Представлен подход к моделированию лазерно-индуцированного термического повреждения человеческого глаза. Её цель — улучшить оценку лазерных опасностей, предоставляя возможность рассчитывать ущерб для конкретного сценария облучения.
Методическая статья
Представлен подход к моделированию лазерно-индуцированного термического повреждения человеческого глаза. Её цель — улучшить оценку лазерных опасностей, предоставляя возможность рассчитывать ущерб для конкретного сценария облучения.
С ростом числа применений лазеров в медицине, обороне и технологиях как преднамеренное, так и случайное воздействие человеческого глаза на лазерные источники стало серьёзной проблемой. Модельное предсказание порогов повреждения сетчатки может позволить более специфическую оценку безопасности лазера, особенно для параметров, не охваченных экспериментальными данными. В идеале такие модели позволяли бы рассчитывать значения ED50 (эффективная доза, при которой вероятность повреждения составляет 50%), основываясь — среди прочих факторов — на длине волны, длительности импульса и форме пятна. Это требует детального понимания и моделирования всех режимов повреждений, чтобы отразить зависимость между ключевыми параметрами и доминирующим механизмом повреждений.
В данной работе рассматривается статус этого подхода (подтвержденного здесь для теплового режима, или просто «в режиме термического повреждения»); Выделяются ключевые аспекты, которые могут помешать его успеху, а также изложены потенциальные преимущества. Они варьируются от повышения точности пределов лазерного воздействия в стандартах безопасности глаз до оптимизации дозиметрии при лазерной хирургии сетчатки и вероятностной оценки рисков при использовании лазеров на открытом воздухе.
В данной работе описывается разработка и валидация физиологически детализированной модели термического повреждения человеческого глаза. В режиме термических повреждений модель предсказывает эволюцию температуры сетчатки и пороги повреждений с помощью формулы повреждений Аррениуса (сравните объяснение в разделе о фототермических повреждениях). Репрезентативные приложения охватывают все ситуации, в которых представляет интерес прогнозирование температуры и повреждений глаз. Это включает, например, оценку порогов повреждения для сканированного облучения сетчатки, понимание влияния аддитивности импульсной передачи на пороги повреждения и сравнение вычисленных порогов с пределами безопасности лазерного стандарта безопасности. Вне термического режима представлены текущие подходы к моделированию, рассматриваемые, а также разработана дорожная карта по расширению рамки на дополнительные механизмы повреждений.
Представленная здесь работа касается моделирования и, следовательно, прогнозирования повреждений сетчатки, вызванного лазерным облучением. Хотя критическая доза, теоретически, всегда может быть определена экспериментами с животными сетчатками, похожими на человеческие, существует острая необходимость предсказывать повреждения без проведения экспериментов. Пространство параметров лазера (длины волн, длительность импульсов и частоты повторений) огромно, что означает чрезмерно большое количество экспериментов на животных для каждого нового набора параметров. Кроме того, при длительном облучении необходимо учитывать кровоток в сетчатке, что потребует проведения экспериментов in vivo . Следовательно, моделирование взаимодействия лазера с глазом кажется единственно реалистичным способом вперёд.
Необходимость детального понимания механизмов повреждения и, следовательно, порогов повреждения (которые могут использоваться как заместители ED50) также связана с положением стандарта безопасности глаз (IEC 60825 или ANSI Z136.1). Поскольку стандарт должен охватывать весь диапазон длин волн, длительности импульсов, паттернов повторения и размеров пятен, он обязательно включает упрощённые предположения, интерполяции и консервативные коэффициенты безопасности для учёта неопределённости. Поскольку доступно лишь ограниченное количество значений ED50 — преимущественно полученных из исследований нечеловеческих приматов — для установления комплексных пределов MPE (максимально допустимого воздействия) требуется интерполяция. Хотя этот подход обеспечивает широкое и практическое применение, структура, основанная на детальном механистическом понимании и моделировании процессов повреждений, предлагает явные преимущества с точки зрения физической прозрачности, точности для конкретных сценариев и применимости без детального знания лазерного стандарта безопасности.
Например, импульсные и сканирующие лазеры оцениваются как импульсные источники, хотя сканирование сетчатки вносит дополнительные временные и пространственные эффекты. Правильное отношение к сканированию при определении пределов безопасности стало предметом постоянных обсуждений в сообществе на протяжении последнего десятилетия. Даже при регулярных обновлениях, отражающих технологический прогресс, невозможно, чтобы стандарт охватил каждую сложную конфигурацию новых лазерных систем новыми наборами параметров без упрощений и консервативных факторов безопасности. Следовательно, остаётся пространство для интерпретации, что может привести к несоответствиям или ошибкам в оценке безопасности.
