نمذجة تلف الشبكية للتنبؤ بالعتبة وتقييم المخاطر الاحتمالية

ملخص

تم تقديم نهج نمذجة للأضرار الحرارية الناتجة عن الليزر في عين الإنسان. يهدف إلى تحسين تقييم المخاطر القائمة على الليزر من خلال توفير وسيلة لحساب الضرر لسيناريو إشعاع محدد.

الملخص

مع تزايد عدد تطبيقات الليزر في مجالات الطب والدفاع والتكنولوجيا، أصبح التعرض المتعمد والعرضي للعين البشرية لمصادر الليزر مصدر قلق كبير. يمكن التنبؤ القائم على النماذج لعتبات تلف الشبكية أن يتيح تقييما أكثر تحديدا لسلامة الليزر، خاصة لمعلمات الليزر غير المشمولة بالبيانات التجريبية. من الناحية المثالية، تسمح هذه النماذج بحساب قيم ED50 (الجرعة الفعالة التي يكون احتمال الضرر عندها 50٪) بناء على — من بين عوامل أخرى — على طول الموجة، مدة النبضة، وشكل البقعة. يتطلب ذلك فهما تفصيليا ونمذجة لجميع أنظمة الضرر لتعكس الاعتماد بين المعايير الرئيسية وآلية الضرر السائدة.

يناقش هذا العمل حالة هذا النهج (وقد تم التحقق منه هنا للنظام الحراري، أو ببساطة "في نظام الضرر الحراري"); يتم تسليط الضوء على الجوانب الحرجة التي قد تعيق نجاحه، ويتم توضيح الفوائد المحتملة. تتراوح هذه المؤشرات بين تحسين دقة حدود التعرض للليزر في معايير سلامة العين إلى تحسين الجرعة في جراحة الليزر الشبكية، إلى تقييم المخاطر الاحتمالية لاستخدام الليزر في البيئات الخارجية.

المقدمة

يصف هذا العمل تطوير والتحقق من نموذج الضرر الحراري المفصل فسيولوجيا للعين البشرية. ضمن نظام الإصابات الحرارية، يتنبأ النموذج بتطور درجة حرارة الشبكية وعتبات الإصابة باستخدام صيغة ضرر أرينيوس (قارن الشرح في قسم الضرر الحراري الضوئي). تشمل التطبيقات التمثيلية جميع الحالات التي يكون فيها التنبؤ بدرجات حرارة العين والضرر محل اهتمام. يشمل ذلك، على سبيل المثال، تقييم عتبات الضرر لفحص الإشعاع الشبكي الممسوح، وفهم تأثير إضافة قطار النبضات على عتبات الضرر، ومقارنة العتبات المحسوبة مع حدود السلامة من معيار سلامة الليزر. خارج النظام الحراري، يتم تقديم أساليب نمذجة حالية قيد الدراسة، ويتم توفير خارطة طريق لتوسيع الإطار ليشمل آليات ضرر إضافية.

العمل المقدم هنا يتعلق بالنمذجة، وبالتالي التنبؤ بتلف الشبكية الناتج عن الإشعاع بالليزر. بينما يمكن نظريا تحديد الجرعة الحرجة دائما من خلال تجارب على شبكية الحيوانات المشابهة لشبكية البشر، هناك حاجة قوية للتنبؤ بالضرر دون إجراء تجارب. فضاء التغيرات في معلمات الليزر (الأطوال الموجية، مدة النبضات، ومعدلات التكرار) شاسع، مما يعني وجود عدد هائل جدا من تجارب الحيوانات لكل مجموعة معلمات جديدة. بالإضافة إلى ذلك، لفترات الإشعاع الطويلة، يجب أخذ تدفق الدم في الشبكية في الاعتبار أيضا، مما يتطلب تجارب في الجسم الحي . وبالتالي، يبدو أن نمذجة تفاعل الليزر مع العين هي الطريقة الواقعية الوحيدة للمضي قدما.

الحاجة إلى فهم مفصل لآليات الضرر، وبالتالي عتبات الضرر (التي يمكن استخدامها كبديلات ED50) ترتبط أيضا بوضع معيار سلامة العين (IEC 60825 أو ANSI Z136.1). نظرا لأن المعيار يجب أن يعالج النطاق الكامل للأطوال الموجية، ومدة النبضات، وأنماط التكرار، وأحجام البقع، فإنه يدمج بالضرورة افتراضات مبسطة، واستيفاءات، وعوامل أمان محافظة لأخذ حالة عدم اليقين في الاعتبار. نظرا لأن عددا محدودا فقط من قيم ED50 - المستمدة أساسا من دراسات الرئيسيات غير البشرية - متاحة، يلزم الاستيفاء لتحديد حدود شاملة لأقصى تعرض مسموح به (MPE). على الرغم من أن هذا النهج يوفر تطبيقا واسعا وعمليا، إلا أن الإطار القائم على فهم ميكانيكي مفصل ونمذجة عمليات الأضرار يقدم مزايا واضحة من حيث الشفافية الفيزيائية، والدقة الخاصة بالسيناريو، وقابلية التطبيق دون معرفة مفصلة بمعيار سلامة الليزر.

