Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Особенности моделирования воздействия на биоткань комбинированных лазерно-светодиодных насадок



Особенности моделирования воздействия на биоткань комбинированных лазерно-светодиодных насадок..........................................................................22

Метод Монте-Карло и его применение для моделирования распространения оптического излучения в биотканях.....................................................................................................23

Определение метода Монте-Карло..........................................................23

Применение метода Монте-Карло для моделирования распространения оптического излучения в биотканях....................................24

2.2. Оптические характеристики кожи человека и её компонентов...............29

2.2.1. Эпидермис..........................................................................................30

2.2.2. Дерма..................................................................................................31

2.2.3. Подкожная жировая клетчатка (гиподерма) ..........................................33

2.2.4. Оптические характеристики кожных компонентов...............................33

3. Расчетная часть........................................................................................42

3.1. Краткие сведения из теории........................................................................42

3.2. Поиск и анализ параметров, необходимых для моделирования..............44

3.3. Описание методики моделирования...........................................................49

3.4. Моделирование воздействия лазерным излучением. Результаты воздействия..................................................................................................50

3.5. Моделирование воздействия светодиодным излучением. Результаты расчетов................................................................................................................53

Заключение..................................................................................................61

Список испльзованной литературы

 

 

Введение

Моделирование распространения излучения комбинированных лазерно-светодиодных насадок является весьма актуальной задачей. Излучение лазера и светодиода в совокупности имеет ряд преимуществ перед отдельным использованием лазера или светодиода. Научное сообщество разрабатывает программы для моделирования воздействия различных лазеров и светодиодов на различные среды. Однако достаточно мало моделей, которые смогли бы достоверно описать воздействие комбинированных насадок на мутную биологическую среду.

Метод статистических испытаний, известный как метод Монте-Карло является способом построения случайной величины с искомым математическим ожиданием. В статистической оптике метод Монте-Карло заключается в построении на ЭВМ случайных электро-магнитных полей, параметры которых являются искомыми статистическими характеристиками излучения в среде. Обработка нескольких случайных световых полей статистическими методами позволяет с помощью единого подхода провести более полное исследование параметров излучения. Численные эксперименты со стохастическими электро-магнитными полями, проводимые на компьютерах, дают возможность изучить механизм развития их неустойчивости, провести исследования статистических и интегральных параметров излучения, определить законы распределения случайных величин, получить критические результаты характеристик, непосредственно связанных с распространением излучения, а также сделать выводы о целесообразности тех или иных предположений, необходимых для аналитических результатов. Метод Монте-Карло позволяет провести расчёт оптимальных параметров для определенных лазерных и светодиодных устройств в реальных условиях.

В главе 1 описываются комбинированные лазерно-светодиодные насадки – виды, технические и оптические характеристики, а также области их применения. Приведен обзор комбинированных насадок, используемых в разных областях медицины, особенности моделирования воздействия на биоткань лазерного и светодиодного излучения.

В главе 2 приводится подробный обзор метода моделирования Монте-Карло. Производится моделирование обработки биоткани пучками лазерного и светодиодного излучения, находящихся на некотором удалении друг от друга. Также рассматриваются оптические характеристики кожи и кожных структур.

В главе 3 описываются результаты проведенных исследований по данной модели, приводятся методики расчета, графики полученных зависимостей.

Постановка задачи

Смоделировать распространение лазерно-светодиодного излучения от нескольких источников в среде, имитирующей слой дермы. Исследовать влияние импульсного лазерного и светодиодного излучения на кожу человека с помощью компьютерной модели по методу Монте-Карло.

Также необходимо исследовать механизм рассеяния, поглощения и отражения фотонов, проанализировать рассеяние фотонов в зависимости от глубины проникновения излучения, а также произвести расчет распределения тепловых источников в среде.