Подход к моделированию, основанный на физике, мог бы значительно снизить зависимость от интерполяции и консервативных границ и расширить применимость стандарта на сложные сценарии. Поскольку разработка и валидация таких моделей напрямую связаны с более глубоким пониманием базовых механизмов повреждения, полученные инсайты могут также поддержать более прозрачное и физически обоснованное вывод значений MPE из существующих данных ED50.
В долгосрочной перспективе оценка безопасности глаз может быть оптимизирована с помощью интегрированной модели plug-and-play. Такой инструмент может быть предоставлен либо с соответствующими параметрами системы, либо напрямую оптическим проектным файлом (например, моделью Zemax), который обычно доступен при разработке продукта, что позволяет проводить последовательную и специфическую для сценария оценкубезопасности. 1.
Ещё одной областью применения является растущая область высокоэнергетических лазеров (HEL), например, для противодействия дронам. Здесь сложность в основном заключается в лазерных отражениях от целей, особенно металлических, которые могут быстро и случайно меняться и представлять опасность для военных игражданских 2,3. Эта случайная недетерминированная ситуация требует адекватного механизма оценки — обычно используется вероятностный подход. Такой подход создаёт заявления о наличии определённых облучённых ситуаций (интенсивность, время воздействия, длина волны), которые всё равно должны быть преобразованы в вероятность повреждения. Здесь моделирование ущерба, обсуждаемое в этой работе, может сократить разрыв, преобразуя вероятностные сценарии в вероятности повреждений.
Детальное понимание принципов механизмов повреждений и имитация их в программной модели — это простой способ определить пороги повреждений вместо проведения экспериментов. В зависимости от длительности импульса повреждение сетчатки происходит посредством различных механизмов взаимодействия лазера и ткани (Рисунок 1)4,5,6,7:

Рисунок 1: Обзор механизмов повреждений. Тип механизма повреждения зависит от времени воздействия и излучения. Он варьируется от фотомеханических повреждений, следующих от очень высокой излучённости при коротких импульсах, до фотохимических повреждений, вызванных низкой излучённостью в течение длительного времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Фотомеханическая пробация (10-12–10-6 с,10 10–1016 Вт/см 2):
Фотонарушение: при ультракороткой и наносекундной длительности импульсов и при очень высоких излучениях нелинейное поглощение инициирует оптический пробой. Плотная плазма из свободных электронов и ионов формируется, взрывно расширяющаяся и генерируя сильные ударные волны. Процесс, называемый фотодисрупциями, механически разрывает ткани с минимальным объемным нагреванием и создаёт чётко выраженные поражения даже в слабо всасывающих областях 4,8,9,10.
Плазменно-индуцированная абляция: в диапазоне ns–μs при очень высокой радиационной энергии плазма снова доминирует. Здесь удаление тканей осуществляется не только ударными волнами, но и расширением плазмы и взрывной абляцией. Этот механизм известен как плазменно-индуцированная абляция и вызывает значительный выбросматериала 4,11.
Фотоабляция (≈ 10⁻9–10⁻6 с; ≈ 107–1010 Вт/см 2):
Для длительностей импульсов выше наносекундного и ниже микросекундного диапазона происходит фотоабляция. В этом процессе молекулярные связи напрямую разрываются излучением. Этот метод, например, используется для коррекции преломления глаза путём изменения формы роговицы (так называемый метод LASIK). Обычно фотоабляционные процедуры применяются в диапазоне мощности, где образование плазмы ещёне произошло 4,11.
Термомеханические повреждения (≈ 10-9 – 10-6 с; ≈ 106 – 108 Вт/см 2):
В пигментированных глазных тканях сильное всасывание меланосомами в диапазоне ns–μs может вызывать быстрое перегрев. Когда поверхность меланосомы достигает ≈ 150 °C, микропузырьки образуют ядро12,13. Их расширение и коллапс вызывают механические волны напряжения, повреждающие пигментный эпителий сетчатки (RPE). Этот термомеханический механизм преодолевает разрыв между фотоаблацией и термическим повреждением: он не управляется плазмой, а включает механические транзиенты, связанные с локальным нагревом. Пороги зависят от размера, формы, ориентации и локального освещениямеланосомы 4,11.
