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第1章 绪论 1

1.1 导言 1

1.2 低温医学技术的起源与现状 2

1.3 低温医学工程学发展态势 4

1.4 小结与展望 5

参考文献 6

第2章 冷冻及融化引起的组织生物学效应 7

2.1 导言 7

2.2 低温对组织的杀伤特点 7

2.3 组织冷却效应引发的物理化学行为 9

2.4 冷冻及融化过程中的组织杀伤效应 10

2.5 融化及加热效应 15

2.6 抑制疼痛的神经冷冻损毁疗法 16

2.6.1 冷冻抑制疼痛的机制 17

2.6.2 冷冻抑制疼痛中的热物理问题剖析 17

2.7 低温麻醉过程的神经元电响应机制 18

2.7.1 Hodgkin-Huxley模型 19

2.7.2 皮肤组织内的温度场刻画 20

2.7.3 不同热场情况下的神经响应特点 22

2.8 用于抑制疼痛及研究神经信号传导的局部冻融方法 23

参考文献 27

第3章 实现低温医疗仪器的典型技术途径 30

3.1 引言 30

3.2 基于相变制冷的低温冷冻医疗器械 30

3.3 基于气体节流制冷效应的低温医疗仪器 32

3.4 基于热电制冷效应的低温医疗仪器 36

3.5 直接制冷的冷冻医疗设备 37

3.6 冷空气低温疗法及其装置 37

3.7 低温桑拿的概念及其物理装备 38

3.8 治疗心脏病的低温手术设备 38

3.9 低温麻醉技术及装置 39

3.10 具有冷热双重作用的复合式手术设备 40

3.11 浸冷式冷热复合型医疗设备 41

3.12 用于腔道肿瘤冷冻治疗的柔性探针 42

参考文献 42

第4章 冷热复合式肿瘤微创治疗模式及其评价 45

4.1 导言 45

4.2 氩氦刀医疗设备的冷冻和复温性能 46

4.2.1 氩氦刀离体及在体动物实验研究 47

4.2.2 活体动物组织中的冻结与复温情况 49

4.2.3 氩氦刀工作过程中工质气体的消耗特性 52

4.2.4 不同直径氩氦刀工作性能的比较 53

4.2.5 采用不同功率比的氩氦刀工作性能对比 53

4.3 新型冷热刀微创医疗技术的提出及设备发展情况 54

4.4 典型冷热刀医疗设备工作原理 56

4.5 冷热刀杀灭肿瘤的作用机理剖析 59

4.6 冷热刀冻结及加热性能的离体及在体动物实验评价 60

4.7 冷热刀作用下的组织热冲击现象 65

参考文献 67

第5章 低温外科手术过程的监测方法 69

5.1 导言 69

5.2 监控低温外科手术过程的典型途径 70

5.2.1 数学模型预测法 70

5.2.2 局部体温监测法 70

5.2.3 影像监测技术 71

5.3 监测低温外科手术的超声成像方法 72

5.4 超声监测中的脉冲回波法分析 75

5.5 监测组织冻结过程的超声多普勒效应法 81

5.6 监测低温外科手术的磁共振成像法 84

5.7 监测低温手术过程的电阻抗测量法 89

5.8 实际冷刀作用下组织低频电阻抗响应特性 93

5.9 监测冰球增长的X-CT方法 101

5.10 监测低温手术中冰球生长过程的可见光谱成像法 105

5.11 低温外科手术中的红外摄温监测技术 108

参考文献 111

第6章 典型的低温生物传热传质学模型 113

6.1 导言 113

6.2 生物组织中的传热与普通传热问题的差异 114

6.3 细胞或组织的微观冻结模型 115

6.3.1 单细胞水分传输问题 115

6.3.2 组织尺度的水传输模型——Krogh模型法 117

6.3.3 网络热力学模型 119

6.4 无相变发生时的瞬态生物传热问题 119

6.5 有相变发生时的瞬态传热问题 121

6.6 描述有限区域组织相变问题的移动热源模型 122

6.6.1 具有对流边界的相变传热问题的解析解 123

6.6.2 皮表受预冷平板冻结时相变问题的解析解 126

6.6.3 积分方程的简化求解方法 126

6.6.4 融化过程的求解 127

6.7 非理想溶液组织的冻结相变传热模型 128

6.8 相变过程中的固-液相界面及特殊边界条件 131

6.8.1 冻结过程中皮肤表面的边界条件 131

6.8.2 组织中含有大血管时的冻结边界条件 132

6.9 带有血液灌注项的稳态生物传热相变问题 132

6.10 带有血液灌注项的瞬态生物传热相变问题 134

