Диссертация (1097617), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Разброс экспериментальных данных длянескольких измерений распределения интенсивности лазерного излучения на выходе изконтактора без чехла дал диапазон изменения r0 0.6±0.1 мм.550T, CTM75r 0 = 0.770r 0 = 0.965r 0 = 1.160r 0 = 1.35550TT45r0r0r0r04035= 0.7= 0.9= 1.1= 1.330012345678Время, сРис. 2.6. Зависимости ТТ и ТМ от времени для различных эффективных размеров пятна r0.Мощность излучения P = 1.2 Вт, толщина «выдавленного» слоя хряща 200 мкм, егокоэффициент поглощения 0,7 мм-1.Аналогичные измерения, проделанные для чехла из латекса и полиэтилена ипоследующее нахождение величины эффективного радиуса пятна r0 распределения Гауссадали следующий результат: r0(латекса) = 0.9±0.1 мм, r0(полиэтилена) = 0.6±0.1мм. Найденноераспределение Гаусса при подстановке в теоретический расчет позволяет учестьрасплывание пучка внутри хрящевой пластины в зависимости от показаний температуры набоковом срезе образца ТС, которая может быть измерена экспериментально.Данные, представленные на Рис.
2.7 показывают слабую чувствительность термопарык изменению пространственного распределения интенсивности излучения. При уменьшенииr0 температура, которую показывает термопара, практически не меняется, а температура вцентре пятна повышается, что может привести к ожогу слизистой оболочки в центральнойобласти пятна.560T, C75706560TМ55TЦ5045400,50,60,70,80,91,01,11,21,3TТr0Рис. 2.7. Зависимости ТТ и ТМ и ТЦ от эффективного размера пятна r0 при мощностиизлучения P = 1.2 Вт, толщине слоя хряща с уменьшенным надавливанием поглощением 200мкм, его поглощение 0,7 мм-1 при времени облучения 8 с.2.3.2.3. Влияние механического надавливания и соответствующего измененияоптических характеристик хрящаМеханическое надавливание на поверхность хряща приводит к изменениюконцентрации воды в приповерхностном слое ткани и соответствующему уменьшениюкоэффициента поглощения излучения 1,56 мкм.
Эффективный показатель поглощения κбиологической ткани существенно влияет на перераспределение температурного полявнутри облучаемой ткани и относится ко второй группе рассмотренных параметров (Рис.2.8).570T, C75TMκ=1κ=0.7κ=0.4TЦκ=1κ =0.7κ =0.4TТκ=1κ=0.770656055504540k=0.43530012345678Время, сРис. 2.8. Зависимости ТТ и ТМ и ТЦ от времени для трех различных эффективныхпоказателей поглощения k для слоя хряща, испытывающего надавливание. Мощностьизлучения P = 1.2 Вт, толщина «выдавленного» слоя хряща 200 мкм, r0 = 0.9 мм.Теоретический расчет температуры с учетом изменения эффективного показателяпоглощения показывает, что при достаточном надавливании, приводящем кперераспределению концентрации воды, точка, в которой достигается максимальнаятемпература TM, сдвигается с поверхности (Рис.
2.9 а) в глубину ткани (Рис. 2.9 б),предотвращая ожог поверхности.Представленное на рисунке 2.9 поведение распределения теплового поля связано суменьшением концентрации воды в «выдавленном» хряще, приводящим к уменьшениювеличины эффективного показателя поглощения, от которого зависит интенсивностьпрошедшего сквозь слой излучения.58Рис. 2.9.
Изменение теплового поля вдоль оси симметрии (см. Рис. 2.2) во времени взависимости от эффективного показателя поглощения «выдавленного» слоя хряща (h3). (а)— эффективный показатель поглощения «выдавленного» слоя хряща равен эффективномупоказателю поглощения исходного хряща и составляет 1 мм-1 (выдавливание непроизведено). (б) — эффективный показатель поглощения «выдавленного» слоя хряща равен0,5 мм-1.Полученные результаты показывают, что при отсутствии выдавливания непроисходит смещения максимума температуры в глубину объема хряща. Без выдавливаниямаксимум температуры достигается на передней поверхности хряща, при этом происходитповышение поверхностной температуры на несколько градусов по сравнению со случаемвыдавливания воды (Рис.
2.10).На рисунке 2.10 приведены зависимости ТТ , ТМ и ТЦ от различных эффективныхпоказателей поглощения для слоя хряща, испытывающего надавливание. Разница междумаксимальной температурой TM и температурой TЦ в центре пятна на поверхности слизистойоболочки с уменьшением концентрации воды почти не изменяется по величине, но вдиапазоне изменения эффективного показателя поглощения от 0,7 до 1 мм-1 абсолютныевеличины ТМ и ТЦ испытывают резкое изменение на ∆Т, составляющее, в диапазонерассматриваемых параметров, от 5° C до 10° C (Рис.
2.10).590T, C75TM70TЦ656055TТ400,60,70,8κ, мм0,91,0-1Рис. 2.10. Зависимости ТТ и ТМ и ТЦ от различных эффективных показателей поглощениядля слоя хряща, испытывающего надавливание при мощности излучения P = 1.2 Вт,толщине «выдавленного» слоя хряща 200 мкм, r0 = 0.9 мм и времени облучения 8 с.Таким образом, расчеты подтверждают вывод о необходимости достаточногомеханического надавливания на хрящевую пластину во время операциисептохондрокоррекции.2.3.2.4.
