Программируемый лазерный нагрев и ИК-радиометрическая диагностика биоматериалов

• Автор: Кондюрин, Андрей Валентинович
• Шифр специальности: 02.00.04, 02.00.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Области применения лазеров в медицине

1.2. Физикохимический аспект взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью

1.3. Методы реализации управляемого лазерного нагрева

1.3.1. Измерение динамики температурного поля биологических тканей при лазерном воздействии
1.3.2. Теоретическое моделирование температурного отклика биологической ткани при лазерном воздействии

1.3.3. Измерение оптических и теплофизических параметров

1.3.3.1. Методы измерения оптических параметров

1.3.3.2. Динамика оптических свойств биологических тканей при лазерном воздействии

1.3.3.3. Методы измерения тсплофнзичсских параметров биологических тканей
1.3.4. Оптические и теплофизичсскис эквиваленты биологических тканей
1.3.5. Управление лазерным нагревом с обратной связью Глава 2. Моделирование неоднородных и нестационарных световых и
температурных полей биологических тканей при лазерном воздействии
2.1. Расчет светового поля методом МонтеКарло
2.1.1. Формулировка задачи
2.1.2. Алгоритм расчета
2.1.3. Выбор расчетных параметров
2.2. Расчет температурного поля методом конечных разностей
2.2.1. Формулировка задачи
2.2.2. Описание разностной схемы
2.2.3. Алгоритм расчета
2.2.4. Выбор расчетных параметров
2.2.5. Основные результаты расчетов
Глава 3. Материалы и методы измерений
3.1. Материалы
3.1.1. Хрящевая ткань
3.1.2. Полиакриламидный гидрогель
3.2. Термический анализ биоматериалов
3.3. Измерение температурного поля образцов
3.3.1. Измерение температуры с помощью термопар
3.3.2. Измерение температуры с помощью тспловизнонной камеры
3.4. Измерение полного отражения, полного и коллимированного пропускания при лазерном воздействии и контроле температуры
3.5. Источник излучения
Глава 4. Динамика оптических свойств биологических материалов на длине волны 1. мкм при лазерном нагреве
4.1. Динамика полного отражения, полного и коллимированного пропускания при лазерном воздействии и контроле температуры
4.2. Расчет оптических параметров методом обратного МонтеКарло
4.3. Результаты измерений оптических параметров
4.4. Механизм просветления биологических тканей на длине волны 1. мкм
4.5. Заключение Глава 5. Бесконтактное измерение теплофизических и оптических свойств
бноматерналов методом лазерной ИК радиометрии
5.1. ИК радиометрия при лазерном нагреве
5.2. Расчет температуропроводности, теплоемкости и эффективного коэффициента
5.3. Теплофизические и оптические параметры хрящевой ткани и полиакриламидных гидрогелей
5.4. Разработка теплофизнческого и оптического эквивалента биологической ткани
5.4.1. Термическая стабильность полиакриламидных гидрогелей
5.4.2. Калибровка лазерных медицинских систем
5.5. Заключение 7 Глава 6. Управление температурным полем бноматерналов при лазерном
воздействии
6.1. Моделирование лазерного нагрева с обратной связью
6.1.1. Формулировка задачи
6.1.2. Расчет температурного поля в условиях работы ПИ Дрегулятора
6.1.3. Выбор оптимальных параметров ПИ Дрегулятора
6.1.4. Нагрев с постоянной скоростью
6.1.5. Быстрый нагрев и удержание заданной температуры
6.2. Экспериментальная реализация лазерного нагрева с обратной связью
6.3. Возможности дистанционной лазерной калориметрии в открытой системе
6.3.1. Динамика мощности лазера при нагреве с постоянной скоростью
6.3.2. Моделирование температурного поля в условиях протекания энергоемких процессов
6.3.3. Варианты реализации лазерной калориметрии
6.4. Заключение
Выводы
Список литературы


После быстрой релаксации энергия возбужденных хромофоров может трансформироваться как в тепло, так и излучаться вследствие люминесценции или расходоваться на химические реакции. Путь преобразования поглощенной энергии лазерного излучения зависит от природы хромофоров и длины волны излучения. Несмотря на многообразие различных источников лазерного излучения и возможных режимов облучения, на сегодняшний день принято рассматривать два основных типа взаимодействия лазерного излучения с биологической ткани 2 фотохимическое и термическое. Фотохимическое воздействие лазерного излучения. Лазерное излучение способно инициировать в биологических тканях цепь химических превращений, которые способны как стимулировать лечебное воздействие, так и давать побочные негативные эффекты. Большинство фотохимических реакций происходит при облучении биоткани УФ излучением с Я 0 нм и приводит к структурным изменениям в биоматериале. К негативным явлениям обычно относят неуправляемое генерирование свободных радикалов. Полагают, что они могут оказывать мутагенное и канцерогенное действие аналогично тому, как жесткое УФ излучение может вызывать меланому. Убедительных экспериментальных доказательств подобного действия УФ лазерного излучения не имеется, однако, вполне вероятно, что химически активные свободные радикалы могут разрушать или изменять ДНК и РНК клеток. В работах экспериментально показано, что УФ излучение АгБ эксимерного лазера 3 нм индуцирует свободные радикалы в роговице глаза. В работе , экспериментально исследовалась кинетика генерирования и гибели свободных радикалов в твердых биологических тканях кость, хрящ и их компонентах коллаген, хондроитинсульфат при воздействии УФ излучения эксимсрных КгБ 8 нм и ХсС1 8 нм. Однако энергия фотонов видимого и тем более ИК диапазонов спектра чаще всего недостаточна для осуществления подобных процессов. Аналогичный результат был получен в работе при взаимодействии с хрящевой тканыо ИК излучения эрбисвого волоконного лазера нм. Тепловое воздействие лазерного излучения на биологическую ткань основывается на преобразовании электромагнитной энергии лазера в тепловую энергию биологической ткани. В этом случае облучение ткани приводит к локальному повышению ее температуры. С ростом температуры в биологической ткани могут протекать различные физикохимические процессы, вызывающие структурные изменения биологической ткани, которые обычно называют термической модификацией. Характер термической модификации биологической ткани зависит как от ее типа, так и от значения и скорости повышения температуры. В зависимости от температуры биологическая ткань может претерпевать самые различные химические и структурные изменения рис. В интервале температур от до С обычно не происходит необратимых повреждений ткани, и только при длительном тепловом воздействии может произойти активация ферментов, развитие отека и изменение мембран и гибель клеток. Прогрев тканей до температуры С в медицинской практике используется при стимулирующей локальной термотерапии. Дальнейшее повышение температуры ткани С сопровождается денатурацией белков и образованием коагуляционного некроза. В интервале температур от до С происходят процессы обезвоживания ткани, денатурации коллагена и разрушение мембран клеток. Денатурация коллагена приводит к сжатию ткани, вызванному уменьшением свободного внутреннего объема при переходе спиральклубок. Скорость денатурации для различных белковых структур может сильно отличаться . Так, быстрая денатурация нативных волокон коллагена, благодаря многоуровневой организации, происходит лишь при температуре около С. В реальных условиях критическая температура начала коагуляции Ткр большинства компонент ткани при достаточно длительном тепловом воздействии составляет около С . Кроме того, величина Ткр может существенно зависеть от содержания воды. Наличие протеогликанов в матриксе биологической ткани хрящ, роговица глаза повышает ее термическую стабильность, то есть при достаточно быстром нагреве хрящевая ткань не денатурирует при нагреве вплоть до 0 С.