Диссертация (1097617), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Динамические уравнения Эйлера, описывающие деформацию доменов, решать нетнеобходимости. При этом в любой момент времени находится форма области М2 (y), а такжевычисляются функции E(t) и a(t), определяющие изменение энергии системы (релаксациюнапряжений) и долю неразорванных связей соответственно.Рис. 3.17. Эволюция динамики плотности пор по теоретической модели. Даетсоответствие с микроскопией структурированного облучения с высоким разрешением дляматрикса суставного хряща, представленного в Главе 5.Данная модель описывает зависимости среднего размера пор от времени и ихпространственное расположение, что позволяет оптимизировать режимы лазерноговоздействия, целью которого является образование пор в хрящах суставов (Глава 5) и склереглаза (Глава 6).Выводы по результатам главы 3Численное моделирование полей напряжений возникающих в биологических тканяхпод действием импульсно-периодического лазерного излучения, позволило связать полятермонапряжений с лазерными параметрами, что позволит в дальнейших главах,посвященных медицинским приложениям, наиболее точно подбирать режимы воздействия.112Было показано, что линии одинаковых напряжений расположены по кольцу и максимальныенапряжения расположены на периферии лазерного пятна.Применение биофункциональных наночастиц Fe3O4, хорошо проникающих вдегенеративные участки и поры биологических тканей, может быть использовано дляуправления источником тепла в глубине биологической ткани, вызывающим изменениятермомеханических напряжений.
Введение наночастиц и контрастирующих добавок(омнипака) непосредственно перед проведением медицинской лазерной процедуры приводитк увеличению эффективного поглощения лазерного излучения тканями пульпозного ядра,что может привести к термическому повреждению диска. Для обеспечения безопасностилазерной процедуры (для предотвращения нежелательных побочных эффектов ипослеоперационных осложнений) в этих случаях необходимо проводить соответствующуюкоррекцию режимов лазерного воздействия (уменьшать мощность и/или продолжительностьлазерного лечебного воздействия).Развита модель, описывающая термомеханическое действие импульснопериодического лазерного излучения на биологические ткани в широком диапазонедлительностей лазерных импульсов.
В области энерговыделения происходит формированиеакустического сигнала, амплитуда и временная форма которого определяется длительностьюлазерного импульса. Модель позволяет рассчитать термические напряжения и предсказатьобразование и развитие пузырьков при импульсно-периодическом лазерном воздействии нахрящевые ткани и ткани глаза, они могут быть использованы при выборе характеристиклазеров и оптимизации режимов лазерных технологий лечения таких заболеваний какостеоартрит и глаукома.Полученные результаты показывают, что в хрящевой ткани, облучаемой импульснопериодическим лазерным излучением, возникают отрицательные механические напряжения,которые могут привести к образованию пузырьков (существование которых будет вдальнейшем подтверждено для тканей глаза в Главе 6).Развита двухмерная модель образования пор в биополимере, которая описываетзависимости среднего размера пор от времени и их пространственное расположение, чтопозволяет оптимизировать режимы лазерного воздействия, целью которого являетсяобразование пор в хрящах суставов для запуска регенерации (Глава 5) и склере глаза дляувеличения увеосклерального оттока (Глава 6).113Глава 4.
Механизмы управляемого изменения формы реберного хряща с сохранениемее функциональных свойств. Эффект лазерно-индуцированного нелинейноготермомеханического поведения хрящевой тканиРеберный хрящ является перспективным биологическим объектом для изготовленияимплантатов (трансплантатов) применяемых, в частности, при закрытии дефектов трахеи(имеющей форму кольца). В операциях по лечению стеноза гортани закругленная формапластин из реберного хряща оптимальна для приживления [Nouraei et al., 2007]. До началаработ, представленных в данной главе, формирование конечной формы вшиваемогоимплантата происходило с помощью хирургического скальпеля, что после операцииприводило к короблению имплантата в результате остаточных напряжений.
Таким образом,задача избавления от остаточных напряжений в пришиваемом имплантате без потери егофункциональности, представляется очень актуальной с точки зрения медицинскогоприменения.К моменту начала работы по лазерному изменению формы реберного хряща, былипроведены исследования по лазерному изменению формы хряща носовой перегородки(Глава 2), ушной раковины и найдены оптимальные режимы лазерного воздействия наданные типы тканей, чего не было сделано еще для реберного хряща. Таким образом,необходимо было, прежде всего, найти диапазон режимов облучения, а затем уже изучитьструктурные изменения реберного хряща.Также в данной главе описывается найденный экспериментально эффект лазерноиндуцированного нелинейного термомеханического поведения хрящевой ткани.4.1.
