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激光诱导间质肿瘤热疗(LITT)是一种比较有前景的,新兴的肿瘤治疗手段,它是将激光导入人体通过热效应杀死肿瘤的一利-新型手术方法,具有微创、快捷、痛苦小等优点。但目前由于其热量传输效率低等因素,制约了该方法在肿瘤治疗领域的广泛应用。金纳米壳的出现为这一问题的解决提供了可能性,这是一种具有核壳结构的无机纳米复合材料,具有十分独特的光学性质,被认为是增强近红外热疗效果最好的材料之一。但是目前对于金纳米壳增强热疗的理论分析和数值模拟相当匮乏,难以对治疗中温度场进行有效的控制,严重阻碍了实际手术过程的应用进程。本文旨在通过建立包含冷却水的LITT物理模型,并对其进行理论分析和数值模拟,从而为金纳米壳增强热疗的实际应用提供理论基础。
本文通过编制相应的Matlab程序,对于纳米热疗过程中的能量场和温度场进行了模拟,首先采用MonteCarlo模拟方法计算组织内激光能量的分布,以及激光能量在两层组织界面处的透射与反射；然后将Pennes生物传热方程和对流换热能量方程相结合,求解出含有水冷效应的组织温度场:由于考虑到冷却模型的存在,模拟过程中对组织区域和冷却水区域采用不同的生物传热模型进行模拟。数值模拟的结果显示添加纳米颗粒后的LITT温度场要明显高于未添加纳米壳的温度场。另外本课题还对于金纳米壳的尺寸、浓度对热疗的影响,以及对加热范围的影响进行了模拟。
进一步地,论文开展了相关实验,首先是制备以碳微球为核的金纳米壳颗粒,然后对其进行光学性能加以测定,通过生物实验证明了金纳米壳增强热疗的效果,并且对于近红外激光热疗在组织内的穿透深度进行了参数化研究,分别讨论了距离、功率、纳米颗粒以及组织特性对于近红外激光穿透深度的影响。
本文还进行了一系列生物实验,用以验证理论分析的结果并通过远红外成像的方式对金纳米壳增强热疗效果进行评估。研究中以接种乳腺癌细胞的BalB/C小鼠为实验载体,对其进行金纳米壳增强的LITT热疗,进而通过远红外成像仪评估治疗的效果,为该方法在临床上的实际应用提供了实验依据。