Диссертация (1097617), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Лазерное облучениепроводилось с помощью эрбиевого волоконного лазера для ЛРД (Аркюо-Медикал Инк.) сдлиной волны 1,56 мкм. Мощность облучения составляла 1,5 Вт, диаметр волокна 600 µm,длительность импульса 2 с, перерыв между импульсами 1 с., полная продолжительностьоблучения каждой зоны ПЯ составляла 30 с. Исследование динамики пропускания лазерногоизлучения проводилось на образцах исходного ПЯ и на образцах ПЯ, в которые был введен(через пункционную иглу) раствор омнипака с концентрацией 0,073 моль/л, объем инъекциисоставлял 0,6 мл. Последующая выдержка в течение 10 минут необходима для полного иравномерного распределения омнипака по ПЯ. Каждая зона ПЯ, для которой измеряласьдинамика пропускания лазерного излучения, представляла собой цилиндр диаметром 0.6-0.7мм и высотой 1,65 мм.
Изменения пропускания проводились для 13 зон без омнипака и для12 зон - с омнипаком.Калориметрические измерения проводились с помощью прибора термическогоанализа TA4000, «Меттлер» (Швейцария) на образцах исходного ПЯ, на облученныхобразцах ПЯ и на облученных образцах ПЯ, в которые предварительно был введен растворомнипака. Образцы помещались в герметично закрытые алюминиевые чашки с крышкамиобъемом 40 микролитров. Температурная область измерений 20-100° С. Скорость нагрева 10град/мин.
Погрешность измерения энтальпии 0,5%.96Результаты измерений пропускания лазерного излучения для раствора омнипака висследованном диапазоне концентраций показали, что эффективное поглощение на длиневолны излучения 1,56 мкм почти линейно увеличивается с концентрацией. При этом разницазначений эффективного коэффициента поглощения для границ указанного диапазонаконцентраций (0.0365 и 0.365 моль/л) составило 27%.Изменение пропускания лазерного излучения в ПЯ в процессе лазерного воздействияпоказано на Рис.3.10. Видно, что уменьшение пропускания сильнее выражено и происходитбыстрее для образцов ПЯ, в которые предварительно был введен омнипак. Уменьшениепропускания связано как с увеличением рассеянием, так и с поглощением лазерногоизлучения биологической тканью.
Увеличение поглощения лазерного излучения приводит кускорению нагрева биологической ткани и может вызвать дополнительные фазовыепревращения и структурные изменения в ПЯ.121,0Пропускание0,80,60,40,20,0051015202530Время, сРис. 3.10. Динамика изменения интенсивности лазерного излучения, прошедшего черезобразец биологической ткани для исходного ПЯ (линия 1) и ПЯ, в который был введенраствор омнипака в концентрации 0,073 моль/л (линия 2) [Баум и др., 2009a].Лазерно-индуцированные изменения термостабильности биологической ткани привведении контрастирующих добавокОб изменениях структуры и фазовых превращениях могут свидетельствоватьрезультаты калориметрических исследований, представленные на Рис.
3.11 для интактного97ПЯ, и для образцов ПЯ, которые были обработаны лазерным излучением, как в присутствииомнипака так и без него.Рис. 3.11. Термограммы образцов интактного ПЯ (кривая 1) и образцов ПЯ, которые былиобработаны лазерным излучением, как в присутствии омнипака (кривая 3) так и без него(кривая 2) [Баум и др., 2009a].Соответствующие величины тепловых эффектов приведены в таблице 3-1.Таблица 3-1. Тепловые эффекты образцов тканиОбразецТепловой эффект, Дж/гИнтактное ПЯ57,8ПЯ после лазерного воздействия53,4ПЯ после введения омнипака и лазерного воздействия37,8Тепловой эффект исходного (необлученного) ПЯ составляет 57,8 Дж/г, чтосоответствует тепловому эффекту денатурации коллагена тканей межпозвонкового диска,который составляет 54-60 Дж/г коллагена [Finch et al., 1973].