على سبيل المثال، يتم تقييم الليزر النبضي والماسح كمصادر نابضة، رغم أن مسح الشبكية يدخل تأثيرات زمنية ومكانية إضافية. كان المعاملة المناسبة للمسح في استنتاج حدود السلامة موضوع نقاش مستمر داخل المجتمع خلال العقد الماضي. حتى مع التحديثات المنتظمة لتعكس التقدم التكنولوجي، لا يمكن للمعيار أن يغطي كل تكوين معقد من أنظمة الليزر الجديدة بمجموعات جديدة من المعايير دون تبسيطات وعوامل أمان محافظة. وبالتالي، يبقى مجال للتفسير، مما قد يؤدي إلى تناقضات أو أخطاء في تقييم السلامة.

يمكن لنهج النمذجة المعتمد على الفيزياء أن يقلل بشكل كبير من الاعتماد على الاستيفاء والهوامش المحافظة ويوسع قابلية تطبيق المعيار إلى السيناريوهات المعقدة. نظرا لأن تطوير والتحقق من صحة هذه النماذج مرتبط مباشرة بفهم أعمق لآليات الضرر الأساسية، فقد تدعم الرؤى الناتجة أيضا اشتقاقا أكثر شفافية واستدانة ماديا لقيم MPE من بيانات ED50 الحالية.

على المدى الطويل، يمكن تبسيط تقييم سلامة العين من خلال إطار عمل نمذجة متكامل ومباشر. يمكن تزويد مثل هذه الأداة إما بمعايير النظام ذات الصلة أو مباشرة بملف تصميم بصري (مثل نموذج زيماكس)، والذي يكون متاحا عادة أثناء تطوير المنتج، مما يتيح تقييم سلامة متسق ومحدد للسيناريو¹.

مجال آخر للتطبيق هو مجال الليزر عالي الطاقة (HEL) المتنامي، مثل مواجهة الطائرات بدون طيار. هنا، تكمن الصعوبة في الغالب في انعكاسات الليزر من الأهداف، خاصة الأهداف المعدنية، التي يمكن أن تتغير بسرعة وعشوائية وتشكل خطرا على العسكريين والمدنيين^2،3. تتطلب هذه الحالة العشوائية غير الحتمية آلية تقييم مناسبة – عادة ما يستخدم نهج احتمالي. هذا النهج يخلق بيانات حول حدوث حالات إشعاع معينة (شدة، زمن التعرض، الطول الموجي)، والتي يجب ترجمتها إلى احتمال حدوث ضرر. هنا، يمكن لنمذجة الأضرار التي نوقشت في هذا العمل أن تسد الفجوة من خلال ترجمة السيناريوهات الاحتمالية إلى احتمالات حدوث ضرر.

فهم مبادئ آليات الضرر بالتفصيل وتقليدها في نموذج برمجي هو طريقة مباشرة لتحديد عتبات الضرر بدلا من إجراء التجارب. اعتمادا على مدة النبضة، يحدث تلف الشبكية عبر آليات تفاعل مختلفة بين الليزر والأنسجة (الشكل 1)^4,5,6,7:

الشكل 1: نظرة عامة على آليات الضرر. نوع آلية الضرر يعتمد على وقت التعرض والإشعاع. تتراوح بين تلف فوتوميكانيكي ناتج عن إشعاع عالي جدا في فترات نبضات قصيرة إلى أضرار كيميائية ضوئية بسبب انخفاض الإشعاع لفترات طويلة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

التحليل الضوئي (^10-12–^10-6 ثوان، 10¹⁰–10¹⁶ واط/سم²):
اضطراب الضوئي: عند فترات نبضة قصيرة جدا إلى نانوثانية وإشعاعات عالية جدا، يبدأ الامتصاص غير الخطي الانهيار البصري. تتكون بلازما كثيفة من الإلكترونات والأيونات الحرة، تتوسع بشكل انفجاري وتولد موجات صدمة قوية. تسمى هذه العملية اضطراب الضوئي، حيث تمزق الأنسجة ميكانيكيا مع تسخين ضئيل وتنتج آفات واضحة حتى في المناطق ضعيفة الامتصاص 4,8,9,10.