Определение зависимости эффективного показателя поглощения от толщиныслоя хряща, подвергнутого механическому надавливаниюЗависимость эффективного показателя поглощения от толщины слоя хряща,подвергнутого механическому надавливанию, была рассчитана на основеэкспериментальных данных, полученных ранее Свиридовым А.П. и др. [Багратшвили и др.,2008b], и представленных на Рис.2.11, 2.12.600,25Хрящ0,20Сжатие, мм0,150,100,050,00050100150200250Нагрузка, гРис. 2.11.
Деформация хряща перегородки носа теленка в зависимости от нагрузки нанаконечник контактораХрящПропускание света, отн. ед1,21,11,0050100150200250Нагрузка, гРис. 2.12. Пропускание излучения волоконного лазера (λ=1,56 мкм) через хрящ перегородкиноса теленка в зависимости от нагрузки на наконечник контактора.Усадка хрящевой ткани и пропускание излучения волоконного лазера (λ = 1,56 мкм) взависимости от нагрузки, соответствующие графикам на рисунках 2.11 и 2.12 представленыв таблице 2-2.61Табл. 2-2.
Усадка хряща и пропускание излучения лазера в зависимости от нагрузкиНагрузка, гУсадка хряща, ммПропускание света, отн.Полная толщина хрящаТолщинаед. Ip/I0xall = (2мм - усадкавыдавленнойхряща), ммчастиxp, мм00I0/I0 = 12xp = 0500,03I50/I0 = 1,056182 - 0,03xp1000,06I100/I0 = 1,098882 - 0,062 xp1500,12I150/I0 = 1,143822 - 0,123 xp2000,17—2 - 0,174 xp2500,22I250/I0 = 1,208992 - 0,225 xpПринималось, что толщина хряща, в котором при надавливании произошловыдавливание воды, в рассматриваемом диапазоне величин изменяется с нагрузкой линейно.При максимальной нагрузке в 250 г толщина хряща уменьшается на 0,22 мм.Начальная толщина хряща x0 = 2мм.
Положим, что толщина выдавленного слоярастет линейно и при 50 граммах нагрузки на контактор составляет xp — некоторуюнеизвестную, но постоянную величину. Определим средний эффективный показательпоглощения κp, который отличается от показателя поглощения хряща κ.Используя закон Бугера-Ламберта-Бера, описывающий изменение прошедшей черезслой вещества интенсивности излучения, получаем:I 0 = I lazer exp(−κxall )I p = I lazer exp(−κ p x p ) exp(−κ ( xall − x p ))κp =κ −[ln I p / I 0]xpНа основе полученного равенства можно выбрать парные значения толщины иэффективного показателя поглощения «выдавленного» хряща для подстановки в программурасчета, что и было сделано для всех расчетов, приведенных в данной главе.622.3.2.5. Управление источником тепла с помощью механического надавливанияВ общем случае при надавливании на хрящ поглощение уменьшается плавно,пропорционально уменьшению концентрации воды в приповерхностном слое.
Так какисточник тепла, входящий в уравнение теплопроводности, пропорционален произведениюинтенсивности I, помноженной на поглощение, которое изменяется с глубиной, и при этомсама интенсивность изменяется с глубиной по закону Буггера-Ламберта-Бера, то, изменяяпоглощение, можно влиять на источник тепла внутри биологической ткани. Изменениеконцентрации воды описывается уравнением диффузии и может быть аппроксимированоэкспоненциальной функцией, то есть при надавливании коэффициент поглощенияпринимает вид: κ p = κ − (1 − A) exp(− dx) , где константа А характеризует падение поглощенияна облучаемой поверхности, а d характеризует экспоненциальное изменение поглощения сглубиной х.
На рисунке 2.13 представлено изменение коэффициента поглощения хрящевойткани с глубиной в зависимости от коэффициента А при d=2, это соответствует случаюнадавливания со стороны левой грани биологического объекта с различной силой и сразличным временем, приводящего к перераспределению воды.κ, мм-11,00,80,60,40,20,00,00,51,01,52,02,53,0толщина биоткани, ммРис. 2.13. Изменение коэффициента поглощения хрящевой ткани с глубинойпри d=2 в зависимости от коэффициента А, который равен κ(0)На рисунке 2.14 представлено произведение максимума интенсивности лазерногоизлучения на коэффициент поглощения (Рис.
2.13), характеризующее функцию источника63тепла, в зависимости от толщины облучаемого образа при разных коэффициентах А для d=2при подаваемой на левую грань объекта облучения мощностью 1 Вт.I*κ, Вт/ммd=21,0A=1A=0.80,8Y Axis TitleA=0.60,6A=0.40,4A=0.20,2A=00,00,00,20,40,60,81,0толщина биоткани, ммРис. 2.14. Изменение произведения максимума интенсивности лазерного излучения накоэффициент поглощения с глубиной при разных коэффициентах А для d=2 функция.На рисунке 2.15 представлено изменение коэффициента поглощения хрящевой тканис глубиной в зависимости от коэффициента d для А=0.6.κ, мм-11,00540,95d=3d=20,90d=10,850,800,750,700,650,600,00,51,01,52,02,53,0толщина биоткани, ммРис.
2.15. Изменение коэффициента поглощения хрящевой ткани с глубинойв зависимости от коэффициента d при А=0.6.64На рисунке 2.16 представлено произведение максимума интенсивности лазерногоизлучения на коэффициент поглощения (Рис. 2.15), характеризующее функцию источникатепла, в зависимости от толщины облучаемого образа при разных коэффициентах d дляА=0.6, при подаваемой на левую грань объекта облучения мощности 1 Вт.I*κ , Вт/ммА=0.6d=50,7d=4d=3d=20,6d=10,50,40,00,20,40,60,81,0толщина биоткани, ммРис. 2.16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
