激光能量的吸收和转化 , 可将激光与生物组 温度刚好超过 60 ?; 中心汽化边缘热杀的激光治 织的相互作用分为光化作用 、光热作用 、光蚀除 癌法中 , 用光导纤维将激光注入肿瘤 , 肿瘤细胞作用 、等离子体诱导蚀除作用和光致破裂作用等 五类 ; 根据激光作用生物组织所产生的宏观效应 , 将吸收激光能量变热 , 选择合适的激光能量和照 又可把激光与生物组织作用分为热作用 、光化作 射时间 , 使肿瘤中心温度为 100 ?, 边缘温度达 用 、机械作用 、电磁场作用 、生物刺激作用 1 激 到 43 ?, 则肿瘤边缘细胞被热杀 , 中心被汽化 , 光诱导生物组织产生荧光的过程 , 实际上和热作 残存物用抽吸法排出体外 , 从而达到治癌的目的 ; 用 、光化作用以及生物刺激作用一样 , 都是生物 激光手术要使组织温度高于 100 ?而激光组织焊 组织吸收入射光子后发生光生物效应的结果 , 也 可以看成是激光与生物组织作用的基本过程 1 下 接要使组织温度高于 300 ?1 所以 , 在医学中 , 热面仅分析激光与生物组织的热相互作用 , 并讨论 相互作用应用的主要思想就是选择合适的光能量 其在医学中的应用 1 和照射时间 , 使生物组织达到特定的温度 , 使其 2 激光与组织热作用效应及机理分析导致预期的热效应 1 典型的激光器有 : CO, Nd : 2 211 激光热作用效应及医学应用 激光热作用代表YAG , Er : YAG , Ho : YAG , 氩 离 子 激 光 和 二 极 了一大类相互作用类型 , 其 μ管激光等 1 典型脉冲持续时间为 1s,1min , 典型 62宏观效应就是被作用的生物组织温度升高 1 具体激光功率密度为 10,10W/ cm1 表现是 : 热对生物细胞的热杀 、组织的热敷 、热 212 激光热作用的机理分析 凝 、切开 、汽化 、热化反应和热至压强等 1 那么 激光是一种光 , 它的能量高 1 从能量的角度 激光作用于组织 , 其热效应究竟表现为何种形式 ,来看 , 当激光作用于生物组织时 , 生物分子吸收 则取决于激光的参数 , 生物组织特性 , 以及生物 入射到组织中的光子能量 , 其振动和转动加剧 , 体机体状态 1 即激光光子能量转化为生物分子的动能 1 分子振 生物细胞只能在适宜的温度下生存 1 当温度动动能即为通常意义上的热能 1 这部分热能先储 上升即使不太高时 , 只要持续时间稍长 , 酶也将 存在直接受照射的生物组织中 , 然后逐渐传递给 失去活性 , 蛋白变性 , 从而使细胞或组织受伤甚 周围组织 , 或以热辐射的形式辐射出去 1 生物组至死亡 ; 如果温度上升较高 , 即使时间不长 , 也 织的导热性能差 , 热扩散速度很慢 , 当能量密度 能大大降低一些酶的活性 , 待温度恢复正常时 , 很大的脉冲激光作用于生物组织局部时 , 分子在 其原有的活性也只能得到部分的恢复 1 所以 , 组 短时间内获得大量能量 , 来不及立刻传递出去 ,织的破坏是激光作用时间和组织温升的函数 1 就 分子的动能急剧增加 , 温度迅速上升 1 要精确地 其温升 来 说 , 当 温 升 超 过 体 温 , 又 在 45 ?以 下 定量计算激光作用时生物组织的温升是十分困难 时 , 只会出现温热感 , 重者会出现红斑 ; 温升在 的 , 但在某些条件下 , 可以近似得出定量结果 1 45 ?,50 ?内 , 称为体温过高 1 如果这样的体温 如假设生物体的热学参数不随温度而变 , 且生物 过高持续几分钟 , 相当一大部分组织就会出现由 体为均匀的和各向同性的 , 并假定激光作用于组 织时其光能瞬时变为热能且迅速达到局部平衡 , 则由能量守恒可得组织的热流方程为 : 李忠明 李红贤 光热效应机理与医学应用 第 3 期 35 μI导致生热 1 这些热的宏观体现就是使组织的温度 9T d 1 μ2 - dx ()AT - + e = 01 KpC 9t K 升高 1 电磁场对生物组织所产生的热可通过下列 其中 , T 为组织中某点相对皮温的温升 , K 为组 方式作近似计算 : ρμ织的热导率 , 为组织密度 , C 为其比热 , 为 组d 在弱激光刺激作用下 , 细胞膜受激兴奋产生 织的吸收系数 , I 为入射激光的功率密度 1 由 动作电位 , 