Небольшое изменениетеплового эффекта в облученных образцах соответствует изменениям тонкой структуры иполя механических напряжений в биологической ткани в условиях неразрушающеголазерного воздействия [Баграташвили и др., 2006]. Выбранные для исследования режимыоблучения соответствуют реальным режимам лазерного облучения, используемым воперациях ЛРД, для которых максимальная температура ткани в зоне облучения непревышает 50-60°С, и существенной денатурации ткани диска не происходит [Баграташвилии др., 2006; Sobol et al., 2008a]. При введении омнипака увеличение поглощения лазерногоизлучения приводит к дополнительному увеличению температуры и частичной денатурации98ткани ПЯ, что проявляется в существенном уменьшении теплового эффекта.
Экспериментыпроводились в условиях термической стабильности омнипака, которая превышает 100° C.Хотя температура в данной серии экспериментов непосредственно не измерялась, можнополагать, что температура ткани была существенно ниже 100°С. Об этом свидетельствуетотсутствие пузырьков, и заметного движения внутритканевой жидкости, которые обычнонаблюдаются при нагреве ткани ПЯ до температур 80-90° С [Баграташвили и др., 2006;Омельченко и др., 2008; Sobol et al., 2011].Таким, образом, введение омнипака непосредственно перед проведением лазернойпроцедуры приводит к увеличению эффективного поглощения лазерного излучения тканямипульпозного ядра, что может привести к термическому повреждению диска.
Дляобеспечения безопасности лазерной процедуры (для предотвращения нежелательныхпобочных эффектов и послеоперационных осложнений) в этих случаях необходимопроводить соответствующую коррекцию режимов лазерного воздействия (уменьшатьмощность и/или продолжительность лазерного лечебного воздействия).3.4. Лазерно-индуцированные давления при воздействии импульсно-периодическоголазерного излучения на биологические ткани в широком диапазоне длительностейлазерных импульсовДанный параграф посвящен теоретическому и экспериментальному исследованиювозникающих давлений при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения набиологические ткани в широком диапазоне длительностей лазерных импульсов.Представлено развитие теоретической модели, описывающей воздействие лазерныхимпульсов разной длительности на биологические ткани, и проведен ряд экспериментов пообразованию микропузырьков, развитию деформаций и напряжений.
Результаты расчетовнаходятся в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными по развитиюдеформаций, давления и по динамике образования газовых пузырьков в облучаемых тканях.При воздействии неоднородного по интенсивности импульсного лазерного излученияна биологические ткани происходит их локальный нагрев и тепловое расширение, которомупрепятствуют менее нагретые области.
Взаимодействие сжатых и растянутых областейприводит к возникновению механических напряжений и структурных изменений, в томчисле к образованию газовых пузырьков и пор в матриксе ткани [Лямшев, 1989;Баграташвили и др., 2006; Sobol et al., 2011;]. Управляемые термомеханические напряжения(в определенных диапазонах амплитуды и частоты) благоприятно воздействуют на клетки99биологических тканей и способствуют активации регенерационных процессов благодарясозданию дополнительной пористой структуры, приводящей к восстановлениюгидропроницаемости хрящевых тканей и улучшению питания хондроцитов.
Образованиеновых пор может способствовать и улучшению протекания внутриглазной жидкости черезсклеру глаза и способствовать нормализации внутриглазного давления и улучшениюпитания клеток. Возможность длительного существования лазерно-индуцированных газовыхпузырьков в межтканевой жидкости, позволяющей стабилизировать новую пористуюструктуру, обусловлена наличием положительно заряженных ионов на поверхностипузырьков (Глава 6).Образование и движение газовых микропузырьков при импульсно-периодическомоблучении, может приводить как к образованию пор, так и к микрофрагментации(разрушению) биологической ткани.
Указанное явление может служить основой болееэффективных с позиций энергетики режимов облучения, обеспечивающихнизкотемпературную фрагментацию биологических тканей, что может быть применено,например, при удалении пленок вторичной катаракты (Глава 6).Для описания процесса взаимодействия лазерного излучения с биологическимитканями можно использовать задачу, основанную на уравнениях движения среды в формеЛагранжа, позволяющей описывать движение неоднородных сред, свойства которыхменяются при переходе через поверхность раздела [Романов и др., 2011].3.4.1.
