Диссертация (1097617), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Численная оценка степени влияния параметров лазерного воздействия натемпературное поле2.3.1. Подбор диапазона параметров для численного моделированияПри проведении конкретных расчетов характеристик теплового процесса, дляопределения влияния различных лазерных параметров и параметров облучаемыхбиологических объектов на температурное поле была использована аппаратура для операции«септохондрокоррекции» - коррекции формы хряща носовой перегородки.Лазерное воздействие образца с длиной волны излучения 1.56 мкм проводилось cпомощью контактора с наконечником (индентером) из искусственного сапфира (корунда)диаметром 3мм, в котором размещались две микротермопары датчика контрольной системы.Рис.

2.1. Внешний вид рабочей части контактора.49Головки термопар находились на специально выбранном фиксированном расстоянииот центра индентера и друг от друга, соответственно 1350 мкм и 2700 мкм. Головкитермопар были углублены по отношению к выходной поверхности индентера на 100-150мкм.Индентер выступал над поверхностью корпуса контактора на 500 мкм. Такоетребование было обусловлено необходимостью постоянного равномерного надавливания наслизистую оболочку хряща во время облучения для предотвращения ее ожога во времяпроведения операции, благодаря локальному уменьшению концентрации воды исоответствующему локальному уменьшению коэффициента поглощения излучения вприповерхностных слоях хрящевой ткани.

Надавливание обеспечивало смещение максимуматемпературы с облучаемой поверхности в объем биологической ткани, что приводило кневозможности непосредственного измерения максимальной температуры, отвечающей заэффективность процесса изменения формы. Также невозможно было измерить TЦ —температуру в центре пятна на поверхности слизистой оболочки (отвечающую забезопасность изменения формы). Как видно из фотографии контактора (Рис.

2.1),температура могла непосредственно измеряться только термопарами, которые были нетолько на периферии лазерного пятна, но также и заглублены на 100-150 мкм.Численное моделирование проводилось для области, схематически представленной наРис.2.2. Рассматривалась задача о распространении тепла через пространство, состоящее изнескольких соприкасающихся сред.

Предполагалось, что в момент времени τ = 0 левая граньрассматриваемого пространства воспринимает тепловой поток лазерного излучениямощностью q0(0, y, z, τ). Распространение тепла происходит перпендикулярно поверхностихрящевой пластины. В качестве граничных условий для внешних границ рассматриваемойобласти пространства выбирались граничные условия 2-ого (2.15) или 3-его (2.16) родасоответственно.Проходя через сапфир (Рис.2.2 №1), покрытый одноразовым покровным чехлом(Рис.2.2 №4) тепловое поле распространяется в биологической ткани (Рис.2.2 №2 и 3),постепенно расширяясь при прохождении вглубь за счет перерассеяния, причем из-запроизводимого контактором надавливания на хрящевую пластину, непосредственно зачехлом располагается область «выдавленного» хряща (Рис.2.2 №2), то есть хряща с меньшимпроцентным содержанием воды.

r1 — радиус сапфирового индентера (1,5 мм), r2 —расстояние от оси симметрии рассматриваемого пространства до внешней границыодноразового чехла. Такая схема рассматривалась при лазерном воздействии на носовуюперегородку. Аналогичная схема рассматривалась для воздействия на реберный хрящ (при50этом отсутствовала прослойка, соответствующая одноразовому покровному чехлу), а такжена суставной хрящ и склеру, но в качестве области контактора использовалась меньшаяобласть, соответствовавшая облучению оптоволокном (Рис.2.2 №1) с диаметром 600 мкм.Рис.

2.2. Схематическое изображение среза рассматриваемой области пространства вдольоси распространения лазерного излучения интенсивностью q0 через пространство,состоящее из нескольких соприкасающихся сред: 1 - сапфировый индентер контактора илиоптоволокно, 2 - биологическая ткань с измененными физичесикими характеристиками(слизистая оболчка или область ткани с уменьшенным коэффициентом поглощения), 3 биологическая ткань (хрящ носовой перегородки, реберный хрящ, склера и т.п.), 4 покровной чехол из полиэтилена, 5 - воздух. Точками обозначены места расположениятермопар (ТТ), точка с максимальной температурой на поверхности биологической ткани(ТЦ) и с максимальной температурой в глубине биологической ткани (TM).При численном моделировании лазерного воздействия приходилось использоватьнекоторое количество величин (относящихся к биологическим объектам), характеризующихоптические и теплофизические свойства многослойной системы, точные значения которыхнеизвестны.

