Artykuł metodologiczny

Modelowanie uszkodzeń siatkówki w celu prognozowania progu i probabilistycznej oceny ryzyka

DOI:

10.3791/69812

⸱

14 lipca 2026

 , 
1Fraunhofer-Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono modelowanie podejścia do uszkodzeń termicznych wywołanych laserem w ludzkim oku. Ma na celu poprawę oceny zagrożeń związanych z laserami, zapewniając środek do obliczania uszkodzeń dla określonego scenariusza napromieniowania.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wraz ze wzrostem liczby zastosowań laserów w medycynie, obronności i technologii, zarówno celowe, jak i przypadkowe narażenie ludzkiego oka na źródła laserowe stało się poważnym problemem. Modelowa prognoza progów uszkodzeń siatkówki mogłaby umożliwić bardziej ukierunkowaną ocenę bezpieczeństwa laserów, szczególnie dla parametrów lasera nieobjętych danymi eksperymentalnymi. Idealnie, takie modele pozwoliłyby na obliczenie wartości ED50 (efektywna dawka, przy której prawdopodobieństwo uszkodzenia wynosi 50%), opierając się —m.in. — na długości fali, czasie trwania impulsu i kształcie plamki. Wymaga to szczegółowego zrozumienia i modelowania wszystkich reżimów uszkodzeń, aby odzwierciedlić zależność między kluczowymi parametrami a dominującym mechanizmem uszkodzeń.

Praca ta omawia status tego podejścia (zweryfikowanego tutaj dla reżimu termicznego, lub po prostu "w reżimie uszkodzeń termicznych"); podkreślone są kluczowe aspekty, które mogą uniemożliwić jego sukces oraz zarysowane są potencjalne korzyści. Zależą one od poprawy dokładności limitów narażenia na działanie laserów w standardach bezpieczeństwa oczu, poprzez zoptymalizowaną dozymetrię w laserowej chirurgii siatkówki, aż po probabilistyczną ocenę ryzyka związanego z używaniem laserów w środowiskach zewnętrznych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejsza praca opisuje opracowanie i walidację fizjologicznie szczegółowego modelu uszkodzeń termicznych ludzkiego oka. W zakresie uszkodzeń termicznych model przewiduje ewolucję temperatury siatkówki i progi uszkodzeń za pomocą formuły szkód Arrheniusa (porównaj wyjaśnienie w sekcji uszkodzeń fototermicznych). Reprezentatywne zastosowania obejmują wszystkie sytuacje, w których przewidywanie temperatury oka i uszkodzeń jest istotne. Obejmuje to m.in. ocenę progów uszkodzeń dla skanowanego napromieniowania siatkówki, zrozumienie wpływu dodatkowości impulsów na progi uszkodzeń oraz porównanie obliczonych progów z granicami bezpieczeństwa z normy bezpieczeństwa laserowego. Poza reżimem termicznym przedstawione są obecnie rozważane podejścia modelowania oraz wskazówki dotyczące rozszerzenia ram na dodatkowe mechanizmy uszkodzeń.

Przedstawiona tu praca dotyczy modelowania, a zatem przewidywania uszkodzeń siatkówki spowodowanych napromieniowaniem laserowym. Chociaż krytyczna dawka teoretycznie zawsze mogłaby zostać określona poprzez eksperymenty na siatkówkach zwierząt podobnych do ludzkiej, istnieje silna potrzeba przewidywania uszkodzeń bez konieczności przeprowadzania eksperymentów. Przestrzeń parametrów laserowych (długości fal, czasy impulsów i częstotliwości powtarzania) jest ogromna, co oznacza niemożność przeprowadzenia eksperymentów zwierzęcych dla każdego nowego zestawu parametrów. Ponadto, dla długich czasów napromieniowania należy wziąć pod uwagę przepływ krwi siatkówki, co wymagałoby eksperymentów in vivo. W związku z tym, modelowanie oddziaływania lasera z okiem wydaje się być jedynym realnym sposobem postępowania.

Potrzeba szczegółowego zrozumienia mechanizmów uszkodzeń, a zatem progów uszkodzeń (które mogłyby być użyte jako surogaty ED50), jest również związana z sytuacją normy bezpieczeństwa oka (IEC 60825 lub ANSI Z136.1). Ponieważ norma musi uwzględniać pełny zakres długości fal, czasów impulsów, wzorców powtarzania i wielkości plam, koniecznie zawiera upraszczające założenia, interpolacje i konserwatywne czynniki bezpieczeństwa, aby uwzględnić niepewność. Ponieważ dostępne są tylko ograniczone wartości ED50—głównie pochodzące z badań na nie-ludzkich naczelnych—konieczna jest interpolacja do ustanowienia kompleksowych limitów MPE (maksymalne dopuszczalne narażenie). Chociaż to podejście zapewnia szerokie i praktyczne zastosowanie, ramy oparte na szczegółowym zrozumieniu mechanizmów i modelowaniu procesów uszkodzeń oferują wyraźne zalety pod względem przejrzystości fizycznej, dokładności specyficznej dla scenariusza i zastosowania bez szczegółowej znajomości normy bezpieczeństwa laserowego.

