冷热交替作用下生物组织相变过程的研究

• 作 者: 陈宇
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 生物组织 温度梯度 数值模拟 冷冻外科 传热传质问题

生物医学，低温生物学，生物化学以及生命科学等都涉及到能量，质量的传输等热物理问题。本文主要研究低温冷冻外科中生物组织的传热传质问题。这对于了解某些基本生命现象以及对临床的诊断和治疗，都具有一定的学术意义和实用价值。
本文系统地分析了生物组织在冻结一融化过程中的传热传质机制，建立了描述生物组织冻结一融化过程的数学模型，模型中将整个生物组织分作三个区域：冻结区，糊状区和液相区。通过构造等价热容和等价导热系数，导出了相应的控制方程组。采用显热容法对上述模型进行了数值模拟。针对不同的肿瘤和组织，将模型转化为一维，二维和三维问题进行描述和求解。采用FORTRAN语言编制了用于数值计算的计算机程序。
数值模拟的结果显示，生物组织在冷冻一融化的过程中，由于生物组织是多孔介质的结构特点，固体骨架和液相的传热过程存在着较大的区别。本文对冷冻外科中可能遇到的影响组织相变的各因素进行了分析和计算。这些因素包括：血液灌注率，代谢产热，组织热物性，冷刀的初始温度，冷刀的降温速率，以及血液的流动等。研究表明：在组织的相变分析过程中，冷刀的初始温度，冷刀的降温速率，以及血液的流动是影响相变过程地最主要因素。生物组织的血液灌注率对相变过程有一定影响，代谢产热的影响较小。肿瘤区域和正常组织区域由于热物性的不同，冰晶的生长和融化过程也有所不同。由于热物性对相变过程影响明显，因此，准确的测量和确定肿瘤和组织的热物性对相变过程的预测和分析十分重要。不同的冷刀初始温度和降温速率会影响肿瘤和组织的温度梯度的变化和分布，对冰晶的分布和结构产生影响，并对细胞和组织造成不同的损伤效果。