 

1. Комбинированные лазерно-светодиодные насадки и их применение в медицине

Терапия по средством комбинированного лазерно-светодиодного излучения находит широчайшее применение в практической медицине. На сегодняшний день достаточно точно выявлена избирательность (селективность) воздействия разных длин волн оптического диапазона на протекание разных патологических процессов. Но нехватка теоретических знаний касательно выбора длины волны излучения, облучаемых поверхностей (точек, зон, органов и т. д.), а также дозы облучения при различных патологиях ставит жесткие ограничения как на разработчиков-конструкторов аппаратуры, так и на врачей, применяющих эту аппаратуру на практике. Именно поэтому экспериментальные исследования и практика в области эффективного применения излучения различных длин волн, а также разработка оптимальных методик лечения различных заболеваний являются весьма актуальными.

 

1.1. Краткий обзор комбинированных лазерно-светодиодных насадок

На сегодняшний день комбинированные лазерно-светодиодные насадки широко применяются в следующих областях медицины:

· терапия: кардиологическая, пульмонологическая, гастроэнтерологическая;

· хирургия;

· травматология;

· дерматология;

· гинекология;

· урология;

· стоматология;

· косметология.

Для выполнения настоящей работы были рассмотрены несколько комбинированных лазерно-светодиодных головок и проанализированы их характеристики. Поскольку целью данной работы является разработка модели воздействия комбинированного излучения на дермис, целесообразно будет рассмотреть насадки для воздействия на кожу – дерматологические и косметологические.

 

1.1.1 ЛЦ-02 «Спектр»

 

Данный аппарат разработан для лазерной и светодиодной терапии. Кроме того аппарат может применяться для фоторефлексо- и пунктурной терапии, воздействуя на зоны патологии и рефлексов, внутренние органы (через кожные покровы), биологически активные точки низкоинтенсивным лазерным или светодиодным излучением различных участков оптического диапазона. [ЛЦ-02]

Принцип работы «Спектра» заключается в выборочном поглощении биотканями оптического излучения определенных длин волн, которые оказывают лечебный эффект. На рисунке 1 представлен прибор ЛЦ-02 «Спектр», лазерные насадки и светодиодные матрицы.

Рис. 1. ЛЦ-02 «Спектр»

В составе прибора имеются ИК-лазер (λ = 0,84 мкм, P = 30 мВт), светодиодные матрицы с всеми основными длинами волн видимого диапазона (за исключением длины волны, соответствующей голубому цвету), а также ИК-матрица. Характеристики светодиодных компонентов прибора сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Характеристики светодиодных насадок прибора ЛЦ- 02 «Спектр»

Оптический диапазон Длина волны, мкм Мощность, мВт
ИК 0,840
красный 0,650
оранжевый 0,610
желтый 0,590
зеленый (тип 1) 0,560 3,2
зеленый (тип 2) 0,515 12,8
синий 0,470
фиолетовый 0,400

 

Поскольку каждая из этих матриц обладает различными характеристиками, то и воздействие также будет различным [http://www.mindmachine.ru/articles/colors.htm]:

1) красный свет:

а) учащает частоту сердцебиения и дыхания;

б) повышает артериальное давление;

в) нормализует сердечную деятельность;

2) оранжевый свет:

а) улучшает кровообращение;

б) улучшает пищеварение;

в) способствует регенерации нервной и мышечной ткани;

3) желтый свет:

а) стимулирует работу ЖКТ (желудочно-кишечного тракта);

б) стимулирует работу поджелудочной железы и печени;

в) активизирует вегетативную нервную систему;

4) зеленый свет:

а) оказывает влияние на нервную и сердечно-сосудистую систему;

б) урежает сердцебиение;

в) снижает артериальное давление;

5) синий свет:

а) воздействует на гипофиз;

б) способствует борьбе с инфекциями;

в) обладает антибактериальными свойствами;

6) фиолетовый цвет:

а) обладает ярко выраженным общим регенеративным действием;

б) нормализует сон, работу селезёнки, работу нервной системы;

в) повышает мышечный тонус.