Теоретическое и экспериментальное определение оптимальных режимов лазернойкоррекции формы реберного хрящаРеберный хрящ относится к типу гиалиновых хрящей, для которых возможнарелаксация напряжений под действием лазерного излучения. Исходя из сходства хрящевыхобъектов, решено было определить теоретически границы лазерных режимов (с помощьюмодели, описанной в Главе 2), в которых можно было предсказать наличие эффекталазерного изменения формы, позволяющего убирать остаточные напряжения.Модель показала, что использование мощности 2.2 Вт при времени нагрева 6 секундот начальной температуры 22° C при импульсно-периодическом лазерном воздействии сдлительностью импульса 500 мс и промежутком между импульсами 200 мс, приэффективном радиусе гауссовского распределения интенсивности 0.5 мм на выходе из114сапфирового индентера, создает условия, при которых 40% объема ткани имеет температурувыше 70° С в течении 3,5 секунд (Рис.
4.1), что соответствует денатурации 10% нагретогообъема в центральной зоне и созданию условия изменения формы для остальных 90%объема, нагретого выше 70 С.Рис. 4.1. Динамика изменения максимальной температуры при мощности излучения 2,2 Вт.Линия 1 - теоретические данные температуры TT в точке расположения термопары; 2 экспериментальные данные термопары совпадающие с линией 1; 3 - теоретические данныеизменения максимальной температуры TM.Расчет температуры, произведенный с помощью теоретической модели,демонстрирует хорошее согласие теоретических и экспериментальных данных,регистрируемых с помощью термопары.
При этом расчет позволяет также найти границыобласти ткани, в которой температура недостаточна для начала денатурации, а такжепозволяет определить максимальную температуру.Далее проводилась серия экспериментов на свином реберном хряще, взятом от 7ребера, для определения порогов мощности и времени, при которых наблюдалось лазерноеизменение формы реберного хряща. Для этого было выбрано еще 4 мощности ниже и двевыше теоретически найденных 2.2 Вт и проведена серия экспериментов по изменениюформы полоски реберного хряща, облучаемой с одной стороны (Табл. 4-1).115Перед экспериментом хрящ был помещен в физиологический раствор (0,9%-ный р-рNaCl) при комнатной температуре во избежание высыхания.
Верхний слой надхрящницыотделялся хирургическим скальпелем и из хряща вырезали прямые пластины длиной 5,0±0,5см, шириной 1,0±0,1 см и толщиной 3,0±0,5 мм (Рис.4.2).Рис. 4.2. Параметры исходной хрящевой пластиныПластины хряща закреплялись зажимами на металлических кольцах (Рис.4.3) ипроводилось облучение растянутой и сжатой поверхности хряща в различныхпоследовательностях: (1) сначала сжатой, затем растянутой; (2) сначала растянутой, затемсжатой. Воздействие производилось инфракрасным лазерным излучением с длиной волны1,56 мкм через сапфировый наконечник контактора эрбиевого волоконного лазера(используя оборудование для лазерной септохондрокоррекции).
Воздействие производилосьв импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса 500 мс и промежуткоммежду импульсами 200 мс.Рис. 4.3.Схема облучения образца реберного хряща [Baum et al., 2011] с внутренней (а) и свнешней (b) стороны. 1 - образец хряща, 2 - металлические кольца, 3 - контактор.Диаметры колец-держателей, были выбраны так, чтобы кривизна средней линииизогнутого хрящевого образца при облучении внутренней и внешней поверхностиоставалась постоянной (Рис.4.3).
Использовались 4 пары колец для облучения внутренней и116внешней поверхности диаметром 13 и 10; 11,5 и 8,5; 10 и 7; 8,5 и 5,5 мм, что соответствовалорадиусам средней линии, равным 11,5, 10, 8,5 и 7 мм.Рис. 4.4. Кольца различных радиусов для фиксации хрящевых образцов.Диаметр воздействия составлял примерно 2,5 мм при эффективном радиусегауссовского профиля исходящего из контактора излучения 0,7 мм. Облучение проводилиследующим образом: вдоль поверхности хряща делали 3 ряда точек облучения, расстояниемежду рядами составляло 2 мм, а между точками облучения в ряде 1 мм. Начиналосьоблучение с середины хрящевого полукольца, а заканчивалось на его торцах.Для предотвращения перегрева поверхности хрящевого образца, производилосьнадавливание на его поверхность с помощью сапфирового индентера для, уменьшенияпоглощение приповерхностного слоя за счет выдавливания жидкости вглубь ткани, иперемещения максимальной температуры в глубину образца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