使细胞膜电阻迅速下降 , 瞬时有大量 此方程可求得不同功率密度激光作用时 , 组织表 离子跨膜通透形成电流 , 假设流过细胞膜的平均 面温升和激光照射时间等关系 1 图 2 为在一维情 电流为 I, 流过 R和 R的平均电流为 I , 则它 m i 0 ( ) 况下 , 根据方程 1所求得的不同功率密度激光 们分别在细胞膜电阻 R和纵向电阻 R、 R上产 m i 0 作用时 , 组织表面温升与激光照射时间的关系 1 生热量为 : 虽然只是近似的理论计算结果 , 但在激光医学应 2 2( ) ()Rt + I R+ RtQ = I 2 m mi 0用中对激光参数的选择具有指导意义 1 如果考虑 在稳恒电场作用下 , 体液中的正 、负离子将 到组织的代谢产热 , 血液灌注 、对流等散热的影 分别向异性电极移动 , 并在移动中遇到阻力 , 从 [17 ]响 , 则可用 Pennes 传热模型加以描述1 而使部分电能转化为热能放出热 , 这一热作用服 从焦耳定律 1 即 :2 ( )Q = IRt 3 其中 , Q 为热量 , I 为电流 , R 为皮肤 、脂肪 、血 液 、肌肉 、骨和腱等的等效电阻 , t 为通电时间 1 在交变电场作用所产生的热为 : σ 2q = j t ( )4 2 22σε4+ f 其中 , q 为单位体积的生热量 , f 为电场变化频 εσ率 , j 为电流密度 , 、分别为组织的介电常数 和 导电率 1 磁场对生物体的热作用是通过磁强变化率引 起的 , 如涡流生热 1 涡流产生的热量 Q 由下式给 图 2 组织温升与激光作用时间的关系 出 : 22 2 - 1 μQ = kf GR t ()从电磁学角度来看 , 激光也是一种电磁波 ,5 其中 , K 为 比 例 系 数 , f 为 磁 场 变 化 频 率 1 其电场强度 E 和功率密度 I 的关系为 : E = 可见 , 高频磁场所产生的热与频率的平方成正比 2714 I1 当聚集 Q 开关或锁膜脉冲激光器的功率 915 2 6 与电阻成反比 1 由于人体内血液 、肌肉和脉管组 密度为 10,10W/ cm, 其电场强度可高达 10, 9织的电阻小于脂肪 , 所以 , 它们的生热多于脂肪 , 10V/ cm1 所以 , 当激光照射人体组织时 , 相当于 即高频磁场主要生热于肌肉或电阻小的组织 1将人体置于强大的电场中 1 而人体类似于电介质 应当说明的是 , 激光与生物组织的热作用效 电容器 1 电介质中整个分子呈中性 , 但中性分子 应也有其不利的一面 1 如 100W 的 CO激光手术 2 的电荷分布不均衡 1 正负电荷的电中心重合的为 时 , 在照射瞬间光点温度在 200 ?以上 , 受照射 非极性分子 , 正负电荷的中心不重合的为极性分 组织发生汽化和炭化 , 而距切割边缘 015cm 处组 子 1 在电场作用下 , 非级性分子的正负电荷分别 织的温度为 41,43 ?, 这足以引起细胞蛋白质组朝相反方向运动 , 使分子发生极化 , 被极化的分 分的凝固变性或热分解损伤切口周围的细胞和组 子在电场作用下将重新排列 , 在重排过程中与周 织 1 另外 , 在激光治癌中 , 应注意因激光热效应 ( ) 围分子 粒子发生碰撞磨擦而产生大量的热 1 引起的汽化压力形成的二次压强 1 激光聚集照射 机体内电介质溶液的离子受到电场作用发生移动 , 时会在瞬间使局部组织出现高热和急剧温升 , 引 当频率很高时 , 将在其平衡位置振动 , 也能使电 起组织蒸发 、膨胀和汽化 , 局部体积剧增 , 从而 介质变热 1 对于低能量激光作用生物组织时 , 对 使细胞和组织内部的压强迅速增加 , 引起微型爆 生物组织产生刺激作用 1 细胞受激兴奋将会使膜 炸 1 这种由蒸气团产生的瞬时压强称为二次压强 ,电阻减少 , 于是产生大量离子跨膜通透而形成电 它的破坏力很强 , 尤其是在组织内部发生时其危 流 , 将在 “谐振回路”中产生热量 1 此外 , 机体 险性更大 , 它可以轻易地将组织撕裂 1 由二次压 内某些成分如体液为导体 , 在不同程度上具有闭 强引起的冲击波向四周扩散还能损伤远离直接受合回路的性质 , 还可以产生局部性感应涡流 , 而 照射部位的正常组织 1 如果是用激光作癌肿瘤切 效应机 制 研 究 现 状 J , 2000 , 1 激 光 杂 志 () 除 , 还可引起癌细胞的受压扩散 1 有关激光医用 21 6: 69,701 的安全问题将另文论述 1 10 赵友全 , 范世福 , 李昀 1 激光 —生物组织热 相互作 用 研 究 J 1 光 电 子 ?