Введение к работе
Актуальность работы
Проблема математического моделирования переноса излучения в
гетерогенных средах и средах с макровкпючениями является актуальной в
оптическом приборостроении, машиностроении, авиационной
промышленности и ряде других отраслей промышленности, связанных с лазерной обработкой материалов и созданием композиционных структур. Эти вопросы также актуальны при разработке новых медицинских технологий, а именно в лазерной хирургии, терапии, офтальмологии, ангиопластике и других направлениях.
В работе детально исследуются методики моделирования переноса излучения в различных средах: полупрозрачных средах, рассеивающе-поглощающих средах и неоднородных рассеивающих средах с включениями. Для этого применяется суперпозиция методов Монте-Карло, конечно-разностных и конечно-элементных методов. Особенностью данной работы является применение этих методов в совокупности друг с другом и учет специфики для задач рассеяния излучения в неоднородных биологических тканях. Предлагаемое сочетание методов позволяет существенно повысить скорость решения задач, точность вычислений, а также возможность расчета принципиально нового класса задач - задач с неоднородными включениями.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является выполнение исследования, направленного на моделирование процессов, протекающих в неоднородных органических тканях, на основе реализации моделей, учитывающих поглощение, рассеяние в биотканях, изменение теплового режима и эффекты деструкции, а также исследования фокусирующих систем медицинских установок для разработки оптимальных режимов облучения ткани. При этом рассматривается широкий класс объектов исследования: фокусирующие системы различной геометрии, подводящие излучение к биоткани и формирующие заданный профиль падающего излучения; различные типы биотканей: имеющие однородный состав, слоистую структуру, внутренние включения и неоднородности.
Указанная цель достигается постановкой и решением следующих частных задач:
1. Разработка методики математического моделирования радиационных и теплофизических процессов, учитывающей перенос излучения в рассеивающей среде, нагревание неоднородной ткани, разрушение отдельных ее компонентов, и проведение оценки эффективности использования различных методов решения возникающих задач.
-
Создание программного обеспечения, позволяющего реализовать процедуры энергетического проектирования фокусирующих систем медицинских установок, анализа теплофизического состояния и процессов деструкции биологических сред.
-
Исследование процессов, протекающих в биологической ткани, и выработка рекомендаций по оптимальному режиму работы фокусирующих систем лазерных медицинских установок, подбор режимов излучения, вызывающих заданное воздействие на биоткань.
Методы исследования
В работе проводилось численное моделирование процессов, происходящих в неоднородных тканях при воздействии излучения. В соответствии с этим применялись различные методы решения возникающих частных задач. Для расчета полей излучения - методы статистического моделирования (МСМ), для расчета температурного поля - конечно-разностные методы (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ), для решения возникающих систем уравнений - метод итераций, метод установления.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующих достигнутых результатах:
-
Разработана методика расчета процесса распространения излучения в неоднородных рассеивающих средах, позволяющая рассчитывать радиационные и теплофизические характеристики для сред со сложным геометрическим распределением оптических и теплофизических свойств и учитывающая постановку граничных условий на криволинейных границах.
-
Проведена оптимизация фокусирующих элементов лазерных медицинских установок, . позволяющая из анализа осесимметричных моделей распространения излучения выбирать их оптические, теплофизические и геометрические характеристики.
-
В двумерном приближении для нелинейной задачи распространения излучения в биоткани определены оптимальные режимы воздействия излучения (длина волны, плотность мощности излучения, распределение плотности мощности на поверхности, длительность воздействия), приводящие к заданному состоянию среды.
Защищаемые положения
1. Методика численного решения уравнения переноса излучения в сочетании с уравнением энергии, основанная на сочетании
использования методов МСМ, МКР, МКЭ и позволяющая реализовать
математическую модель процесса распространения излучения в
гетерогенной среде, включая ' исследование оптических,
теплофизических процессов и процессов разрушения для низко- и среднеинтенсивного монохроматического излучения.
-
Комплексы прикладных программ расчета характеристик радиационного и теплового режима в двумерных областях сложной геометрии при наличии неоднородных включений, реализующие указанную методику и выполненные с применением современного интерфейса пользователя.
-
Результаты исследования процесса распространения излучения для различных геометрий и типов сред (полупрозрачные среды, рассеивающе-поглощающие среды, среды с неоднородными включениями).
-
Результаты исследования теплофизического состояния органической ткани с учетом эффектов деструкции, позволяющие разработать рекомендации для оптимального воздействия излучения на биообъекты.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обусповпена применением математических моделей и методов, корректность использования которых подтверждается сравнением результатов проведенных вычислительных экспериментов с известными аналитическими решениями, с результатами решений, полученными другими авторами, а также данными тщательного тестирования разработанных программ на решениях известных тестовых задач.
Практические результаты
-
Разработан комплекс программ, позволяющий проводить моделирование процессов распространения излучения в системах фокусировки излучения и определять входные данные для теплофизического моделирования облучаемой среды.
-
Разработано программное обеспечение для моделирования процессов распространения излучения в биологических средах, учитывающее как фототермические процессы, так и процессы разрушения биоткани низко- и среднеинтенсивным лазерным излучением.
-
Даны рекомендации по выбору параметров лазерного излучения, вызывающего в биоткани процессы с требуемыми характеристиками (темп нагрева, максимальная температура в области, скорость разрушения).
-
Выработаны рекомендации по оптимальной форме и структуре фокусирующих систем медицинских установок, формирующих заданный профиль излучения на поверхности ткани.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в Учебно-Научно-Производственном Объединении "Лазерный Центр", Санкт-Петербург, и Рыбинском Конструкторском Бюро Моторостроения.
Апробация работы
По материалам диссертации сделаны доклады на конференции "Лазерная биология и лазерная медицина: практика", Тарту, Эстония, 1990, на рабочей конференции "Lasermedizintechnic. Sensortechnic. Fasertechnic", Германия, 1991, на международном симпозиуме "Biomedical Optics Europe'93", Будапешт, Венгрия, 1993. Доклад по тематике работы представлен на международной конференции "BiOS Europe'94", Лилль, Франция, 1994.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 89 наименований, содержит 123 страницы основного текста, 31 рисунок и 2 таблицы.