 

1.1.2. Аппарат лазерный терапевтический «Мустанг-2000»

Рис. 2. АЛТ «Мустанг-2000»

АЛТ «Мустанг-2000» предназначен для косметологических процедур. Данный прибор обладает следующими характеристиками []:

· 2 или 4 независимых канала для подключения лазерных и светодиодных излучающих головок;

· возможность изменения импульсной и средней мощности излучения лазерных головок с длиной волны от 0,63 до 0,96 мкм;

· высокая эффективность лечения благодаря более точным параметрам воздействия;

· возможность внешней модуляции излучения, в том числе БИО;

· соответствие европейским стандартам;

· наличие защиты от несанкционированного пользования;

· возможность работы непрерывных излучателей и в модулированном режиме.

«Мустанг-2000» имеет в своем комплекте 2 лазерно-светодиодные комбинированные насадки – МЛС-1 «Эффект» и ЛО-2000.

 

1.1.2.1. МЛС-1 «Эффект»

Рис. 3. Комбинированная насадка МЛС-1 «Эффект»

Данная насадка имеет в своем составе 2 типа лазерных излучателей и 3 типа светодиодных излучателей, характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Характеристики компонентов насадки МЛС-1 «Эффект»

Параметры/наименование блока МЛС–1 «Эффект»
Тип излучателя лазер лазер СД СД СД
Режим излучения/цвет излучения ИК Красный Зеленый Синий ИК
импульсный + +
непрерывный + + +
модулированный + + +
Длина волны, мкм 0,89 0,63 0,53 0,47 0,88
Количество излучателей
Суммарная мощность излучения, мВт 4…6 6…9 2…4 10…20 40…60
Вид облучения неинв неинв неинв неинв неинв

 

1.1.2.2. ЛО-2000

Рис. 3. Комбинированная насадка ЛО-2000

В отличии от насадки МЛС-1 насадка ЛО-2000 имеет в своем составе только 1 лазерный источник и 7 светодиодных источников, характеристики которых представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Характеристики компонентов насадки ЛО-2000

Параметры/наименование блока ЛО–2000
Тип излучателя лазер СД
Режим излучения/цвет излучения ИК Красный
импульсный +
непрерывный +
модулированный +
Длина волны, мкм 0,89 0,63
Количество излучателей
Суммарная мощность импульсного излучения, Вт 15*10–3
Вид облучения неинв неинв

 

 

1.1.3. LLLT LASER COMB CD-C (Китай)

Данный прибор является «низкоинтенсивной лазерной расческой», т. е. применяется для низкоинтенсивной терапии кожи головы.

Рис. 4. LLLT LASER COMB CD-C

В составе данного прибора имеются 8 лазеров красного диапазона и 7 светодиодов также красного диапазона. Все найденные характеристики сведены в таблицу 4.

Таблица 4.

Характеристики насадки CD-C

Название модели GD-C
Лазерная среда Полупроводник GaAlAs
Длина волны, нм
Излучатели 8 лазеров + 7 красных светодиодов
Мощность лазера, мВт 5 (для каждого)
Источник питания Встроенный литиевый аккумулятор (800мА*ч)
Категория Низкоинтенсивная лазерная расческа

 

1.2. Особенности воздействия излучения на кожу

Доподлинно известно, что импульсное лазерное излучение красной области спектра в значительной степени меняет гемореологические характеристики, чем импульсное инфра-красное лазерное излучение (ИКЛИ). Лазерные источники в совокупности со светодиодными источниками воздействуют на ткани более эффективно, чем одиночные источники.

Наибольшая эффективность лазерно-светодиодной терапии наблюдается при разработке специальных источников излучения с оптимальными условиями, при которых будет возможен перенос света к «поглотителям-мишеням». Количественная оценка оптических характеристик кожи, поиск способов учета этих параметров и, впоследствии, более точные результаты оценивания параметров воздействия – все вышеперечисленное способствует совершенствованию методик лазерной терапии.

Для получения эффективного результата лечения необходима оптимальная плотность дозы лазерного излучения. С точки зрения практики, подбор наилучших характеристик излучения инициализируется путем изменения мощности, времени, а также размер облучаемой площади, в переделах которой происходит распределение энергии падающего излучения.