الاستئصال المحفز بالبلازما: في نطاق ns–μs عند إشعاع عالي جدا، تهيمن البلازما مرة أخرى. هنا، يتم تحريك إزالة الأنسجة ليس فقط بواسطة موجات الصدمة، بل أيضا بتوسع البلازما والاستئصال الانفجاري. تعرف هذه الآلية باسم الاستئصال الناجم عن البلازما وتنتج طردا كبيرا للمادة ^4,11.

الاستئصال الضوئي (≈ 10^⁻9–10⁻⁶ ثوان؛ ≈ 10⁷–10¹⁰ واط/سم²):
بالنسبة لفترات النبضة التي تزيد عن النانوثانية وأقل من نطاق الميكروثانية، يحدث الاستئصال الضوئي. في هذه العملية، تنكسر الروابط الجزيئية مباشرة بفعل الإشعاع. تستخدم هذه الطريقة، على سبيل المثال، لتصحيح الأخطاء الانكسارية في العين عن طريق إعادة تشكيل القرنية (ما يعرف بطريقة الليزك). عادة ما تطبق الإجراءات الضوئية في نطاق طاقة لم يحدث فيه تكوين البلازما بعد ^4,11.

الضرر الحراري الميكانيكي (≈ ^10-9 – ^10-6 ثوان؛ ≈ 10⁶ – 10⁸ واط/^{سم 2}):
في الأنسجة العينية المصبوغة، يمكن أن يؤدي الامتصاص القوي للميلانوسومات في نطاق ns–μs إلى تسخين فائق سريع. عندما يصل سطح الميلانوسوم إلى ≈ 150 درجة مئوية، تكون الفقاعات الدقيقة نووية ^12,13. يولد تمددها وانهيارها موجات إجهاد ميكانيكية تضر بظهارة الصبغة الشبكية (RPE). هذه الآلية الحرارية الميكانيكية تجسر الفجوة بين الاستئصال الضوئي والإصابة الحرارية: فهي ليست مدفوعة بالبلازما، بل تتضمن انتقالات ميكانيكية مرتبطة بالتسخين الموضعي. تعتمد العتبات على حجم الميلانوسوم وشكله واتجاهه والإضاءة المحلية ^4,11.

الضرر الحراري الضوئي (≈ 1 ميكروثانية – 60 ثانية؛ ≈ 10 – 10⁶ واط/^{سم 2}):
من ميكروثانية إلى ثواني، يهيمن تسخين الأنسجة. ترسيب الطاقة يرفع درجة الحرارة، مما يؤدي أولا إلى تآكل البروتينات، ومع زيادة التعرض، إلى نخر التجلط والكربنة. تختلف حدود الأدب: نيمز⁴ تذكر 1 ميكروثانية – 60 ثانية، زوكليتش¹⁴ 10 ميكروثانية إلى 60 ثانية. التبادلية التقريبية مع التعرض الإشعاعي (~1–1000 جول/سم²) تعمل، مع انحرافات للنبضات القصيرة جدا (انتشار حراري محدود) والنبضات الطويلة جدا (تبريد معزز بالتروية)^4،6،15.

يعتمد نمذجة الضرر الحراري في العمل المقدم على تكامل أرينيوس، والذي يعرف بالتالي:

(1)

مع τ التي تمثل زمن التعريض، وE_a طاقة التفعيل، وR ثابت الغاز الشامل، وT درجة الحرارة أثناء التعرض، وA عامل تحجيم ما قبل الأسي، فإن المعاملات المطبقة في هذه الدراسة هي A = 1.3 × 10⁹⁹ s⁻¹ و E = 628 كيلوجول/مول¹⁵. يؤخذ شرط Ω = 1 للدلالة على بداية تلف الأنسجة. لمناقشة شاملة للنموذج الأساسي، يرجى الرجوع إلى منشور سابق⁴.

الضرر الكيميائي الضوئي (≈ 10 ثوان – 10⁴ ثوان؛ ≈ 10⁻³ – 10² واط/سم²):
في التعريضات الطويلة عند الإشعاعات المنخفضة، تسود التفاعلات الكيميائية الضوئية التراكمية - مثل تبييض الصبغة الضوئية أو المسارات التي تعبر عن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). تحدث عند فترات تعريض تزيد عن 10 ثانية⁶ (أو أكثر من 1 ثانية⁴). لذا، هناك نطاق وسيط يمكن أن يحدث فيه كل من الضرر الحراري والكيميائي الضوئي في نفس الوقت¹⁶. مثال نموذجي على ذلك خطر الضوء الأزرق منخفض المستوى.

