離體生物組織凍結(jié)過程溫度場和應力場的數(shù)值模擬.pdf

1、生物傳熱學主要是研究生物體內(nèi)傳熱傳質(zhì)的規(guī)律以及生物組織的熱效應，是生物學、醫(yī)學與傳熱傳質(zhì)學的交叉。本文以探索低溫外科手術治療機理為背景，運用跨學科方法對其進行生物傳熱及組織受力變形方面的研究。近年來，低溫外科手術的進展尤為引人矚目，該方法的獨特優(yōu)點逐步被發(fā)掘出來，正拓展應用到諸多臨床科目。遺憾的是，受低溫制冷、溫度測量、冰球?qū)崟r監(jiān)測以及靶向引導等技術的制約，低溫治療的理論和臨床研究進展緩慢。本論文研究的目的是，選擇合適的數(shù)學模型，利用有

2、限元分析軟件ANSYS進行數(shù)值模擬，得出不同冷凍工況下離體生物組織的瞬態(tài)溫度變化規(guī)律和應力場及二維情況下考慮大血管血流在組織低溫凍結(jié)相變問題中的傳熱效應后的溫度分布，研究冷刀直徑及血管構(gòu)筑情況對組織溫度場的影響，并通過實驗定性分析了熱應力對組織造成的機械損傷。 本文基于經(jīng)典Pennes生物傳熱模型，選取參考文獻中所提供的組織熱物性參數(shù)，利用ANSYS商業(yè)軟件模擬離體生物組織凍結(jié)過程，得出了不同直徑冷刀作用下組織截面的瞬態(tài)溫度分布

3、規(guī)律及同一冷凍工況下組織不同位置處的溫度變化曲線，對判斷組織凍傷與否及評判冷刀殺傷半徑有重要意義。對組織內(nèi)含有單根或多根大血管的組織溫度場進行了分析，探討了血管半徑、血管與病變組織的相對位置及血管數(shù)量對組織溫度分布的影響。首次得到考慮血流灌注在組織凍結(jié)過程中的傳熱效應的數(shù)值模擬結(jié)果，這些工作將為含大血管的腫瘤冷凍治療研究打下基礎。 采用完全彈性介質(zhì)模型，在熱分析的基礎上，利用ANSYS軟件的熱-應力耦合功能模擬出組織由于水分凍結(jié)

4、體積膨脹和溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應力分布，分析了同種冷凍工況下組織徑向與軸向典型位置處各向應力的變化規(guī)律，討論了冷刀直徑對熱應力分布的影響效應，發(fā)現(xiàn)冷刀直徑較大時，組織內(nèi)的徑向熱應力較大。 通過設計并搭建液體二氧化碳冷凍刀實驗臺，獲得低溫冷刀內(nèi)液體二氧化碳與被凍組織內(nèi)部的溫度信息，將其與數(shù)值模擬所得的溫度分布結(jié)果進行比較，二者吻合較好；通過對豬肺臟及肝臟反復凍融中出現(xiàn)的裂紋進行實驗觀察，清晰認識了熱應力對組織的機械損傷作用。