激 光 , 2001 , 参考文献 :() 12 3: 310,3131 1 骆清铭 , 曾绍群 1 生物医学光子学研究进展 11 Markolf H. Niemz 著 , 张镇西译 , 蒋大宗审 ) (J 1 光电子激光? , 1999 , 10 增: 1,31 校 1 激光与生物组织的相互作用 ———原理及 2 吕可诚 , 张春平 , 张光寅等 1 生物光子学进 应用 M 1 西 安 : 西 安 交 通 大 学 出 版 社 , () 26 12: 展 J 1 光子学报 , 1997 , 1 123, 1999134,1101 12 刘 普 各 , 刘 国 刚 1 激 光 生 物 学 作 用 机 制1 1291 Biophysical princi2 3 Vasli A. Mostovnikov , et al . M 1 北京 : 科学出版社 , 19891127,1721 ples of regulatory action of low - intensity laser ir2 13 郑蔚 , 谢树森 , 林棋 榕 等 140617 —41514nm 1 In laser use in Oncology : CTS 和 63218nm 辐 射 在 人 肺 组 织 中 的 穿 透 深 度radiation. J () Selected papers , Andrei V. Inanov , Mishik A. 1 光学学报 , 1997 , 26 11: 965,9711 J Kazaryan , Editors , Proc . SPIE 2 728 , 1996 , 14 J an Laufer , Rebecca Simpson , Matthias Kohl , et al1Effect of temperature on the optical properties of 50,62 . ex vivo human dermis and subdermis J 1 Phys. 4 L1A1 Kolomisyets , et al1Mechanism of treatment effect of low - energy laser irradiation1 J 1 In Med , Bio11998 , 43 : 2 479,2 4891 laser use in Oncology : CTS Selected papers , An2 15 W. - F. Cheong , S. A. Parahl , A. J . Eelch. A Review of the Optical Properties of Bi2 drei V. Inanov , Mishik A. Kazaryan , Editors , 1IEEE J Quantum Electron2 ological Tissues Proc . SPIE 2 728 , 1996 , 63,67 . J () 5 李忠明 1 激光针灸的物理基础 J ics , 1990 , 26 12: 2 166,2 1841 1 应用激 () 光 B . C. Wilson , S. L . J acques. Optical Re, 1999 , 19 6: 376,37812 16 6 李忠明 1 理疗 、针灸激光最佳功率和照射时 flectance and Transmittance of Tissues : Princi2 1IEEE J Quantum 间 的 定 量 分 析 J 1 激 光 杂 志 , 1999 , 20 ples and Applications J () () 2: 48,501Electronics , 1990 , 26 12: 2 186,2 1991 1 7 , 陈五高 1 激光针灸机理研究 J 17 王佐臣 H H Pennes1Analysis of Tissue and Arterial Temper2 () 1Journal 激光生物学报 , 1998 , 7 4: 278,2821 rature in the Resting Human Forearm J ( ) of Applied Physiology , 1948 , 1 2 : 93 , 8 向 洋 , 丁 志 宝 1 激 光 生 物 学 作 用 机 理 探 讨 () J 1 光电子激光? , 1997 , 8 2: 475,4781 1121 9 许川山 , 刘志君 , 唐建民 1 低强度激光生物 The Thermal Effect Mechanism and the Medical Appl ications of La sers Interaction with Bio - tissue 1 2 LI Zho ng - ming, LI Ho ng - xia n (1 . Department of Physics , Xianning Teachers College , Xianning 437005 , China ; )2 . Guangxi Supply and Marketing School , Nanning 530021 , China Abstract : In this paper , the basic content of laser interaction with tissue was introduced , and the thermal in2 teraction and effect of mechanism of between laser and bio - tissue were systematically and deeply discussed. The chinical application of laser biology effects were also presented. Key words : laser ; bio - tissue ; thermal effects ; interaction mechanism 基于热效应过载保护原理的 * 离散算法 吴晓强 ( 内蒙古民族大学 机械工程学院，内蒙古 通辽028000) : ，摘 要热过载保护不但要保护电动机绕组绝缘不因温度过高而损坏还要充分发挥电动机的过载能 。，，力提出了一种基于热效应的过载保护模型并推导出电动机内部温升计算的离散化递推算法构 建 了 电 。，。动机内部温升模型采用该模型可对电动机的温升进行实时计算实现了电动机的智能化控制 关键词: 电动机; 过载保护; 离散算法 : TM 771: A: 1673-6540 201(4) 0-50056-03中图分类号 文献标志码 文章编号 Discrete Algorithm Basedo n Principle of Thermal Effects Overload Protection WU Xiaoqiang ( Colleg eof Mcehanican Engineering，Innre Monligoa Universityfo r Nationliaties，Tonligao 028000，China) Abstract: Thermal overload proetction should notn loy protect mwiondtiongr insulation frombe ing damaged as r aesult of high temperatu，rebut also bring into play the movtoerlro aod capailibty, An overload proetction model based on ththee rmal effects was presented，and is tchreete drecurison algorithm forc alculating internal temperature riseo f motor dedwaus ce ,d A mdeol of thine te rnal temperature rise watasb liesshed, By means of dethl，e tempemorature rise can blceul actead in real time，and the intelligent control of the mois rteoalir zed, Key words: motor; thermal overload protection; discrete algorithm 3 ) ; ( 设温度传感器直接测温利用绕组电阻和绕 0 引言 ; ( 4 ) 组温度成线性关系原理建立数学模型对电 。