复杂物理场作用下的激光皮肤手术关键热物理问题及热损伤动力学机理研究

One of the defects of modern laser technique in dermatology is that the surgery could not achieve desired clinic results and provide sufficient cooling for people with darker skin such as Chinese. It is highly possible to increase the treatment efficiency by the coupling of treatment laser with the skin cooling technique. The laser treatment of skin diseases is a process based on selective photothermolysis involving complex heat transfer, biochemical reaction and thermal damage of skin tissue. From the view point of interdisciplinary of many related fields, this project starts a thoroughly theoretical and experimental investigation on the related thermo-physic and biochemical reaction. The main contents of this study are: 1) high efficient self-adaptive 3D unstructured voxel-based Monte Carlo method; 2) dynamic characteristics of the optical absorption properties of the skin components; 3) investigation on skin tissue thermal damage dynamics based on the dorsal skin chamber technique; 4) atomization characteristic and surface heat transfer mechanism of spray cooling with multi-candidate agents coupled with laser treatment. The ultimate integrated theoretical models will be developed to investigate interaction of the near infrared laser with blood or melanin particles, to optimize treatment wavelength and skin cooling parameters, and improve the treatment by addition of nano gold particles. It is believed that this research will enrich the knowledge of traditional engineering thermal sciences and provide valuable instruction to clinic.

激光皮肤手术普遍存在治愈率低、对黄种人表皮冷却保护不足等缺点，激光与表面冷却技术的耦合对提高临床常见皮肤病的疗效具有巨大的潜力。激光皮肤手术过程是光能基于选择性光热效应在结构复杂的皮肤组织内引起的复杂传热和生化反应过程以及多物理场作用下生物组织损伤过程的总和。本项目从学科交叉与渗透出发，针对激光手术光热转化过程中涉及的热物理和生化反应问题开展理论和实验研究，包括：1)高效自适应光传播三维非结构化网格蒙特卡洛方法；2)生物组织光学参数的动态特吸收特性；3)基于鼠脊视窗的组织热损伤动力学；4)与激光手术相匹配的多介质喷雾特性及表面动态传热机理等。最终建立符合皮肤真实传热过程的总体模型，研究近红外长波激光对血管和色素性疾病的作用机制，优化治疗波段及其与冷却方式的耦合，探索纳米金颗粒增强疗效的机理。本项目将有助于促进多相流与传热学科发展，为临床应用提供理论指导，具有重要的学术意义和巨大的实用价值。

本项目从工程热物理与临床皮肤医学学科交叉角度针对激光皮肤手术治愈率低、对黄种人表皮冷却保护不足等问题开展理论和实验研究，发展了生物传热流动新理论新方法，揭示血管热损伤的关键热物理机理，探索提高激光皮肤手术临床疗效的新方法及新疗程：1）在生物组织光学参数的动态特吸收特性方面，系统测量了血液在瞬态激光加热下的光谱吸收特性，建立了血红蛋白微观结构激光散射模型，发现血红蛋白非均匀分布形成的“筛孔”效应高估全血吸收系数一倍以上，是导致现有脉冲染料激光疗效不佳的重要原因；2）在瞬态激光手术过程中局部热力学非平衡传热机理方面，发展了多种模拟皮肤组织光子传播与能量沉积的三维自适应蒙特卡洛算法，建立了光热耦合的皮肤组织通用多温度非平衡传热模型。发现不考虑偏振效应的传统模拟对血管中的能量沉积高估5%，从理论上揭示了疗效不高的又一原因；3）在基于鼠脊视窗的组织热损伤动力学方面，揭示了血管对脉冲染料激光与近红外长波激光不同的热响应机理和治疗终点，提出了血管壁压力损伤与热损伤“二元”竞争热损伤新模型，明确了完全堵塞血管的血栓形成是多脉冲激光治疗达到理想热效应的前提；4）在制冷剂闪蒸喷雾特性及表面动态传热机理方面，发展了新型液滴蒸发模型和蒸发性喷雾三维气液两相流动的双向耦合格子涡模拟方法，发现瞬态喷雾条件下无量纲表面热流密度变化具有自相似性，提出了最大热流密度的无量纲关联式。建立了制冷剂喷雾冷却皮肤传热多尺度模型，预测了不同制冷剂的最佳和安全喷雾时间。提出使用膨胀腔喷嘴和真空喷雾提高强化喷雾冷却表面传热的新策略，可将R134a和R404a的热流密度分别提高2.60倍和1.86倍。在此基础上建立激光诱发血红蛋白受热变性形成血栓的介观血液流变学模型，基于患者血管个性化分布预测多脉冲激光照射下的血管损伤过程，提出了全新的多脉冲治疗流程和治疗增厚型难治性血管的时序优化方案，鲜红斑痣激光手术的显效治愈率由34.8%提高至56.5%。研究成果获陕西省科学技术二等奖1项、临床新疗法1项；出版学术专著 2 部（章），发表国际期刊论文40篇，国际会议特邀报告13次；申报发明专利9项、已授权3项，软件著作权3项；新增万人计划1人，培养博士6人、硕士6人。项目实施对推动多相流热物理与激光皮肤医学互相融合形成新的交叉学科方向并开展理论创新，实现血管性皮肤病的个性化、智能化精准化医疗具有重大的科学意义和社会经济效益。