生物传热学主要是研究生物体内传热传质的规律以及生物组织的热效应,是生物学、医学与传热传质学的交叉。本文以探索低温外科手术治疗机理为背景,运用跨学科方法对其进行生物传热及组织受力变形方面的研究。近年来,低温外科手术的进展尤为引人瞩目,该方法的独特优点逐步被发掘出来,正拓展应用到诸多临床科目。遗憾的是,受低温制冷、温度测量、冰球实时监测以及靶向引导等技术的制约,低温治疗的理论和临床研究进展缓慢。本论文研究的目的是,选择合适的数学模型,利用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟,得出不同冷冻工况下离体生物组织的瞬态温度变化规律和应力场及二维情况下考虑大血管血流在组织低温冻结相变问题中的传热效应后的温度分布,研究冷刀直径及血管构筑情况对组织温度场的影响,并通过实验定性分析了热应力对组织造成的机械损伤。本文基于经典Pennes生物传热模型,选取参考文献中所提供的组织热物性参数,利用ANSYS商业软件模拟离体生物组织冻结过程,得出了不同直径冷刀作用下组织截面的瞬态温度分布规律及同一冷冻工况下组织不同位置处的温度变化曲线,对判断组织冻伤与否及评判冷刀杀伤半径有重要意义。对组织内含有单根或多根大血管的组织温度场进行了分析,探讨了血管半径、血管与病变组织的相对位置及血管数量对组织温度分布的影响。首次得到考虑血流灌注在组织冻结过程中的传热效应的数值模拟结果,这些工作将为含大血管的肿瘤冷冻治疗研究打下基础。采用完全弹性介质模型,在热分析的基础上,利用ANSYS软件的热-应力耦合功能模拟出组织由于水分冻结体积膨胀和温度分布不均匀所产生的热应力分布,分析了同种冷冻工况下组织径向与轴向典型位置处各向应力的变化规律,讨论了冷刀直径对热应力分布的影响效应,发现冷刀直径较大时,组织内的径向热应力较大。通过设计并搭建液体二氧化碳冷冻刀实验台,获得低温冷刀内液体二氧化碳与被冻组织内部的温度信息,将其与数值模拟所得的温度分布结果进行比较,二者吻合较好;通过对猪肺脏及肝脏反复冻融中出现的裂纹进行实验观察,清晰认识了热应力对组织的机械损伤作用。