激光热痛刺激引起的皮肤组织温度分布的研究

发布时间：2017-12-07 13:12

  本文关键词：激光热痛刺激引起的皮肤组织温度分布的研究

  更多相关文章： 五层有限元模型 激光诱发电位 980nm脉冲激光 温度分布

【摘要】：痛觉在基础研究和临床应用领域都具有十分重要的研究价值,痛觉诱发电位技术是研究痛觉时经常使用的一项技术,而激光诱发电位(Laser evoked potentials,LEPs)技术是痛觉诱发电位技术中最具有竞争力的一项技术,自问世以来,凭借其客观、准确的诊断结果和较短的测量时间等独特优势得到了大多数专家与学者的青睐。然而,客观准确的选择激光输出剂量是达到最佳的致痛效果并且避免正常组织损伤的基础与前提,因此,LEPs技术的致痛机理已成为目前主要的研究焦点。为此,大多数学者从组织光热效应方面着手,通过建立激光引起的组织温度分布模型的方法进行研究并取得了突破性的研究成果;但是,大多数研究成果只适用于中远红外激光,对于近红外激光致痛机理的研究所取得的成果较少。与中远红外激光相比,使用近红外激光进行痛觉刺激时,不仅能够减小对皮肤表面造成损伤的风险而且能够直接激活伤害性感受器保证了痛觉电位信号的准确性。因此,急需建立简单、准确的激光照射引起的组织温度分布模型,用于指导近红外激光进行痛觉刺激的实验研究和临床应用。为了解决上述问题,本研究以近年来成功应用于LEPs研究的980nm脉冲激光为突破口,针对性的研究近红外激光在生物组织光热效应理论,建立相应的模型,解决该类激光在痛觉刺激研究中缺乏理论模型指导的问题。本研究首先根据980nm激光与生物组织相互作用的表现形式,对三层皮肤模型进行了优化,划分出了五层皮肤模型即角质层、表皮层、真皮上层、血层和真皮下层;同时,确定了 Pennes生物热传导方程为建立模型的理论基础,采用有限元分析的方法求解方程的近似解。其次,根据光辐射传输方程描述皮肤组织中的光分布,采用漫散射方程对皮肤组织中的光通量密度进行近似求解;根据激光热源形成的过程以及组织中光通量密度的变化,同时考虑散射作用的影响,得出热源项的一般表达式。然后,根据皮肤模型的结构,对激光热源和Pennes生物热传导方程进行细致的优化;根据实际情况,确定方程的边界条件和初始条件;使用MATLAB软件对模型结果进行仿真。最后,通过离体实验和在体实验对模型结果的准确性进行了验证。经验证结果显示,该模型能够客观、准确的确定激光剂量,从而实现了安全、有效的进行痛觉刺激,避免了不必要损伤的目的。本研究的主要创新点为以980nm脉冲激光为研究对象,充分考虑皮肤散射作用对温度分布的影响,建立由980nm脉冲激光引起的皮肤组织温度分布模型。
【学位授予单位】：北京协和医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN249;R318

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