Фототермальные повреждения (≈ 1 мкс–60 с; ≈ 10–106 Вт/см 2):
От микросекунд до секунд доминирует нагрев тканей. Осаждение энергии повышает температуру, что сначала приводит к денатурации белков, а при более высоком воздействии — к свертливому некрозу и карбонизации. Границы литературы различаются:Нимц 4 цитирует 1 мкс – 60 с, Цуклих14 — 10 мкс–60 с. Приблизительная взаимность при радиационном воздействии (~1–1000 Дж/см 2) сохраняется, с отклонениями при очень коротких импульсах (ограниченная диффузия тепла) и очень длинных импульсах (усиленное охлаждение перфузией)4,6,15.
Моделирование теплового повреждения в представленной работе основано на интеграле Аррениуса, который определяется как:
(1)
Поскольку τ обозначает время воздействия, Ea — энергию активации, R — универсальную газовую константу, T — температуру во время воздействия, а A — преэкспоненциальный коэффициент масштабирования, параметры, применяемые в этом исследовании: A = 1,3 × 1099 с−1 и E = 628 кДж/моль 15. Условие Ω = 1 считается началом повреждения тканей. Для всестороннего обсуждения базовой модели обратитесь к предыдущей публикации4.
Фотохимические повреждения (≈ 10 с – 104 с; ≈ 10⁻3 – 102 Вт/см 2):
При длительном воздействии при низких излучениях доминируют накопленные фотохимические реакции — такие как отбеливание фотопигментов или пути, опосредованные реактивными кислородными видами (ROS). Они возникают при длительности экспозиции выше 10с 6 (или выше 1с 4). Таким образом, существует промежуточный диапазон, в котором одновременно могут происходить как теплые, так и фотохимическиеповреждения 16. Хроническая низкоуровневая опасность синего света — типичный пример.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раздел 1 описывает общие этапы, необходимые для построения моделей, поскольку их можно выполнять с помощью различных программных вариантов. Раздел 2 даёт эти инструкции для конкретного и образцового случая, когда используются Altair Hypermesh (программное обеспечение для моделирования и анализа конечных элементов [FEA]) и Ansys Fluent (программное обеспечение для моделирования жидкостей). Кроме того, дополнительный файл (Дополнительный файл 117, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33Приведён 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45), который описывает подход к моделированию и даёт теоретическую базу в непошаговой форме (Рисунок 1 -F igure 5, Таблица 1 - Таблица 3).
1. Внедрение подхода моделирования — общие процедурные шаги

Рисунок 2: Разрез через сетку (стекловидное тело с маскированным гумором). На рисунке показана склера (белая), хороидная (красная), сетчатка (жёлтая), хрусталик (белый), радужка (зелёный) и водный вульяк (синий)18. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3: Свойства всасывания в глазном дне. Внутри RPE поглощается 51% 532-нм лазерного излучения; поглощение в мембране Бруха не происходит, и хориоид моделируется по поведению Ламберта-Бира18. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
2. Иллюстративный пример — конкретные шаги
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
В этом разделе сначала показана проверка и валидация представленной модели. После этого демонстрируются три образцовых применения.
Проверка и валидация
В этом разделе представленная модель сначала проверяется сравниванием с установленными термофизиологическими глазнымимоделями 19,27,28,30,32 для обеспечения согласованности прогнозируемых температурных распределений (стационарная ситуация).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Внутри протокола нет критических шагов при создании модели. Критически важно выбрать размер и тип сетки в сочетании с размером временного шага. Модификация метода моделирования имеет значение для использования других сканирующих паттернов сетчатки. Сама модель не подлежит изменениям. Техника ограничена режимами повреждений, как объяснено в соответствующем разделе. Значимость заключается в возможности прогнозирования ущерба без экспериментов на животных. Одним из наиболее актуальных будущ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют, что конфликта интересов нет.
Ни одного.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Altair Hypermesh 11.0 | Altair Engineering Inc. | Версия 11 | Программное обеспечение для создания и отображения сеток; программное обеспечение для моделирования и анализа конечных элементов [FEA] |
| Ansys Fluent 14.5 | Ansys Inc. | Версия 14.5 | Термодинамический решатель; программное обеспечение для симуляции жидкостей |
| Autodesk Inventor | Autodesk | Версия 16 | Программное обеспечение для компьютерного проектирования 3D механики |
| Hyperview | Altair Engineering Inc. | Версия 11 | Программное обеспечение для анализа вспомогательного проектирования (CAE) |
| Optic Studio 13 (Zemax) | Zemax Development Corporation, сегодня это Ansys Inc. | Версия 13 | Программное обеспечение для трассировки лучей |
| Optocon FOTEMP2 | Optocon | https://comem.com/en/optocon/ | Спектрометр; Измерение температуры окулярной ткани |
| Optocon TS2 | Optocon | https://comem.com/en/optocon/ | Измерительная зонд; Измерение температуры окулярной ткани |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение