МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛУ ТЕМПЕРАТУРНИХ ГРАДІЄНТІВ ПРИ ВЗАЄМОДІЇ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ З БІОЛОГІЧНОЮ ТКАНИНОЮ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.66(2).2023.295047Ключові слова:
тепловий градієнт, лазерне випромінювання, моделювання процесу теплопередачі, теплові властивості біологічних тканин, теплопровідність, розподіл температури, моделі тепломасообміну Пеннеса, метод кінцевих елементів, метод кінцевих різниць, PDE ToolboxАнотація
Моделювання теплових градієнтів у біологічних тканинах, при взаємодії з лазерним випромінюванням допомагає зрозуміти, як теплові потоки розподіляються в організмі та відображають зони нагрівання. Основні аспекти моделювання включають в себе параметри лазерного джерела, такі як довжина хвилі та потужність, початкові температурні умови тканин, а також використання спеціальних чисельних методів, які допомагають оптимально вирішувати рівняння теплопровідності та візуалізувати отримані результати. Роз-поділ температури в тканинах грає важливу роль у визначенні ефективності та безпеки лазерного лікування. Це дозволяє підібрати ефективні параметри лазерного випромінювання та режими опромінення для досягнення бажаного результату без негативних наслідків для пацієнта. Однак важливо враховувати, що реальна поведінка тканин у відповідь на лазерне випромінювання може бути складнішою через фізіологічні особливості кожної людини. Тому всі моделі та розрахунки повинні враховувати цю особливість і різноманітність, а також норми безпеки. Лазерне лікування повинно проводитися під контролем кваліфікованих фахівців, зокрема лікарів, які мають відповідні знання і досвід у галузі медицини. Такий підхід допомагає забезпечити безпеку та ефективність лазерних процедур для пацієнтів. Моделювання розподілу теплових градієнтів тканин при взає-модії з лазерним випромінюванням грає важливу роль у розвитку сучасної медицини та наукових дослідженнях та забезпечує ефективність порівняно з отриманими експериментальними даними. Воно допомагає покращити розуміння теплових процесів у біологічних тканинах і забезпечити безпеку пацієнтів, що отримують лазерне лікування. В даній роботі проведено експерименти з впливу лазерного опромінення на біологічну тканину, а також моделювання змін температурних градієнтів при впливі лазерного опромінення на біологічну тканину, використовуючи різні моделі тепломасообміну, за допомогою програмного середовища Matlab. В результаті моделювання в даній роботі отримані картини змін градієнтів температур, які порівнюють з експериментально отриманими даними, а також проаналізовані похибки моделей Пеннеса та методів кінцевих елементів, кінцевих різниць.
Посилання
A. Schindl, M. Schindl, H. Pernerstorfer-Schön, and L. Schindl, “Low intensity laser therapy in wound healing – a review with special respect to diabetic angiopathies”, Eur. Surgery, vol. 33, is. 3, pp. 132–137, May, 2001. DOI: 10.1007/bf02949466
F. Partovi et al., “A model for thermal ablation of biological tissue using laser radiation”, Lasers Surg. Med., vol. 7, is. 2, pp. 141–154, 1987. DOI:10.1002/lsm.1900070202
M. G. Arend, T. Schäfer, “Statistical power in two-level models: A tutorial based on Monte Carlo simulation”, Psychological Methods, vol. 24, no. 1, pp. 1–19, 2019. DOI: 10.1037/met0000195
Y. Wang, X. Lu, L. Hu, and D. Liu, “Bio-Thermal Response and Thermal Damage in Biological Tissues with Non-Equilibrium Effect and Temperature-Dependent Properties Induced by Pulse-Laser Irradiation”, SSRN Electron. J., 2022. DOI: 10.2139/ssrn.4140996.
