Автореферат (Лазерная функциональная модификация хрящевой ткани и тканей глаза), страница 3

Обоснованы научная новизна полученныхрезультатов и практическая значимость работы. Сформулированы защищаемыеположения. Введение завершается перечислением личного вклада автора иинформацией об апробации основных результатов работы на международныхконференциях с полным перечнем опубликованных статей, включающим 24статьи в рецензируемых российских и международных изданиях из списка ВАКи библиографических баз Scopus и Web of Science, две главы в коллективныхмонографиях и 1 патент РФ на способ лечения резистентных формоткрытоугольной глаукомы.10В Главе 1 рассматриваются основные особенности взаимодействиялазерного излучения с биологическими тканями. Описываются основныесоциальные проблемы, на решение которых направлено данное исследование:это нарушения здоровья, связанные с деформацией и деградацией хрящевойткани, а также аномалии тканей глаза, приводящие к миопии, гиперметропии иастигматизму, росту катарактальной пленки и повышению внутриглазногодавления, сопровождающему глаукому.

Рассмотрены существующие нанастоящий момент подходы к решению этих проблем, их недостатки иограничения.Особенное внимание уделено термомеханическому действию лазерногоизлучения на хрящ, и известным к началу работ над диссертацией, основнымзакономерностям изменения оптических характеристик при лазерномвоздействии.

Рассматриваются механизмы управляемого изменения формыхрящевой ткани и найденное ранее с помощью атомно-силовой микроскопии,возникновение пористой структуры для хряща носовой перегородки.Описываются процессы релаксации напряжений при лазерной коррекцииформы носовой перегородки (септохондрокоррекции). Именно дляразработанной ранее аппаратуры, применяемой в данной медицинскойоперации, в Главе 2 оценивается эффективность контрольной системы,обеспечивающей безопасность лазерного воздействия.Уделено также внимание моделированию заболеваний суставного хрящакроликов, которое легло в основу моделирования артрита свиного коленногосустава, который в дальнейшем использовался для исследования процессалазерной регенерации гиалинового хряща (Глава 5).Рассматриваются биофункциональные наночастицы, методы иххарактеризации и процесс импрегнации магнитных наночастиц в хрящевуюткань.

Показано, что химические и лазерные методы изготовления истабилизации биофункциональных наночастиц оксидов железа перспективныдля лазерной инженерии биологических тканей.Обсуждаются проблемы определения допустимых параметров лазерноговоздействия и отсутствие достаточно надежных контрольных систем,обеспечивающих эффективность и безопасность лазерных медицинскихтехнологий, недостаточность изученности механизмов лазерного воздействияна клетки, и, исходя из вышесказанного, формулируются задачи настоящегоисследования.Также в 1 главе описываются использованные в работе теоретические иэкспериментальные методы:Теоретические методы: 1) Методы теории теплопроводности дляописания воздействия неразрушающего лазерного излучения на биологическиеткани; 2) методы теории упругости и термоупругости для построенияадекватной теоретической модели распространения термомеханическихнапряжений в биологических тканях; 3) методы численного моделирования для11решения задач теплопроводности и термоупругости с учетом их динамическогохарактера и конечных деформаций.Экспериментальные методы: 1) Лазерной модификации тканей сиспользованием лазеров с длинами волн 1,56 мкм, 1,45 мкм, 1,06 мкм, 0,83 мкм,0,81 мкм, 532 нм; 2) ИК-радиометрия для измерения температуры в процесселазерного воздействия.

3) Метод рассеяния лазерного излучения вперед и назаддля изучения динамики структурных изменений при изменении пористойструктуры и оптических характеристик в ИК и видимом диапазонах. 4) Атомносиловая микроскопия с возможностью исследования упругих свойствмодифицированных образцов. 4) Комбинированная оптоакустическая иультразвуковая микроскопия. 5) Микроскопия структурированного облучения свысоким разрешением. 6) Калориметрические измерения теплоты фазовыхпереходов при релаксации напряжений и коагуляции коллагена. 7) Электроннаямикроскопия.

