生物内部以及生物与环境之间的热量交换是生命体维持新陈代谢的基本过程，在细胞内、细胞间、组织、器官乃至整个生物体内都在进行，对于维持生物组织正常温度、完成正常生理机能具有关键作用。

生物热物性参数包括：热导率、热扩散率、血液灌注率和组织代谢率。其中，血液灌注率和组织代谢率是活体生物组织特有的热物性参数。血液灌注率是指单位时间内单位体积组织的全部微血管内血液流量。组织代谢率是指单位时间内单位体积组织新陈代谢产生的热量。生物热物性参数具有个体差异和变物性特征，使得生物热物性参数的准确测量较为困难。

生物热物性参数的测量方法主要分为热学方法和非热学方法。热学方法中的稳态平板法只能测量离体生物组织的热导率，已被逐渐弃用。实用的热学方法是等温加热法和热脉冲衰减法，其基本思想是将细探针插入生物组织内进行有损瞬态测量，通过控制球形探头进行恒定温升或输出恒定热流密度，并记录加热量、探头温度、时间的变化关系，采用相应的模型计算得到生物热物性参数。此外，基于体表温度场的无损重构方法具有医学应用价值，但尚处于研究阶段。其基本思想是采用红外成像等技术获得生物组织体表温度场分布，将其输入生物传热模型，通过求解传热反问题获得生物组织内空间温度分布。该方法面临的主要挑战是生物组织细观结构模型尚不完善、数值求解较为困难等。

生物传热仍然遵循常规传热方式，即导热、对流及辐射。然而，由于生物结构的特殊性，生物传热现象及机制不同于常规介质。首先，生物结构复杂，且存在广泛分布、流向复杂的血管，血流量分布和速度分布具有不均匀性，不能套用常规非生物介质的各向同性假设和渗流理论。研究也表明生物组织细观结构和血流量分布对血液-组织、体表附近组织-环境之间的对流传热具有重要影响。其次，生物组织由血流引起的传热量变化较大，在此过程中既有热量交换又有质量传递，增加了生物传热过程的复杂性。此外，生物组织具有变物性特征，其热物性参数（如血液灌注率、组织代谢率等）随个体差异（如年龄）变化较大。最后，生物组织尤其是活体生物组织中存在各种生理机能调节，使得生物传热受到环境和意识的影响，即活体生物组织会主动响应外界刺激。生物传热系统具有小温差和非稳态的特点，对温度测量的精度和灵敏度要求较高。在研究方法上，不同于常规的侵入性测量方法（如热电偶），生物组织应最大限度地采用非介入性的无损测量方法（如射线透视、红外成像测温等）。受到上述因素的限制，生物传热现象及其机制尚未被完全揭示。

由于生物物种、组织构成的差异以及边界条件、生理机能调节的复杂性，尚无法建立一个能够普遍适用于所有生物传热现象的理论模型。应用最为广泛的是由H.H.佩内斯提出的佩内斯生物传热方程（图1），图中Ⅱ位置的横截面即为小图c。该方程将人体手臂简化为圆柱体，在一般固体热传导方程的基础上考虑了代谢热以及血流量所传递的热量，并平均考虑血流的传热效果，从而得到局部组织温度的关系式。佩内斯生物传热方程的一般形式为：

式中为生物组织密度；为比热容；为局部组织温度；为时间；为热导率；为血流灌注率；为代谢率。佩内斯生物传热方程的主要局限是认为血液与血管周边组织的对流传热过程仅发生在具有微观血管的组织内，即当温度为的末段动脉血流进入毛细血管区，与周围组织发生对流传热后汇集到初段静脉血管，此时毛细血管区内组织和血流温度均等于当地组织温度。上述数学表述忽略了血液与组织之间的温差，并且在简化应用中常将温度视为常数，偏离了实际情况。然而佩内斯生物传热方程具有形式简明的优点，经修正后仍是应用广泛的生物传热方程。

实际应用佩内斯生物传热方程的主要困难在于生物组织内部温度场的测定较为困难，且血流灌注率较难精确描述。这需要依赖解剖学和温度场无损重构技术的进一步发展，对生物组织细观结构进行精确描述。其他有代表性的生物传热模型还包括由中国清华大学王补宣院士加以改进的多孔体模型以及人体体温模型等。

图1 用于推导佩内斯生物传热方程的人体实验示意图

生物组织的热学效应是指在一定温度范围内，生物组织特别是活体生物组织会对热刺激产生动态响应，表现为由神经系统控制的血流灌注量变化等，并伴随肌肉抖动和加速排汗行为。当超出温度范围时，生物组织会可逆或不可逆地发生热损伤，表现为局部失能和坏死。很多治疗方法如肿瘤热疗（图2）、激光治疗、液氮疗法等的治疗效果是以热效应的形式体现出来的，生物组织的热学效应对治疗效果有重要影响。此外，生物组织的热学效应还包括生物组织活性与温度之间的对应关系。相对恒定的生理温度是维持生物组织正常新陈代谢的必要条件，适当降低组织温度有利于降低代谢速率、延长离体组织的保存时限，为组织器官移植争取更长时间。生物组织的热效应还考虑病灶向周围组织的传热，从而既能“热死”“冻死”病变组织而不会引起周围组织不可逆的损伤。

图2 应用射频电容场进行深部加热实现肿瘤热疗的装置原理示意图

生物传热的最终目的是应用于生物医学领域。一是通过测量组织局部温度异常来辅助疾病诊断。古代传统医学和现代生物传热研究已经揭示，人体表面温度（特别是关节、舌部等）受到局部血流速率、局部代谢率、组织病变的影响较大。如动静脉血管瘤会导致血流量增加，使得局部体表温度上升，而动静脉血栓会导致血流量减少，使得局部体表温度降低。此外，组织病变也会使得局部代谢热升高（如肿瘤组织）或减低（如失活组织）并反映在体表温度上。因此，采用红外热像仪等技术手段测量组织表面温度已被应用于乳腺癌早期诊断、烧/烫伤分级等病症的辅助诊断。在进一步认识人体组织细观结构和热物性参数的基础上，有望通过体表温度场反推得到人体各脏器的局部温度分布，从而了解脏器的病变程度。二是利用生物传热特性更好地低温保存移植器官。传统上，移植器官常被保存在装有干冰或冰袋的保温箱内，器官由外至内逐渐冷却，会导致器官内微循环异常甚至表面冻伤，保存时间仅为数十小时。现代技术可将冷液体灌注入器官血管，利用血流快速均匀冷却器官，可使得移植器官的保存时间延长至数天。三是利用生物热效应实现治疗目的。如古代采用针灸引导身体对刺激产生响应，从而改变局部血流量达到缓解病症的作用。在现代生物医学中，已成功利用肿瘤细胞和正常细胞的耐受温度不同对肿瘤细胞进行选择性灭杀，实现肿瘤热疗。