Математична модель локального нагрівання підшкірних шарів біологічних тканин лазерним випромінюванням
DOI:
https://doi.org/10.26565/2311-0872-2018-29-06Ключові слова:
Лазер, випромінювання, біологічна тканина, нагрівання, розмір, постійна часуАнотація
Актуальність. Дія лазерного випромінювання на біологічні тканини використовується в медицині для діагностики та при лікуванні багатьох хвороб. Тому необхідно знати процеси, які відбуваються при цьому. Вони вивчаються давно, але не все відомо і зараз. Проблема взаємодії лазерного випромінювання з біологічними мішенями є актуальною.
Мета роботи. Вивчення теплових процесів в шкірі і підшкірних шарах при нагріванні лазерним випромінюванням, яке вводиться в тканину світловодом.
Матеріали та методи. Досліджено математичну модель процесу нагрівання області всередині біологічної тканини безперервним і імпульсним лазерним випромінюванням. Випромінювання вводиться в тканину за допомогою світловода. Використано рівняння теплопровідності в сферичних координатах з внутрішніми джерелами тепла. Враховується відведення тепла від області нагрівання теплопровідністю тканини і потоком крові.
Результати.Досліджено режими нагрівання біологічної тканини безперервним лазерним випромінюванням, поодинокими імпульсами випромінювання і серією імпульсів випромінювання. Визначено розміри нагрітої області, час встановлення і спаду температури. Розміри області нагрівання визначаються діаметром світловода, глибиною проникнення випромінювання в тканину і швидкістю поширення тепла в тканині. Теплова постійна часу процесу становить кілька хвилин. Після закінчення дії імпульсу випромінювання з такою ж швидкістю тканина остигає.
Висновки. Для створення малої локальної області нагрівання необхідно використовувати лазерне випромінювання синьої або зеленої частини спектру. Це випромінювання проникає в біологічну тканину на глибину кілька міліметрів. Для створення великих областей нагрівання потрібно використовувати випромінювання ближньої інфрачервоної області спектра, де глибина проникнення випромінювання в тканину становить кілька десятків міліметрів. Нагрівання імпульсно-модульованим випромінюванням відрізняється від нагрівання постійною потужністю тільки при періоді повторення імпульсів понад 1 хвилину. Тоді за час між імпульсами тканина остигає. Середня (згладжена) температура нагрівання така ж, як при нагріванні безперервним випромінюванням.
Посилання
Smithies DJ, Butler PH. Modelling the distribution of laser light in port-wine stains with the Monte Carlo method. Physics in Medicine and Biology. 1995;40:701-733.
Seteikin AIu. Model rascheta temperaturnykh polei, voznikaiushchikh pri vozdeistvii lazernogo izlucheniia na mnogosloinuiu biotkan [Model for calculating temperature fields arising from the action of laser radiation on a multilayer biological tissue]. Opticheskii zhurnal. 2005;72(7):42-47. [in Russian].
Pushkareva A. Metody matematicheskogo modelirovaniia v optike biotkani: uchebnoe posobie [Methods of mathematical modeling in optics of biological tissue: a tutorial]. SPb: SPbGUITMO; 2008. 103 s. [in Russian].
Astafeva LG, Zheltov GI, Rubanov AS. Modelirovanie protcessa nagreva sosudov krovi lazernym izlucheniem [Modeling the process of heating blood vessels by laser radiation]. Optika i spektroskopiia. 2001;90(2):287-292. [in Russian].
Lykov AV. Teoriia teploprovodnosti [Heat conduction theory]. M.: Vysshaia shkola; 1967. 600 s. [in Russian].