Na przykład lasery impulsowe i skanujące są oceniane jako źródła impulsowe, choć skanowanie siatkówki wprowadza dodatkowe efekty czasowe i przestrzenne. Odpowiednie traktowanie skanowania w zakresie ustalania limitów bezpieczeństwa było przedmiotem trwającej dyskusji w społeczności przez ostatnie dziesięciolecie. Nawet przy regularnych aktualizacjach, aby odzwierciedlić postępy technologiczne, nie jest możliwe, aby norma obejmowała każdą skomplikowany konfigurację nowych systemów laserowych z nowymi zestawami parametrów bez uproszczeń i konserwatywnych czynników bezpieczeństwa. W związku z tym pozostaje miejsce na interpretację, co może prowadzić do niekonsekwencji lub błędów w ocenie bezpieczeństwa.

Podejście oparte na modelowaniu fizycznym mogłoby znacznie zmniejszyć zależność od interpolacji i konserwatywnych marginesów oraz rozszerzyć zastosowanie normy na skomplikowane scenariusze. Ponieważ opracowanie i walidacja takich modeli są bezpośrednio związane z głębszym zrozumieniem podstawowych mechanizmów uszkodzeń, wynikające wglądy mogłyby również wspierać bardziej przejrzyste i fizycznie uzasadnione wyprowadzanie wartości MPE z istniejących danych ED50.

Długoterminowo ocena bezpieczeństwa oka mogłaby zostać usprawniona poprzez zintegrowaną, plug-and-play ramę modelowania. Takie narzędzie mogłoby być dostarczane wraz z odpowiednimi parametrami systemu lub bezpośrednio z plikiem projektu optycznego (np. modelem Zemax), który jest zazwyczaj dostępny podczas rozwoju produktu, umożliwiając spójną i specyficzną dla scenariusza ocenę bezpieczeństwa1.

Innym dziedziną zastosowania są rosnące wysokoenergetyczne lasery (HEL), np. do przeciwdziałania dronom. Tutaj, trudność polega głównie na odbijaniu laserów od celów, szczególnie metalowych, które mogą zmieniać się szybko i losowo, stanowiąc zagrożenie dla personelu wojskowego i cywili2,3. Ta losowa, niedeterministyczna sytuacja wymaga odpowiedniego mechanizmu oceny – zwykle używane jest podejście probabilistyczne. To podejście tworzy stwierdzenia dotyczące wystąpienia pewnych sytuacji napromieniowania (intensywność, czas ekspozycji, długość fali), które nadal muszą zostać przekształcone w prawdopodobieństwo uszkodzeń. Tutaj, omawiane w tej pracy modelowanie uszkodzeń może zamknąć lukę, przekształcając scenariusze probabilistyczne w prawdopodobieństwa us

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sekcja 1 opisuje ogólne kroki niezbędne do zbudowania modelu, które mogą być wykonane z różnych opcji oprogramowania. Sekcja 2 zawiera te instrukcje dla konkretnego i przykładowego przypadku, w którym używane są Altair Hypermesh (oprogramowanie do modelowania i analizy elementów skończonych [FEA]) i Ansys Fluent (oprogramowanie do symulacji płynów). Ponadto, udostępniono plik uzupełniający (Plik uzupełniający 117,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45), który opisuje podejście modelowania i dostarcza teoretycznego tła w sposób niesekwencyjny (Rysunek 1 - Rysunek 5,  Tabela 1 -  Tabela 3).

1. Wdrożenie podejścia do modelowania – Ogólne kroki proceduralne

  1. Utwórz model 3D zgodnie z geometrią opisana powyżej.
    1. W ramach tej pracy, stwórz geometrię w 3D oprogramowaniu do wspomagania projektowania mechanicznego (wersja 16) zgodnie z parametrami opisanymi w Pliku uzupełniającym 1.
  2. Utwórz siatkę objętościową zgodnie z właściwościami i rozszerzeniami wszystkich części oka, zgodnie z Plikiem uzupełniającym 1.
    1. Przeprowadź siatkowanie i przetwarzanie pośrednie za pomocą oprogramowania do analizy FEA (wersja 11) i oprogramowania do analizy inżynierskiej wspomaganej komputerowo (CAE) (wersja 11). Model składa się z 761 766 elementów czworobocznych. Komórki siatki mają wymiary od 37 μm do 491 μm.
      UWAGA: Grubsze siatkowanie powodowałoby błędy/odchylenia obliczeniowe. Wyższa liczba komórek jest zawsze możliwa, ale zwiększyłoby to czas obliczeń. Ta siatka okazała się niezależna od rozmiaru, ponieważ dalsze udoskonalenie wielkości elementów powodowało nieznaczne różnice w obliczeniach.
    2. Aby zachować rozsądny czas obliczeń, użyj tej siatki i stosuj tylko wtedy, gdy określone regiony wymagają większej rozdzielczości. Odpowiednio, ponownie siatkuj siatkę siatki o minimalnym rozmiarze cech 5 μm, aby umożliwić absorpcję w warstwie RPE, zgodnie z wymogami i wyjaśnionymi później w protokole.
      UWAGA: Rysunek 2 przedstawia przykładowy obraz siatki z ukrytym ciałem szklistym, aby siatka była widoczna.
  3. Zintegruj warunki brzegowe.
    1. Na twardówce, użyj tylko przewodnictwa warunku brzegowego hscl = 20 W/m2K oraz wartości rogówki h'corn,1 = 14,21 W/m2K jak wyprowadzono powyżej szczegółowo. Użyj tych wartości, aby zdefiniować warunki brzegowe powierzchni reprezentującej twardówkę i rogówkę, odpowiednio.
  4. Zaimplementuj przepływ krwi.
    UWAGA: To pole dostarcza kierunku i wielkości przepływu w każdej komórce siatki i dodaje konwekcję do równania energetycznego.
    1. Postępuj zgodnie z krokami konstrukcyjnymi wymienionymi poniżej:
      1. Określ fizjologiczne wloty/wyloty—przednie napływ od głównego krążenia tęczówki i tylne napływ od krótkich tętniczek, z drenażem żylnym przez żyłki wirowe.
      2. Oblicz wynikające pole przepływu.
      3. Skaluj wszystkie lokalne prędkości do jednolitej wartości 5 mm  (według Peyman45), zachowując kierunki, implementowane za pomocą funkcji użytkownika (UDF) w oprogramowaniu do symulacji płynów. Wynikiem jest poprawnie ukierunkowane pole prędkości o stałej wielkości w całym chłodniku.
  5. Oblicz rozkład temperatury.
    1. Rozpocznij obliczenia temperatury od definicji zależnych od czasu pozycji i kształtów wiązki laserowej. Aby uzyskać te zmieniające się w czas

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta sekcja przedstawia zweryfikowanie i walidację zaprezentowanego modelu. Następnie przedstawiono trzy przykładowe zastosowania.

Weryfikacja i walidacja
W tej sekcji przedstawiony model jest najpierw zweryfikowany przez porównanie z uznanymi termofizjologicznymi modelami oka19,27,28,30,32 aby zapewnić spójność...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W ramach protokołu nie ma żadnych krytycznych kroków dotyczących tworzenia modelu. Krytyczne jest wybór wielkości i rodzaju siatki w połączeniu z wielkością kroku czasowego. Modyfikacja techniki modelowania jest istotna w odniesieniu do stosowania innych wzorców skanowania na siatkówce. Sam model nie powinien być modyfikowany. Technika jest ograniczona do reżimów uszkodzeń, jak wyjaśniono w odpowiedniej sekcji. Znaczenie leży w możliwości przewidywania uszkodzeń bez eksperymentów na zwierzętach. Jednym z najbardziej isto...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Altair Hypermesh 11.0Altair Engineering Inc.Wersja 11Oprogramowanie do tworzenia i wyświetlania siatek; oprogramowanie do modelowania i analizy skończonych elementów [FEA]
Ansys Fluent 14.5Ansys Inc.Wersja 14.5Rozwiążca termodynamiczny; oprogramowanie do symulacji płynów
Autodesk Inventor AutodeskWersja 16Oprogramowanie do 3D projektowania wspomaganego komputerowo (CAD)
HyperviewAltair Engineering Inc.Wersja 11Oprogramowanie do analizy inżynierii wspomaganej komputerowo (CAE) 
Optic Studio 13 (Zemax)Zemax Development Corporation, dziś jest to Ansys Inc.Wersja 13Oprogramowanie do śledzenia promieni
Optocon FOTEMP2Optoconhttps://comem.com/pl/optocon/Spektrometr; Pomiar temperatury tkanki oczu
Optocon TS2Optoconhttps://comem.com/pl/optocon/Sonda pomiarowa; Pomiar temperatury tkanki oczu

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Bioengineeringnumer 233numer 233Warto pustaNumerPomiar temperaturyModelowanie okaPrzep yw krwi w okuWektorowy strumie krwiCa ka ArrheniusaPrzewidywanie temperaturyPrzewidywanie uszkodze

Powiązane artykuły