8) Гистологический и гистохимический анализы.В Главе 2 представлена теоретическая модель температурного поля прилазерном нагреве. Проведено численное моделирование и исследование степенивлияния различных лазерных параметров и параметров биологической ткани натемпературное поле.2.1. Теоретическая модель лазерного нагрева при внешнеммеханическом воздействии на поверхность биологической ткани.В §2.1 рассматривается задача о распространении тепла через трехмерноепространство, состоящее из соприкасающихся сред (сапфировый индентер,подводящий лазерное излучение к слизистой оболочке, покрывающей хрящносовой перегородки и чехол, покрывающий индентер).В основе теоретической модели лежит уравнение теплопроводности (2.1)с объемным источником тепла G ( x, y , z ,τ ) , порождаемым лазерным излучениеми затухающим с глубиной по закону Бугера-Ламберта-Бера с эффективнымпоказателем поглощения κ (2.2).∂T ( x, y, z,τ )(2.1)= a∆T ( x, y, z ,τ ) + G ( x, y, z ,τ )∂τгде a — коэффициент температуропроводности.

Плотность падающегопотока энергии на поперечную поверхность хрящевой ткани имеетпространственное распределение, соответствующее распределению Гаусса сэффективным радиусом пучка r02(x), учитывающим расхождение пучка впоперечном направлении по мере прохождения через среды в направлении x. y 2 + z 2  κ exp ( −κ x )(2.2)G ( x, y, z,τ ) = P (τ ) exp  − 2rxcρ() 0здесь P(τ) — зависящая от времени мощность лазерного излучения, c —удельная теплоемкость, ρ — плотность.12На границах раздела сред записывались граничное условие постоянстваплотности теплового потока:∂T m (τ )∂T n (τ )λm S= λn S∂i∂i(2.3)или конвективного теплообмена между окружающей средой иповерхностью хряща носовой перегородки, покрытой слизистой оболочкой:(2.4)qSm (τ ) = α (TS (τ ) − TS 0 (τ ) )где m и n — индексы, нумерующие соприкасающиеся среды, индекс i —x, y или z, λ — коэффициент теплопроводности, S0 — ближайшие кповерхности раздела точки окружающей среды, S — точки поверхностираздела.2.2.

Численное моделирование лазерного нагрева биологической тканипри внешнем механическом воздействии на ее поверхность.В процессе лазерной коррекции формы носового перегородкиосуществлялось надавливание индентером на слизистую оболочку,покрывающую хрящ, для (1) придания нужной формы хрящу, (2) длявыдавливания из приповерхностного слоя поглощающей лазерное излучениеводы, что предотвращало повреждение слизистой оболочки. С учетомгеометрии, дифференциальное уравнение теплопроводности невозможно былорешить аналитически, и для решения задачи использовался метод конечныхразностей (метод сеток), основанный на замене производных ихприближенными значениями, выраженными через разности значений функций вузлах сетки. При этом дифференциальные уравнения заменялисьэквивалентными соотношениями в конечных разностях, и температура наследующем шаге временной сетки выражалась через значения температуры надвух предыдущих временных слоях.Для численного моделирования в программе «Mathematica»использовалась трехслойная по времени схема Франкела-Дюфорта, в которойзначения функции на втором временном слое рассчитывались по явнойцентральной четырехточечной схеме.

Значение сеточной функции на третьемвременном слое рассчитывались по ее значениям на двух предыдущихвременных слоях, при этом устойчивость сетки обеспечивалась членами,соответствующими второй производной температуры по времени.2.3. Численная оценка степени влияния параметров лазерноговоздействия на температурное поле.В данном параграфе определение степени влияния параметров лазерноговоздействия и параметров биологических объектов на распространениетемпературного поля проводилось для аппаратуры, используемой для операции«септохондрокоррекции» - коррекции формы хряща носовой перегородки.13Поскольку параметры биологических объектов, характеризующиеоптические и теплофизические свойства многослойной системы, не всегдаточно известны, для теоретического расчета были выбраны средние значениядля каждого такого параметра, а также были проведены вариации каждогопараметра в определенных пределах для нахождения его влияния на конечныйрезультат расчета.