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基于激光治疗的光纤终端研究

作　者: 李振新
导　师: 李世普
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 光纤终端蒙特卡罗方法 Ansys模拟液晶激光动力学疗法激光热间质疗法
分类号: R318.51
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文针对基于激光在肿瘤治疗中应用的光纤终端，进行了以临床应用为目的的实验研究工作。对所涉及的生物光学、生物传热学、相关的检测技术以及实验的数据采集与设备控制都作了相应的论述与研究。形成了一套基于激光治疗的光纤终端的研究方法。并为光纤终端的制作和临床应用打下了理论和实验基础。激光在医学中的应用，其实质是激光与生物组织的相互作用。根据其波长、能量和作用方式的不同，其在医学治疗中形成了不同的分支。例如，利用光波长的光动力学疗法、利用激光强能量的激光手术和弱激光的间质热疗法等。而这些疗法目前主要应用在对肿瘤的治疗中。在激光治疗肿瘤的过程中，作为传能部分的光纤终端，对治疗效果起着极其重要的作用。由于生物组织中肿瘤的大小、形状和位置各不相同，所以，直接与肿瘤组织相作用的光纤终端的传光能力、形状结构以及对光能的分散程度和形状，将会影响到治疗的最终结果和治疗的成败。因此，本文从对光纤终端形状的分析着手，对与之相关的知识进行了系统的研究。本文首先介绍了激光和激光技术在医学中的应用；介绍了与激光医学相关的组织光学、组织传热学、激光技术、激光的动力学疗法和激光热间质疗法等各领域的发展状况、目前的研究水平和实际应用情况。指出了激光技术在应用中存在的问题，提出了本文的研究方向和思路。随后，根据生物组织的结构特点和光子在物质中的传输理论，从理论上探讨了光在生物组织中的传播现象。提出了利用蒙特卡罗方法，研究光纤终端出射光与光纤终端形状关系的方法，是蒙特卡罗方法在激光医学中的一种新的应用方式。利用蒙特卡罗方法，对光纤终端射出光在生物组织中的分布与传播进行的模拟，增加了光纤终端在设计和使用中的直观性和可靠性。并且对激光与生物组织相互作用的热现象进行了分析。根据生物组织的热传导方程和生物组织结构的特点，利用有限元的方法，分析了不同光纤终端在生物组织中形成的热分布。在利用Ansys软件进行模拟分析时，为了能更加突出主要的问题，所以在软件的使用中，将生物组织结构进行了简单化。这与实际存在着一定的差别，但其模拟结果对光纤终端的研究是具有指导意义的。在激光的热间质疗法中，对温度的控制和测量是至关重要的。准确的控制温度，能够获得良好的效果，达到治疗的目的，同时最大限度地减少激光对正常组织的损伤。要达到控制温度的目的，首先要能够准确的测

全文目录

第1章绪论  13-25
  1.1 激光医学的发展  13-19
  1.2 组织光学的进展  19-21
  1.3 组织传热学的进展  21-22
  1.4 制约因素  22-25
    1.4.1 研究水平低  22
    1.4.2 激光器设备水平低  22-23
    1.4.3 辅助设备和光纤终端的设计研究匮乏  23
    1.4.4 本文研究的内容及方向  23-24
    1.4.5 研究意义  24-25
第2章生物组织光学  25-40
  2.1 引言  25-26
  2.2 组织光学参数  26-29
    2.2.1 吸收系数  26-27
    2.2.2 散射系数  27
    2.2.3 平均散射余弦  27
    2.2.4 平均折射率  27-29
  2.3 生物组织结构对光子传输的作用  29
  2.4 输运理论  29-30
  2.5 漫射近似理论  30-31
  2.6 蒙特卡洛方法  31-38
    2.6.1 MC方法简介  31-32
    2.6.2 随机抽样原理  32-34
    2.6.3 模拟的主要步骤与过程  34-38
  2.7 光纤终端光场的模拟  38-40
第3章生物组织传热学  40-61
  3.1 生物组织传热理论  40-47
    3.1.1 热平衡  40-42
    3.1.2 组织的热传输  42-44
    3.1.3 生物热传输方程  44-46
    3.1.4 定解条件  46-47
  3.2 生物组织的热学参数  47-52
    3.2.1 热学参数概念  47-49
    3.2.2 经验公式  49-50
    3.2.3 热学参数的测量  50-52
  3.3 光纤终端在组织中的热传输模拟  52-61
    3.3.1 有限元 Ansys  52-55
    3.3.2 终端热传输模拟  55-59
    3.3.3 不同光纤终端温度场  59-61
第4章检测技术  61-90
  4.1 引言  61
  4.2 热敏电阻检测  61-66
    4.2.1 热敏电阻检测法  61
    4.2.2 负温度系数热敏电阻参数及性能  61-64
    4.2.3 实验用热敏电阻  64-65
    4.2.4 阻温特性表与曲线  65-66
    4.2.5 数据采集仪  66
    4.2.6 数据采集仪采集温度变化曲线  66
  4.3 红外检测  66-71
    4.3.1 非接触式红外测温的原理  67
    4.3.2 非接触红外测温特点  67-68
    4.3.3 激光红外测温  68-71
  4.4 液晶测温  71-81
    4.4.1 液晶及特点  71-72
    4.4.2 相变与结构  72-76
    4.4.3 液晶分类  76-77
    4.4.4 液晶结构  77
    4.4.5 胆甾相液晶光学特性  77-79
    4.4.6 胆甾相液晶的温度效应  79-80
    4.4.7 一体化测温方法  80-81
  4.5 散斑检测  81-90
    4.5.1 散斑检测技术  81-82
    4.5.2 散斑的形成及其分类  82-83
    4.5.3 散斑图像的形成  83-85
    4.5.4 随机表面光散射研究  85-87
    4.5.5 散斑场的统计特性  87-90
第5章采集与控制系统  90-117
  5.1 前言  90-92
  5.2 单片机技术的发展  92-94
  5.3 单片机技术的应用  94-95
  5.4 单片机系统的设计  95-109
    5.4.1 单片机系统结构原理图  95-97
    5.4.2 系统主要模块介绍  97-101
    5.4.3 数据采集模块  101-106
    5.4.4 串行通讯模块  106-108
    5.4.5 电源  108-109
  5.5 单片机软件主要模块设计  109-115
    5.5.1 主程序  109
    5.5.2 采集与控制  109
    5.5.3 通信  109-111
    5.5.4 上位机软件  111-115
  5.6 系统的性能特点  115-117
第6章光纤终端的加工研究  117-152
  6.1 光纤的发展状况  117-118
  6.2 光纤传光原理  118-120
  6.3 光纤的选取  120-125
    6.3.1 石英光纤类型  120-122
    6.3.2 石英光纤的特点  122
    6.3.3 影响传光的因素  122-125
  6.4 光纤连接方法  125-127
    6.4.1 永久性连接  125-126
    6.4.2 连接器  126-127
  6.5 终端加工  127-152
    6.5.1 化学加工  127-128
    6.5.2 研磨  128-129
    6.5.3 影响研磨的主要因素  129-131
    6.5.4 光纤镀膜  131
    6.5.5 设备  131-132
    6.5.6 实验与模拟结果  132-142
    6.5.7 讨论  142-151
    6.5.8 结论  151-152
第7章结论  152-154
参考文献  154-161
博士期间发表文章  161-162
致谢  162

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