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0  引言
       激光武器由于具有速度快、靈活精確、摧毀力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，深受諸多軍事強(qiáng)國的親賴，使現(xiàn)代戰(zhàn)爭面臨著激光的威脅．激光武器在攻擊人身時(shí)除了可用于人眼致盲外，也可用于燒灼人的皮膚，可造成皮膚組織的燒蝕、碳化、汽化、凝固和濺射等現(xiàn)象．因此，積極開展激光輻照皮膚組織熱效應(yīng)的研究對(duì)于激光對(duì)抗與防護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有非常重
要的理論和現(xiàn)實(shí)意義．

       雖然我國軍用激光安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一系列的皮膚照射限值，但對(duì)近紅外波段１３１９ｎｍ波長的數(shù)據(jù)卻不足．

       目前，國內(nèi)的研究重點(diǎn)除了激光與生物組織相互作用的光傳輸規(guī)律外，對(duì)于激光輻照組織的熱效應(yīng)也已進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究．國外近兩年來多為激光作用于Ｙｕｃａｔａｎ小種豬皮膚的溫升效應(yīng)及損傷研究．雖然國內(nèi)外相關(guān)報(bào)導(dǎo)非常多，但對(duì)于１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 連續(xù)激光與人體皮膚組織傳熱效應(yīng)的研究較少．

       本文通過實(shí)驗(yàn)測定了離體人皮膚組織在１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 連續(xù)激光輻照下不同位置的溫度分布，重點(diǎn)研究了輻照功率密度以及作用時(shí)間對(duì)組織中溫度分布的影響．所獲得的皮膚組織溫升的數(shù)據(jù)可以增加激光皮膚相互作用的現(xiàn)存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是安全標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，對(duì)激光安全與防護(hù)有著重要作用．

１　實(shí)驗(yàn)材料與方法

１．１　實(shí)驗(yàn)材料

       實(shí)驗(yàn)樣品取自離體的人體腹部皮膚，由河北醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院病理科提供，手術(shù)切下皮膚后即刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．取皮膚組織若干，切成大小均勻的小塊，尺寸為３ｃｍ×３ｃｍ×０．７ｃｍ．每組實(shí)驗(yàn)５ 個(gè)樣品，結(jié)果取平均值．

１．２　實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖１．

       實(shí)驗(yàn)采用天津大學(xué)激光與光電子研究所的１３１９ｎｍ波長Ｎｄ：ＹＡＧ 調(diào)制輸出激光器，可輸出連續(xù)激光，功率在０～３０ Ｗ可調(diào)．其光斑直徑為０．５ｃｍ．功率計(jì)采用美國Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司的ＥＰＭ１０００ｅ型功率計(jì)以及配套的能量探頭測量并記錄激光功率，它具有實(shí)時(shí)測量和自動(dòng)存儲(chǔ)能力．其光譜范圍在２５０～１０６００ｎｍ，測量不確定度為２％．溫度記錄儀是上海威銘公司的ＹＢＪＬ８１０溫度記錄儀，它有８個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)８路的信號(hào)采集和記錄．記錄間隔為１ｓ，基本誤差為０．２％．測溫探頭是直徑為１ｍｍ 的Ｋ 型熱電偶，其冷端補(bǔ)償誤差為±１℃．

       實(shí)驗(yàn)過程中，激光器發(fā)射激光到達(dá)分束鏡（分束比為１∶２５），一部分激光通過分束鏡后直接照射皮膚樣品；另一部分激光由分束鏡轉(zhuǎn)向到達(dá)功率計(jì)．根據(jù)功率計(jì)測量的激光功率和兩分束光的比例，可計(jì)算出射向皮膚樣品的激光功率．由于光源發(fā)射出的１３１９ｎｍ 激光不可見，給實(shí)驗(yàn)造成不便，所以使用氦氖激光器來追蹤光路．實(shí)驗(yàn)時(shí)通過改變連續(xù)激光的輸出功率以及作用時(shí)間，研究皮膚組織在不同條件下徑向及軸向各點(diǎn)的溫度變化．
      

       將一只Ｋ 型熱電偶探針Ｐ１ 沿著光斑中心處從皮膚樣品后表面垂直插入，移動(dòng)探針位置，使其距離皮膚表面約１ ｍｍ 處，其余四只熱電偶以同樣的方式，在組織相同深度處，徑向不同位置依次插入，分別埋置于距離光斑中心２ ｍｍ、４ ｍｍ、６ ｍｍ 以及８ｍｍ處，如圖２，用于測量皮膚組織在徑向不同位置的溫度分布變化情況．相同激光條件下，取不同皮
膚組織（可以認(rèn)為其光熱參量相同），將三只熱電偶探針分別埋置于光斑所輻照皮膚組織的正下方１ｍｍ、３ｍｍ 以及５ｍｍ 處，用于測量皮膚組織在激光輻照中心處，軸向上的溫度分布變化情況．