Воздействие коротких импульсов лазерного излучения на биологические тканиТеоретическая модельРассмотрим сферически симметричную задачу об импульсном нагреве биологическойткани вследствие поглощения лазерного излучения с интенсивностью, заданной функциейпространственной координаты r и времени t [Baum et al., 2013b]:I ( r , t ) = I0 t r2 texp − exp − 2 , где τp - длительность лазерного импульса, r0 τp τp r0 эффективный радиус пространственного гауссового распределения источника излучения.Изменение температуры среды может быть найдено из решения уравнениятеплопроводности:Γ (T − T0 ) ∂V∂T11 ∂ ∂T 1,=kT 2 r 2QS −+∂t ρCVV∂tr ∂r ∂r ρCV(3.9)100Величина QS в уравнении (1) определяется источником энерговыделения:QS = I ( r , t ) κ , где κ - коэффициент поглощения среды. Третье слагаемое в правой частиуравнения (1) учитывает объемное расширение среды при изменении температуры и вданной задаче является поправкой 2-го порядка малости.При умеренных плотностях поглощенной энергии импульсного лазерного источника,в отсутствие фазовых превращений в веществе, основной вклад в процесс генерацииакустических волн дает тепловое расширение той области среды, где происходитпоглощение излучения.
Для описания данных процессов воспользуемся уравнениямидвижения среды в форме Лагранжа [Кочин и др., 1963] для одномерного (радиальносимметричного) движения сплошной среды:- уравнение непрерывности:2 R ∂R ;V = V0 r ∂r(3.10)- уравнение движения:2∂u R ∂P ;= −V0 ∂t r ∂r(3.11)- уравнение изменения эйлеровой координаты R :∂R=u;∂t(3.12)Здесь V0 , V - начальный и текущий удельные объемы, V0 = 1 ρ0 , V = 1 ρ , где ρ0 ,ρ - соответствующие плотности; r - лагранжева координата; t - время; P - давление.Система уравнений (3.10)-(3.12) должна быть дополнена уравнением состояниясреды, которое для рассматриваемых динамических нагрузок порядка десятков и сотен бар,может быть записано в виде уравнения Ми-Грюнайзена [Канель и др., 1996; Зельдович и др.,1966]:C (T − T0 ) V ,P = ρ0u02 1 − + Γ VV V0 где Γ =(3.13)u02β- коэффициент Грюнайзена, β - коэффициент объемного расширения,CVCV - теплоемкость, u0 - скорость звука в рассматриваемой среде.101Совместное решение системы уравнений (3.9)-(3.13) позволяет рассчитатьпространственно-временные зависимости температуры, давления, плотности и скоростидвижения, оценить вклад теплового и акустического механизмов в изменение физическихпараметров сплошной среды.
Численное моделирование проводилось с использованиемметодики конечно-разностной аппроксимации уравнений движения [Рихтмайер и др., 1972].Уравнение теплопроводности (3.9) решалось по трехслойной явной схеме (Глава 2).Воздействие одиночных лазерных импульсовС использованием приведенной выше теоретической модели был выполненчисленный анализ динамики формирования температурного и акустического полей привоздействии коротких импульсов лазерного излучения на модельную биологическую среду схарактеристиками, типичными для хрящей и тканей глаза. В проведенных расчетахпредполагалось, что энергия лазерного импульса составляла E=1мДж, энерговыделениепроисходило в сферической области пространства с характерным радиусом гауссовогопрофиля r0=300 мкм, коэффициент поглощения среды составлял κ=10см-1, использовалисьтеплофизические параметры воды (плотность ρ=1г/см3, скорость звука u0=1.5·105см/с,коэффициент теплопроводности kT=0.6·10-2Вт/(см·К), коэффициент объемного расширенияβ=0.2·10-3К-1), причем нелинейностью зависимости параметров среды от температуры имощности излучения пренебрегали.Результаты расчета изменений давления ∆P ( r , t ) , температуры ∆T ( r , t ) , скоростидвижения u ( r , t ) и плотности среды ρ( r , t ) приведены на Рис.3.12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