6.11 基于血管解剖结构的生物传热相变问题 135

参考文献 139

第7章 低温手术相变传热问题的数值模拟方法及其应用 141

7.1 导言 141

7.2 低温生物相变传热方程的求解特点 142

7.3 求解冷冻手术中冻结与复温问题的有限差分法 143

7.4 模拟多维相变生物传热问题的双倒易边界元方法 147

7.4.1 模型及算法 148

7.4.2 双倒易边界元算法 150

7.4.3 算例分析 152

7.4.4 正常组织的冻结问题 154

7.4.5 肿瘤组织的冻结问题 156

7.4.6 由多把冷刀引起的相变问题 160

7.5 肿瘤冷热合并治疗中的组织三维温度场数值模拟 165

7.5.1 模型和算法 167

7.5.2 算例分析 167

7.5.3 数值算法的校验 170

7.5.4 单把冷热刀冷冻复温特性 171

7.5.5 三把冷热刀插入深度相同情形 173

7.5.6 三把冷热刀插入深度不同情形 175

7.5.7 冷热探针先热疗后冷疗情形 177

7.5.8 问题讨论 178

参考文献 184

第8章 低温外科手术过程中的复温问题 187

8.1 导言 187

8.2 一维三区域复温问题的理论模型 187

8.2.1 复温前的组织初始温度分布 190

8.2.2 以固定体表温度的方式加热组织时的复温情况 191

8.2.3 体表采用热水加热时的复温情况 192

8.2.4 微波空间加热时的复温情况 194

8.2.5 不同相变温度对组织瞬态温度的影响 196

8.2.6 血液再灌流特性对组织瞬态温度的影响 197

8.3 解冻生物组织的激光加热问题 199

8.3.1 激光在组织内传输的Monte Carlo模拟 201

8.3.2 传热学模拟 203

参考文献 208

第9章 低温外科手术中的血管传热效应 210

9.1 导言 210

9.2 肿瘤与血管的关系 210

9.3 低温外科手术中的血管传热研究现状 212

9.4 单根血管下的低温生物传热模型 213

9.5 单根血管组织的低温传热效应预测 219

9.6 肿瘤冷冻治疗中的三维大血管相变传热模型 223

9.7 肿瘤低温治疗中大血管对三维组织相变传热的影响预测 226

9.8 血管相变传热效应的概念性模拟实验 234

9.9 实际冷刀作用方位对血管冻结的影响实验研究 238

9.9.1 单根血管模拟试验 238

9.9.2 平行逆流血管模拟实验 240

9.10 基于红外热图刻画低温手术中的血管传热效应 242

9.11 模拟无血管情况下低温外科过程的红外实验 243

9.12 冷冻外科情形下血管传热效应的红外模拟实验 245

9.13 冷冻外科情形下在体动物血管传热效应的红外实验 248

参考文献 251

第10章 低温外科手术中的热应力问题 253

10.1 导言 253

10.2 生物组织冻结及复温过程中的热应力 254

10.3 生物组织在强烈冷热作用下的应力冲击现象 258

10.4 热应力波的理论分析 262

10.5 非Fourier效应对生物材料冷冻过程中热应力的影响 264

参考文献 274

第11章 冷冻外科手术过程的控制策略 276

11.1 导言 276

11.2 增强低温手术杀伤效果的复合式治疗方法 277

11.3 可控制冰球生长大小的低温冷冻探针 279

11.4 增强低温手术杀伤范围的功能溶液注入法 280

11.5 注射功能液以实现选择性冷冻组织的数值模拟 286

11.5.1 未注射功能性溶液情形 288

11.5.2 注射高热导率功能性溶液情形 289

11.5.3 注射低潜热功能性溶液情形 291

11.5.4 温度依赖性热物性的影响 293

11.6 低温外科手术中正常组织的热保护问题 294

参考文献 296

第12章 生物材料经受冷冻及复温损伤的定量评价 299

12.1 导言 299

12.2 快速检测生物活性的降温动力学曲线方法 299

12.3 改进的测定生物组织活性的循环温差法 303

12.4 检测生物样品活性的电阻抗方法 306

12.5 刻画生物样品冷热损伤程度的熵产理论 320

12.6 典型冷冻及复温过程的熵产率分析 323

12.7 刻画由冷热损伤引起的组织熵产变化及损伤度的关系式 327

参考文献 331

索引 333