２　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１　皮膚組織中不同探測位置的溫度分布
 

       圖３給出了一定條件下１３１９ｎｍ 連續(xù)激光輻照離體人皮膚組織的徑向不同位置溫度隨時(shí)間分布．由圖可知，組織溫升沿激光輻照中心徑向距離的增加而減小；在r＝０、r＝２ｍｍ 及r＝４ｍｍ 處溫度有較大升高，r＝６ｍｍ 及r＝８ｍｍ 處離光斑中心點(diǎn)較遠(yuǎn)，溫度變化不明顯，熱效應(yīng)主要發(fā)生在光斑區(qū)及光斑區(qū)附近較小范圍內(nèi)；熱擴(kuò)散到一定程度后，r＝０ｍｍ和r＝２ ｍｍ 處的溫升曲線趨于重合，溫度達(dá)到熱平衡．

       圖４給出了一定條件下１３１９ｎｍ 連續(xù)激光輻照離體人皮膚組織的軸向不同位置溫度隨時(shí)間分布．由圖４可知：組織溫升沿軸向距離的增加而減小；不同探測位置的溫度分布相差較大，在靠近組織表面處溫度上升幅度較大，而在遠(yuǎn)離表面的r＝５ｍｍ處則沒有明顯的上升下降趨勢(shì)，可見人體皮膚組織是熱的不良導(dǎo)體，激光能量的擴(kuò)散被限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)．

２．２　不同功率密度下皮膚組織中的溫度分布

       圖５給出了相同輻照時(shí)間、不同功率密度下光斑中心皮下１ ｍｍ 處溫度隨時(shí)間的分布．由圖５ 可知，皮膚組織的溫升及溫度變化率隨激光功率密度的增加而增大；相比于功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、輻照時(shí)間為５ｓ時(shí)組織所達(dá)到的溫度，功率密度提高約２倍，組織溫升增加２８．９４℃，而輻照時(shí)間延長了１倍，組織溫升只增加２．７２℃，可見提高激光功率密度是一種比延長輻照時(shí)間更為有效的提高溫升的方法．因此，連續(xù)激光功率密度是皮膚組織熱效應(yīng)的一個(gè)重要參量．

２．３　不同輻照時(shí)間下皮膚組織中的溫度分布

       圖６給出了相同功率密度、不同輻照時(shí)間下光斑中心皮下１ｍｍ 處溫度隨時(shí)間分布．由圖６可知，在激光輻照階段，組織溫度持續(xù)上升；停止照射后，組織溫度都有一個(gè)短時(shí)間上升過程，然后才開始下降；輻照時(shí)間越長，組織溫升越大，但圖６（ａ）中每延長５ｓ，最高溫度升高約２．３３℃，變化不明顯．在功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２ 的情況下，輻照時(shí)間達(dá)到１２０ｓ時(shí)，皮膚組織溫度超過５５℃，在幾秒內(nèi)組織將很快發(fā)生凝固壞死，而在功率密度為４８．９２Ｗ／ｃｍ２ 的情況下，輻照時(shí)間僅達(dá)到６ｓ時(shí)，組織溫度就達(dá)到５５℃，而小于上述兩值的輻照時(shí)間是較為安全的．相比于文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在５１４．５ｎｍＡｒ＋激光的功率密度為２．７６ Ｗ／ｃｍ２ 時(shí)，輻照５０ｓ便可使豬鼻咽組織達(dá)到５５℃，可見１３１９ｎｍ 激光的熱效應(yīng)較Ａｒ＋ 激光差．兩圖中不同照射時(shí)間輻照階段的溫升曲線并不完全重合，這可能是由于在實(shí)驗(yàn)過程中光束質(zhì)量不穩(wěn)定而導(dǎo)致測得的溫度有所差異，或者是測溫?zé)犭娕嫉慕饘偬筋^直接吸收了穿透過來的激光能量，致使溫度有一定誤差．#p#分頁標(biāo)題#e#

３　結(jié)論
 

       本文通過實(shí)驗(yàn)，研究了１３１９ ｎｍ 連續(xù)Ｎｄ：ＹＡＧ 激光輻照離體人皮膚組織的光熱效應(yīng)，實(shí)時(shí)測量激光在不同功率密度及作用時(shí)間下，皮膚組織徑向及軸向的各點(diǎn)溫度分布，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析．研究表明，皮膚組織溫升隨激光輻照中心的徑向及軸向距離增加而減小，隨功率密度的增加而增大；提高連續(xù)激光的功率密度是比延長輻照時(shí)間更為有效的提高組織溫升的辦法；當(dāng)激光輸出功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、輻照時(shí)間達(dá)到１２０ｓ，以及功率密度為４８．９２ Ｗ／ｃｍ２、輻照時(shí)間達(dá)到６ｓ時(shí)，皮膚組織溫度均超過５５℃，即可產(chǎn)生凝固效應(yīng)，組織受到損傷，而小于此兩值的激光輻照時(shí)間是較為安全的．但由于活體人皮膚組織的含水量大于離體組織，而且在紅外波長范圍內(nèi)水分的吸收系數(shù)較高，因此實(shí)際的安全輻照時(shí)間閾值可能會(huì)比上述值低一些．