冷冻外科的热质传输理论研究已成为前沿热门课题,研究生物组织冻融过程的传热传质规律具有重要的理论意义和实用价值。本文首先进行了负压减小血流灌注的机理分析与实验验证,分析表明血流灌注对生物传热的影响很大;局部负压作用时间的长短对组织的充血和淤血影响较小,局部负压的大小是使组织充血甚至淤血的主要因素;采用真空泵的抽吸使组织处于负压状态,既可减少组织的血流灌注,又有助于减小癌细胞的扩散几率,提高手术成功率,为此本文首次提出自吸式液体CO₂冷冻刀这一概念。作者率先研制出自吸式、导热式和直喷式等3种液体CO₂冷冻刀具结构,并搭建和调试了实验装置。提出在节流过程中增加中间加热器,创新性地解决了节流中干冰堵塞问题,为冷冻刀提供持续可靠的CO₂冷气。文中首次对新鲜牛肉、猪肝脏等生物组织进行了二维温度场分布实验研究,首先采用红外热像仪测试冻结组织的剖面温度分布趋势,发现受冻组织竖直平面内温度呈轴对称分布,于是将热电偶布置在刀头接触点竖直向下的半个平面内,由于其对称性,既可将整个二维平面的温度场分布测出,又可减小对整个温度场的破坏,结果表明:同等直径冷冻刀头,CO₂喷到组织,在与冷冻刀头接触部位处先出现极小半径冰球,冰球随着冷冻时间的增加而长大,一段时间后,组织出现稳态导热,此时温度梯度不再变化,冰球边沿即组织发生相变处的温度梯度值最大;停止通CO₂后,开始阶段组织复温迅速,之后变得十分缓慢,受冻组织2 h以上才能恢复到冷冻前的初始温度。随着冷冻刀直径的增加,温度影响区域明显增大,冰球直径随着增大,瞬态温度分布趋势不变。结构疏松组织,多次与单次冻融循环的降温和复温速率相差不大,单次已对组织造成较大机械破损;结构致密组织,多次冻融循环可使降温和复温速率增加,单次冻融循环的热应力造成的机械破损较小,多次冻融循环造成的机械破损较大。疏松组织可用单次冻融,致密组织应用2次甚至3次冻融循环,3次冻融循环效果更佳。直喷式比导热式刀头降低能耗15%。双刀头冷冻时降温速度比单刀头快,稳态导热时温度在双刀头并排方向的影响区域比单刀头增加80%以上,而三刀头的冷冻降温速率比双刀头约快25%,降温影响区域比双刀头大。活体实验表明自吸式刀头减小血流灌注约90%,很好地减小了血流灌注对冷冻过程的降温速度和降温能力的影响。本文率先对部分离体生物组织相变潜热及比热容进行了DSC测试,得出:生物组织的相变区间一般在-5 - -20℃范围内,脂肪含量高、水分含量低的组织,相变潜热小,发生相变的起始和结束温度区间窄;反之相变潜热大,发生相变的起