K. H. Hutting et al. “Infrared thermography for monitoring severity and treatment of diabetic foot infections”, in Vascular Biology, vol. 2, no. 1. pp. 1–10, 2020. DOI: 10.1530/vb-20-0003
G. Tymchik, M. Tereshchenko, O. Lyashenko, O. Gnateyko, “Research of the influence of laser radiation on temperature processes in biological tissues”, Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak. is. 49(1), pp. 153-158, 2015. DOI: 10.20535/1970.49(1).2015.47092
Absorption spectra - the Beer-Lambert Law. chemguide: helping you to understand Chemistry [Online]. Available: https://www.chemguide.co.uk/analysis/uvvisible/beerlambert.html
T. I. Kozlovska, P. F. Kolisnik, S. M. Zlepko, N. V. Titova, V. S. Pavlov, W. Wójcik, Zb. Omiotek, M. Kozhambardiyeva, A. Zhanpeisova, Proc. SPIE 10445, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High Energy Physics Experiments 2017, 104453G (7 August 2017); DOI: 10.1117/12.2280928
S. Matvienko, V. Shevchenko, M. Tereshchenko, A. Kravchenko, R. Ivanenko, “Determination of composition based on thermal conductivity by thermistor direct heating method”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5(103)), pp. 19–29, 2020. DOI: 10.15587/1729-4061.2020.193429.
G. Tymchik, M. Tereshchenko, M. Pechena, “Monitoring of temperature changes during laser therapy”, Bull. Kyiv Polytech. Inst. Ser. Instrum. Mak., is. 47(1), pp.156-162, 2014. DOI:10.20535/1970.47(1).2014.35783
M. Jasiński, E. Majchrzak, and L. Turchan, “Numerical analysis of the interactions between laser and soft tissues using generalized dual-phase lag equation”, Appl. Math. Modelling, vol. 40, is. 2, pp. 750–762, січ. 2016. DOI:10.1016/j.apm.2015.10.025
H. Bansu, S. Kumar, “Meshless Method for Numerical Solution of Fractional Pennes Bioheat Equation”, In: 17th International Conference on Biomedical Engineering. ICBME 2019. Lim C.T., Leo H.L., Yeow R. (eds). IFMBE Proceedings, vol 79, pp. 11-20, 2021. Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-030-62045-5_2
Т.-C. Shih, P. Yuan, W.-L. Lin, and H.-S. Kou, “Analytical analysis of the Pennes bioheat transfer equation with sinusoidal heat flux condition on skin surface”, Med. Eng. & Phys., vol. 29, is. 9, pp. 946–953, 2007. DOI: 10.1016/j.medengphy.2006.10.008
R. Bahadori, H. Gutierrez, S. Manikonda, and R. Meinke, “A mesh-free Monte-Carlo method for simulation of three-dimensional transient heat conduction in a composite layered material with temperature dependent thermal properties”, Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 119, pp. 533–541, April 2018. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.140
B. O. Bataliya, and M. F. Tereshchenko, “Metodyka pidhotovky biolohichnoho zrazka dlya optychnoho doslidzhennya”, u Suchasni tekhnolohiyi biomed. inzheneriyi, Odesa, 2023, pp. 113-116. (in Ukrainian)
B. O. Bataliya, and M. F. Tereshchenko, “Pirometrychne vymiryuvannya temperaturnoho hradiyentu pry diyi lazernoho vyprominyuvannya na biolohichnu tkanynu”, na XXII Mizhnar. na- uk.-tekh. konf. PRYLADOBUDUVANNYA: stan i perspektyvy, Kyiv, 2023, s. 178-180. (in Ukrainian)
G. Tymchik et al., “Investigation thermal conductivity of biological materials by direct heating thermistor method”, in Proc. IEEE 38th Int. Conf. Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, 2018, pp. 429-434. DOI: 10.1109/ELNANO.2018.8477460
W. Liu et al., “An explicit integration method with third-order accuracy for linear and nonlinear dynamic systems”, Engineering Structures, vol. 274, 115013, 2023. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.115013
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 CC BY 4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