( 4 ) ，过载是电动机过负荷运行超过额定电流使电 动机进行保护方法是一种比较切实可行的 ，，，动机的温升超过额定温升导致绕组绝缘降低电 方法但目前大多数建立的模型在电动机热保护 ，。，阻增加严重时绕组烧毁的现象过载对电动机的 器中采用的多为一阶或二阶的热模型模型较简 ,2-5,，损坏主要由过电流引起故障严重程度可通过过电 单，误差较大。本文采用建立基于热效应的过 。，，流的程度来判断针对该故障许多电动机保护器 载保护模型的方法来获取电动机的温升并采用 ,1,采用过电流倍数作为判断依据。由于电动机自 / ， 模 数转换器获取电路中的电流值来计算温升值 ，。，以减小误差提高保护系统的抗干扰能力 身的热积累可能使电动机烧毁故电动机的过载保 ，护还应具有模拟和记忆电动机热积累的功能当热 1 负载特性及温升计算原理 量积累到使电动机绕组的实际温度达到显著降低 电动机过载特性及负载下的热积累 绝缘寿命的程度时，要求保护电器给予保护。 1. 1 电动机的过电流大小与允许过电流时间之间 目 前，电动机温升的 获取方法大致 有: ( 1) ; ( 2 ) 的关系称为过载特性。电动机过载与输电线路或利用有限元法进行温度场分析通过埋 * : ( NMD1326)基金项目内蒙古民族大学科学研究基金资助项目 — 56 — 2014，41( 5 ) 运行与保护 EMC A ，其他设备的过载不同电动机过载将导致电动机 多种数学模型，其中典型的有两类。 2 ，。It ( 1) 发热但允许一定时限的低倍过载电动机过载 等 的时间电流特性 K。，特性具有反时限特性电动机的过流倍数小动 = t 2I 。作时间相应自动延长 ( 2) IEC 602553 -推荐的数学模型 ，假如在规定的过流动作时间曲线内电动机 K ，，仍然未能完成起动保护器必须执行动作指令拒 t = α I ( ) 。，绝起动除特殊电机外所以反时限工作特性 , 1 ， ， I r，， 能满足电动机起动时特殊要求又参与起动保护I———;电流整定值:式中 r 。消除起动时不保护的盲区 I———;实际电流值 1. 2 温升计算原理 t———; K———动作时间，电动机持续运行的容许负荷主要取决于定 ; ———表征特性的常数α，子绕组的温度故将定子电流的大小作为电动机 。函数指数 。过载的主要依据电动机温度由最初的温度 θ 0动作时间 t 常采用积分法和查表法来确定。 ( ) ，与周围 空气 温度 相 同 开 始上 升经 过 一 段 时 间其中，积分法求两类模型中的常数分别为 。， 后达到稳定温 度 θ电动 机在实际运行时电W1 t 2 K= I dt，1 流恒定只是理想情况多数情况下电流随负 载? 0 。，t 和电网电压改 变 而 变 化因此 稳 定温 度 θ也α W1 I K= , 1 dt 2, ， ， , ? 。是变化的电动机电流实际变化时的温度变 化曲I0 r 1 。 线如图 所示在电动机多次重复短时过载且 t。KK，通过设定 或 的值即可控制时间 1 2 ，每次过载时间均小于容许时间时一 般 的 保护热保护的基本要求及按热平衡原理整定过 2. 2 ，装置 均 不 会 动 作但电动机自身的热积累 完全载长延时脱扣 。 ，可能使电动机烧毁因 此建 立 完 善 的 电 动机通常在电机热计算中，假定电动机是一个均 ，发热和散热数学模型准确模拟出电动机 在过质物体，只计算平均 温 升。根 据 能量 守恒 ，电动 ，载时的温度变化过程是研制较好保护系 统的机在实际运行过程中，其热平衡微分方程为 。Pdt重要前提 = KSdt + cGdττ ( 1) r 式中: P———发热功率; K———散热系数; r S———;散热表面积 ———; c———τ温升 ; G———比热发热 ;体重量 t———。