Для теоретического расчета были выбраны средние значения для каждоготакого параметра. Кроме того, были проведены вариации каждого параметра в определенныхпределах для нахождения его влияния на конечный результат расчета.В Таблице 2-1 указаны средние величины, величины с разбросом или диапазонварьирования величин [Григорьев и др., 1991], подставляемых далее в теоретический расчет.51Табл. 2-1. Диапазон значений величин, подставляемых в теоретический расчет.Материалγ — плотность,λ(T) — коэффициентcv — удельнаяЭффективный кг  мм3 теплопроводности,изохорнаяпоказатель мм кг  сек 3 град теплоемкость,поглощения, мм 2  сек 2 град  1  мм корунд ÷ сапфир4×10-6÷3,98×10-62,36×103÷46,06×103800×1060,04÷0,16чехол из латекса0,92×10-6160±301400×1060,1÷0,5чехол из0,923×10-6380÷4702500×1060,04÷0,11.39±0.4×10-61752000×1060.051,083×10-65964460×1060.4÷0.71,02×10-65614200×1061полиэтиленачехол изполивинилхлорида«выдавленныйхрящ»хрящ2.3.2.

Результат численного эксперимента. Характерное трехмерное распределениетемпературного поляДля определения влияния различных параметров сред на основе численногомоделирования было проведено их варьирование в определенных пределах. Ниже приведеныосновные результаты проделанного исследования. Для выбранных из таблицы 2-1 среднихзначений каждой варьируемой величины теоретический расчет проводился так, чтобынаиболее наглядно представить результат зависимости температурного поля от вариацииэтой величины. При этом иногда для показательности результатов в геометрию нагревавносились некоторые упрощения, рассматривались не все слои или брался более грубый шагсетки, что приводило к большей наглядности, не изменяя сути результата.На Рис. 2.3 представлено наиболее характерное трехмерное распределениетемпературного поля с представляющими основной интерес температурами для разреза,представленного на Рис.

2.2. Вариации различных параметров приводят к изменениюабсолютных величин и относительного взаиморасположения этих температур.52Рис. 2.3. Характерный вид температурного поля с местами расположения термопар(черные точки) и синей линией контакта сапфирового индентера, доставляющего лазерноеизлучение (от 0 до h1) с тканью носовой перегородки, покрытой слизистой оболочкой (от h1до h2). TM — максимальная температура в глубине хряща, TЦ — температура в центрепятна на поверхности, TT - температура термопары, ТV - температура на заднейповерхности.С помощью численного моделирования процесса нагрева исследовались вариацииразличных параметров теоретической модели, что позволило разделить их на две группы. Кпервой группе относились параметры, влияющие на абсолютные величины температурногополя и не приводящие к качественному его перераспределению.

Ко второй группеотносились параметры, от которых зависит качественное изменение формы температурногополя внутри биологической ткани.2.3.2.1. Влияние мощности лазерного излученияВарьирование мощности лазерного излучения проводилось на основе модели,учитывающей три среды: сапфир - «выдавленный» хрящ - хрящ. Слой с покровным чехломне был учтен, поскольку он не оказывает существенного влияния на поведение даннойзависимости.На Рис.

2.4 представлена зависимость температур термопары ТТ и температуры ТМточки, в которой температурное поле достигает максимума от времени. Временное53ограничение соответствует реальному времени отключения термопары для предотвращенияперегрева. Диапазон изменения интегральной мощности: от 0.6 Вт до 1.4 Вт.0T, CTM751.4 Вт701.2 Вт651.0 Вт600.8 Вт550.6 Вт50TT451.41.21.00.80.64035ВтВтВтВтВт30012345678Время, секРис. 2.4.

Зависимости ТТ и ТМ от времени для различных интегральных мощностей навыходе из сапфирового индентера. Толщина «выдавленного» слоя хряща 200 мкм, егокоэффициент поглощения 0,7 мм-1, эффективный размер пятна r0 = 0.9 мм.Как и следовало ожидать, рассматриваемая вариация относится к первой группепараметров и не приводит к качественному изменению теплового поля, а влияет лишь наабсолютные значения температуры.

Причем, это изменение линейно в диапазоне, которыйреально используется в операциях лазерной септохондрокоррекции. При увеличениимощности лазерного излучения и длительности облучения, границы зоны, в которойпроисходит релаксация хрящевой ткани, расширяются без изменения формы изотермическихповерхностей.2.3.2.2. Влияние функции распределения лазерного излучения в поперечном сечениипучкаВариация эффективного радиуса пятна r0 Гауссо-образной функции распределения,которая является наиболее подходящей функцией, описывающей выходное распределениеизлучения лазера в поперечном сечении пучка (Рис.2.5), показала, что эффективный размерлазерного пятна r0 биологической ткани существенно влияет на перераспределение54температурного поля внутри облучаемой ткани и относится ко второй группе рассмотренныхпараметров.I10080604020мкм005001000150020002500сапфирсапфир + полиэтилен 50 мкмтеоретическая аппроксимацияРис.

2.5. Профиль распределения интенсивности лазерного излучения на выходе изконтактора: без чехла и с одноразовым покровным чехом из полиэтилена толщиной 50 мкм.Линией обозначена теоретическая аппроксимация экспериментальных результатовраспределением Гаусса, r0 = 0.5 мм.Чем острее аппроксимирующая функция (чем меньше эффективный радиус пятнараспределения Гаусса r0), тем сильнее нагревается центральная часть (Рис. 2.6) относительноточки, в которой возможно экспериментально измерить температуру с помощью термопары,находящейся на периферии лазерного пятна.

Характеристики

Список файлов диссертации