, (1)

где: D – плотность дозы лазерного воздействия;
Pср. – средняя мощность излучения;
T – время воздействия;
S – площадь воздействия.

В целях упрощения работы практического врача, большинство руководств уже имеют эти данные для «базовых» методик. Также в хороших руководствах даются подробные инструкции по перемене и оптимизации величины дозы. Но далеко не все так просто, и имеются ряд нюансов, оказывающих значительное влияние на методологию.

· В биологических эффектах НИЛИ (низкоинтенсивного лазерного излучения) первичным действующим фактором является селективный нагрев. Это осуществимо только при наличии поглощения падающего света. А поглощение в свою очередь реализуется поглощающим компонентом в ткани для определенной длины волны. В общем, изменение дозы при отсутствии поглощения (взаимодействия с тканью) не будет приносить никакого лечебного эффекта. Высокая степень поглощения обуславливает лучший эффект.

· Линейность зависимости доза-эффект относительно строго выполняется только в экспериментах in vitro (монослой культуры клеток). [] Взаимодействие с тканями, которые имеют значительный объем, до момента поглощения низкоинтенсивного лазерного излучения происходят другие процессы (например, рассеяние). В данном случае основным считается объемное распределение энергии, косвенным образом связанное с площадью пятна на поверхности кожи, но оно отличается линейностью от модельных экспериментов.

· Плюс ко всему вышесказанному, обрабатываемая область не будет иметь четкой формы, а также не будет иметь строгой локализации в пространстве. Область физиологических нарушений рассредоточена в большом объеме, имеет сложную структуру, а также крайне причудливо расположена в тканях.

При задании оптимального пространственного распределения падающего излучения необходимо учитывать данные факторы. Любое лечебное воздействие низкоинтенсивного лазерного излучения возможно только при частичном поглощении в глубине кожи. Поэтому исследование методик терапевтии должно основываться на отчетливом представлении о характере распределения излучения в глубине слоев кожи, а также понимании процессов, сопутствующих взаимодействию квантов электро-магнитного излучения со структурными частями биологической ткани.

Кожа, представляя собой биологическую ткань, является оптически неоднородной поглощающей средой с показателем преломления выше, чем у воздуха. При прохождении границы раздела воздух-кожа, часть излучения проникает внутрь, часть отражается (рис. 5). Узкий лазерный пучок, попадая на кожу, благодаря многократному рассеянию и поглощению ослабевает и становится шире. Объемное рассеяние способствует распространению части энергии в обратном направлении и выводом ее обратно в воздух..

 

 

Рис. 5 Распространение излучения в коже

У белков хромофорами являются фрагменты аминокислот, которые поглощают свет преимущественно в ультрафиолетовой области спектра (от 200 до 300 нм). В этом же диапазоне длин волн поглощают нуклеиновые кислоты (их хромофоры – ароматические и гетероциклические кольца азотистых оснований). Клетки кожи содержат сотни хромофоров, поглощающих свет в видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра, среди которых основными являются витамины, флавины, флавиновые ферменты, НАД•Н, гемоглобин, каротиноиды, фикобилины, фитохромы и др. В инфракрасной области спе­к­тра все биомолекулы имеют достаточно ин­тенсивные колебательные полосы поглощения. Начиная с λ= 1500 нм и более, спектр поглощения кожи в основном определяется спектром поглощения воды [].

 

 

Особенности моделирования воздействия на биоткань комбинированных лазерно-светодиодных насадок

Чтобы наиболее точно понять механизм воздействия комбинированных лазерно-светодиодных насадок на ткань, необходимо поставить ряд экспериментов, наглядно демонстрирующих зависимость распространения излучения в биоткани от параметров лазера и светодиода, а также от оптических свойств самой ткани. Метод Монте-Карло, осуществленный с помощью компьютера, позволяет практически сразу наглядно получить искомую зависимость.




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.