时间 对式( 1) 微分方程求解得 t t , , 1 图 电动机电流实际变化时的温度 T T = ( 1 , e) + e( 2) τ ττ m 0 变化曲线 P : ———，= ; 式中τ稳定温升τ m mKS r 2 基于热效应过载保护模型的温升 cG T———热时间常数，T= ; 计算方法 K S r ———。2. 1 τ初始温升过载保护模型的建立 0 电动机的过载保护元件的温升变化应小于被 ，过载故障保护采用反时限保护原理即实现 ，。保护电气设备温升允许的设定值 τ一旦达到或 在不同过电流情况下的不同时间延时现有电动 r ，机保护器的长延时过载保护的反时限保护特性有 超出该设定值电动机保护控制器就应采取相应 — 57 — 2014，41( 5 ) 运行与保护 EMC A 动作，断开电路，实施系统延时保护。该保护动作采用数值积分的方法等间隔测量实际电路中的电 ttr r流，计算 A 值，并与 K 值比较。 , , T T = ( 1 , e)+ e时间 ττ τ。 r m 0 设测量间隔为 Δt，且初始温升为 0，由式( 4 ) 0，= 0 ，当初始温升为 即 τ时保护动作时间 0 和式( 5) 可推得 t r , T ( 1, e t=，τ= ) 可 解 得 动 作 时 间 τ r m r A = 0 0 τ ΔtΔtr 2 , ,,T ln 1 , 。T T A = NT( 1 , e )+ A e ， ， 1 0 τm ttΔΔ, , 2 T T A= N T( 1 , e+ Ae以上给出了基于热效应的过载保护模型所依 ) 2 1 ，， 据的热平衡原理但其变量较多因此将其进一步 ttΔΔ2 , , 。T 转化 T A= N T( 1 , e ) + Ae n n ,1 2 tt( NI) ,ΔΔ 2 P r , , T T A= = N T( 1 , e ) + Ae( 2) ，:= n+ 1代入式则有 将 τ n m K SK S r r 上述各式中，N 可为任意变量。 2 2 t NI , t ,, r T T= ( 1 , e )，( N + τ e 每隔一定时间就取一次电流值与电流有 τ ( 3) 0 KS r ) ，A A，K ，K ， 关计算 值且逐次与 比较直至 ?时x ，N = I / I，, 。其中为等值电阻 r ，。电动机保护器采取动作实现长延时保护 由式( 3) 可得 此时，延时时间可近似为 t=x Δt。 r t t TKSTKS r , r , 2 T T e= N T( 1 , e ) + ττ在有辅助电源的情况下，A 值逐渐递减，直至 2 0 3 I, I, r r ，A ; 断路器重新接通值又开始递增或辅助电源断 TKSTKS r r = ，A 。A = ，A，( 2) 开值清零 令 τ τ则式变换为 00 2 2 I, I, t t 2 , , T T结语A = NT( 1 , e ) + A e 4 ( 4) 0 当初始温升 τ= 0，即 A= 0 时 0 0 本文提出一套利用数值积分法解决反时限保 t 2 , T A = NT( 1 , e ) ( 5) ，、护特性的实时测量和控制方法既可较合理方便 式中: N———电流;， 地提供多种保护特性又可解决复杂不断变化情 A———;温升 ，况下的热积累问题并对热积累计算过程进行简 T———。常量 。化分析最后给出了基于热效应过载保护模型温 ( 5) ，，由式可知随着时间的变化电流也在变 。升的离散化算法 ，化二者构成了本文构建的基于热效应过载保护 【参 考 文 献】 ，A 。模型的基础变量最终决定了 的变化 , AT89C52 吕平基于 单片机控制的电机综合保护 ,1 , 3 基于热效应的过载保护模型温升 器,J,, 电气开关，2007(2 ) : 29-31, 的离散化算法 ，，, PIC16F876 佟为 明李 中 伟倪 文 利基 于 单 片 机 ,2 , ,J,, 考虑到实际操作过程中常采用单片机等设备 的智能低压电动机综 合保护器的研 究继 电 ，20053( ) : 43-46.器 ，( 1 ) 实现数字化采集和 温 升 计 算需要 对 式 进 行 迟长春，李奎，岳大为, 电动机过载保护算法,J,, ,3 , ，，离散化处理求出各个节点温升的递推计算式以 低压电器，20075( ) : 4-6, 。