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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