專利名稱：一種激光誘導(dǎo)生物組織光熱效應(yīng)的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光誘導(dǎo)生物組織光熱效應(yīng)模擬技術(shù)，特別涉及一種通過RC電路模型模擬的方法。
背景技術(shù)：
激光外科手術(shù)是一種新興的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)上有越來越廣泛的應(yīng)用，它能有效地切除病變組織，切割視線清晰，出血量少，傷口愈合快，但是，由于用于切割的激光能量較高，作用時間短，人為控制存在很大的風(fēng)險:如果激光功率、作用距離和作用時間控制不精確，很容易造成周圍正常組織的損傷，臨床上常采用調(diào)低激光能量以實現(xiàn)時間的控制，但延長了手術(shù)時間，止血效果不好，而且存在潛在的損傷，另一方面，激光手術(shù)時組織溫升很快，溫度很高，而且是三維測溫問題，很難達到實時溫度監(jiān)控和反饋控制，因此目前激光手術(shù)主要依賴于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗。現(xiàn)有的激光誘導(dǎo)生物組織的光熱效應(yīng)模擬方法依賴于組織眾多的光學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)，模型進行了許多簡化，預(yù)測誤差很大，不能解決實際的激光照射下生物組織溫度的預(yù)測問題。由于激光誘導(dǎo)生物組織的光熱效應(yīng)研究可提供全面的組織溫升信息，有利于激光參數(shù)的提前設(shè)定，而成為研究的重點。其中經(jīng)典的Pennes生物傳熱方程是主要的理論模型，求解的數(shù)值方法有有限差分法和有限元法等。經(jīng)典的Pennes生物傳熱方程:
權(quán)利要求
1.一種采用RC電路模型模擬激光誘導(dǎo)生物組織光熱效應(yīng)的方法，包括RC光熱效應(yīng)模型建立和激光誘導(dǎo)生物組織光熱效應(yīng)模擬計算兩個部分，第一部分包括七個步驟: 步驟1，建立模型。根據(jù)人體電 路等效模型獲得RC電路響應(yīng)模型； 步驟2，定義模型參數(shù)。通過定義模型參數(shù)生物學(xué)意義明確模型參數(shù)T和A與生物組織之間的等效對應(yīng)關(guān)系，建立激光誘導(dǎo)生物組織RC光熱效應(yīng)模型； 步驟3，建立模型參數(shù)計算方法。建立模型參數(shù)計算的兩種方法； 步驟4，溫度實驗。通過溫度測量設(shè)備來測量激光照射下生物組織任意點的溫度響應(yīng)曲線，提取溫度參數(shù)，記錄激光功率密度I和測量位置d，測量組織含水量W ; 步驟5，提取模型參數(shù)。根據(jù)步驟3建立的RC光熱效應(yīng)模型參數(shù)計算方法和步驟4提取的溫度參數(shù)提取模型參數(shù)T和A; 步驟6，獲取比例系數(shù)。根據(jù)步驟4獲得的測量位置d和組織含水量W計算參數(shù)e，根據(jù)模型參數(shù)A和激光功率密度I計算比例系數(shù)p，根據(jù)模型參數(shù)T和參數(shù)e計算比例系數(shù)s ； 步驟7，存儲參數(shù)。存儲激光和組織類型、組織含水量W、比例系數(shù)p和s至數(shù)據(jù)庫，以便第二部分模擬計算調(diào)用； 第二部分包括四個步驟: 步驟8，設(shè)計實驗。設(shè)計實驗采用的激光功率密度I和模擬計算的位置d ； 步驟9，提取模型參數(shù)。根據(jù)激光和組織類型調(diào)用步驟7存儲的組織含水量W、比例系數(shù)P和S，根據(jù)d和W計算參數(shù)e，根據(jù)I和p確定模型參數(shù)A，根據(jù)e和s計算模型參數(shù)t ；步驟10，模擬計算。將模型參數(shù)A和T帶入步驟2的RC光熱效應(yīng)響應(yīng)模型進行模擬計算，繪制出溫度響應(yīng)曲線； 步驟11，誤差分析。將步驟10中模擬計算的的與實際的激光誘導(dǎo)生物組織溫度響應(yīng)曲線進行比較，獲得模擬誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中的激光類型包括CO2激光、Nd= YAG激光、紅寶石激光、半導(dǎo)體激光和HeNe激光等能產(chǎn)生熱效應(yīng)的激光器，其中的組織類型包括動物、植物和人體所有的離體和在體生物組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟I中的RC電路模型是根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)推導(dǎo)RC電路的系統(tǒng)函數(shù)和單位沖激響應(yīng)，然后根據(jù)單位沖激響應(yīng)和矩形輸入信號的 卷積得到RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)模型為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟2中y(t)對應(yīng)于組織溫升，A對應(yīng)于輸入的激光功率密度，r =1/RC, 對應(yīng)于組織的等效電阻和電容，R和C分別代表生物組織的等效內(nèi)液電阻和膜電容，ti對應(yīng)于激光照射時間，t對應(yīng)于計算時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3中提取模型參數(shù)T和A的兩種方法的公式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4是根據(jù)所測溫度曲線的上升時間精確確定激光照射時間此時對應(yīng)的溫度為最高溫度Tmax，起始點溫度Ttl,再得到/2處的溫度T1和3V2處的溫度T2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟6參數(shù)e的計算公式為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟9中模型參數(shù)A的計算公式為A= p.1，模型參數(shù)T的計算公式為T = s.e。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過RC電路模型模擬激光誘導(dǎo)生物組織光熱效應(yīng)的方法?，F(xiàn)有技術(shù)采用Pennes方程來模擬的方法存在所需參數(shù)多和預(yù)測誤差大等問題。本發(fā)明的模擬方法先建立RC電路模型；定義模型參數(shù)；然后進行溫度實驗，提取溫度參數(shù)，記錄激光功率密度I和測量位置d，測量組織含水量W，計算參數(shù)e；再提取τ和A；獲取比例系數(shù)p和s；存儲激光和組織類型、W、p和s至數(shù)據(jù)庫；模擬時首先設(shè)計實驗采用的I和d；然后調(diào)用W、p和s，根據(jù)W和d計算e，根據(jù)I和p計算A，根據(jù)e和s計算τ；將A和τ帶入模型進行模擬計算；最后將模擬的與實際的溫度響應(yīng)曲線進行比較，獲得模擬誤差。如此依據(jù)兩個模型參數(shù)τ和A就可方便、準確地實現(xiàn)光熱效應(yīng)模擬。
文檔編號A61B18/14GK103093081SQ20121056736
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者李小霞, 尚麗平, 鄧琥, 何俊, 韓雪梅, 王順利 申請人:西南科技大學(xué)