便单片机进行采样时的温升计算 王跃峰, 基于单片机的电动机保护技术初探,J,, ,4 , ，将连续系统离散化的方法很多本文采用先 矿山机械，20071( ) : 109-110, ( 1 ) ，将热平衡微分方程 求 解然后变换成差分方 , ,J,, 曹明业电动机智能保护器的开发应用机电 ,5 , ，。程该方法较简单 ，20073( ) : 62-64,工程技术 为测量电动机保护器实态通电时的 A 值，可 收稿日期: 2013-11-11 — 58 — 在整块金属内部引起的感应电流叫涡流（也称涡电流），由于多数金属的电阻率很小，因此不大的感应电动势往往可以在整块金属内部激起强大的涡流，如图1所示为一个铁芯线圈通过交变电流时在铁芯内部激起的涡流，它是由变化磁场激发的感生电场引起的，涡流与普通电流一样要放出焦耳热. 1 教材的表述 人民教育出版社普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3—2，第四章《电磁感应》的第7节《涡流》中，给出了这样的表述：当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流.实际上，这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流……用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流.涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度……电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上.线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器.因此，我们要想办法减小涡流. 2 问题的提出 笔者在调研听课中发现，不少老师把本节教材当做阅读材料，安排学生自己阅读本节内容，教师不做讲解分析.结果学生读完教材上的内容后，一头雾水，不知道究竟为什么真空冶炼炉内可以“使金属熔化并达到很高的温度”，也不知道为什么电动机或变压器的“铁芯中产生涡流使铁芯发热”.本文试图从电磁感应的原理出发，推导出涡流热效应产生的焦耳热功率表达式. 3 涡流热功率的推导 假设一个长直螺线管的长度为l，单位长度的匝数为n（n足够大），若螺线管的横截面半径远小于管长l，可将该螺线管看作无限长密绕螺线管，如图2所示.当螺线管通入正弦交变电流i=I0sinωt时，管内的磁场可看作匀强磁场，其磁感应强度为B，根据毕奥—萨伐尔定律，磁感应强度B大小为： 由（6）式可见，涡流产生的焦耳热功率与螺线管内的最大磁感应电流Bm的平方成正比，与交变电流变化的角频率ω的平方成正比，与金属的电阻成反比.我们可以通过控制这些物理量的大小来改变涡流的热功率，满足生产生活的需求. 4 涡流热效应的应用与危害 4.1 应用 冶炼金属用的真空冶炼炉是最为常见的感应加热设备，图3所示是真空冶炼炉的示意图，当给冶炼炉接入高频交变电流时，炉内被冶炼的金属因其电阻率很小，在金属内出现了强大的感应电流，它所产生的热量可使金属很快熔化.这种冶炼方法的最大优点之一，就是冶炼所需的热量直接来自被冶炼金属本身，因此可达极高的温度并有快速和高效的特点.此外，这种冶炼方法易于控制温度，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种合金和特种钢等. 4.2 危害 涡流的热效应也有其危害，如在电动机和变压器工作时，由于涡流产生的热量，会导致其内部的铁芯温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时甚至可使绝缘材料烧毁.其次，涡流发热要损耗额外的能量，称为涡流损耗，使电动机和变压器的效率降低.为了减小涡流，电动机和变压器的铁芯都不用整块钢铁而用很薄的硅钢片叠压而成.硅钢是掺有少量硅的钢，其电阻率比普通钢大，因此涡流损耗得以减小.把硅钢制成片状则是为了借用片间的绝缘漆或自然形成的绝缘氧化层，切断涡流的通路以进一步减小涡流的发热. 转载请注明出处范文大全网 » 光热效应机理与医学应用范文三：光热效应机理与医学应用_cropped
范文四：基于热效应过载保护原理的离散算法
范文五：涡流热效应的应用与危害之原理分析