البروتوكول

يصف القسم 1 الخطوات العامة اللازمة لبناء النماذج، حيث يمكن تنفيذها باستخدام مجموعة متنوعة من خيارات البرمجيات. يقدم القسم 2 هذه التعليمات للحالة المحددة والنموذجية التي تستخدم فيها Altair Hypermesh (برنامج نمذجة وتحليل العناصر المحدودة [FEA]) وبرنامج Ansys Fluent (برنامج محاكاة السوائل). بالإضافة إلى ذلك، ملف إضافي (الملف التكميلي 1^{17، 18، 19، 20، 21، 22، 23، 24، 25، 26، 27، 28، 29، 30، 31، 32، 33تم تقديم ,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45}) الذي يصف نهج النمذجة ويقدم خلفية نظرية بطريقة غير خطوة (الشكل 1 - Figure 5، الجدول 1 - الجدول 3).

1. تنفيذ نهج النمذجة – الخطوات الإجرائية العامة

1. أنشئ نموذجا ثلاثي الأبعاد وفقا للهندسة كما هو موضح أعلاه.
   1. ضمن هذا العمل، يتم إنشاء الهندسة في برنامج تصميم ميكانيكي ثلاثي الأبعاد بمساعدة الحاسوب (الإصدار 16) وفقا للمعايير الموضحة في الملف التكميلي 1.
2. إنشاء شبكة الحجم وفقا لخصائص وامتدادات جميع أجزاء العين، وفقا للملف التكميلي 1.
   1. تنفيذ الدمج والمعالجة اللاحقة باستخدام برنامج تحليل FEA (الإصدار 11) وبرنامج تحليل الهندسة الحاسوبية (CAE) (الإصدار 11). يتكون النموذج من 761,766 عنصرا رباعي الأوجه. أبعاد خلايا الشبكة تتراوح بين 37 ميكرومتر و491 ميكرومتر.
      ملاحظة: الشبكة الخشنة ستؤدي إلى أخطاء أو انحرافات حسابية. عدد أكبر من الخلايا ممكن دائما، لكنه سيزيد من وقت الحساب. ثبت أن هذه الشبكة مستقلة عن الحجم، حيث أدى المزيد من تحسين حجم العنصر إلى فروق ضئيلة في الحسابات.
   2. للحفاظ على أوقات حساب معقولة، استخدم هذه الشبكة وتعتمد فقط إذا كانت المناطق المحددة تتطلب دقة أدق. وبناء عليه، يتم إعادة تركيب الشبكية بحجم خاصية لا يقل عن 5 ميكرومتر لتمكين الامتصاص داخل طبقة RPE، كما هو مطلوب وشرح لاحقا في البروتوكول.
      ملاحظة: يظهر الشكل 2 صورة نموذجية للشبكة مع زجاجية مخفية لجعل الشبكية مرئية.
3. دمج شروط الحدود.
   1. عند الصلبة، استخدم معامل حدود التوصيل فقط h_scl = 20 W/m²K وقيمة القرنية _h'corn,1 = 14.21 W/m²K من كما تم استنتاجها أعلاه بالتفصيل. استخدم هذه القيم لتحديد شروط الحدود للسطح الذي يمثل الصلبة والقرنية على التوالي.
4. نفذ تدفق الدم.
   ملاحظة: يوفر هذا المجال اتجاه التدفق والمقدار في كل خلية شبكة ويضيف الانتقال إلى معادلة الطاقة.
   1. اتبع خطوات البناء كما هو مذكور أدناه:
      1. حدد المداخل/المخارج الفسيولوجية—تدفق أمامي من الدائرة الشريانية الرئيسية للقزحية والتدفق الخلفي من الشرايين الهدية القصيرة، مع تصريف وريدي عبر الأوردة الدوامية.
      2. احسب حقل التدفق الناتج.
      3. إعادة تصغير جميع السرعات المحلية إلى 5 مم موحدة (حسب Peyman⁴⁵) مع الحفاظ على الاتجاهات، وذلك من خلال وظيفة تعريفها المستخدم من برنامج محاكاة السوائل (UDF). النتيجة هي حقل سرعة صحيح اتجاهيا بمقدار ثابت عبر المشيمية.
5. احسب توزيع درجة الحرارة.
   1. ابدأ حساب درجة الحرارة بتعريف المواقع والأشكال المعتمدة على الوقت لشعاع الليزر. للحصول على هذه المواقع المتغيرة زمنيا على الشبكية (أو داخل العين بشكل عام)، استخدم نموذج برنامج تتبع أشعة للعين بالتوازي مع النموذج الحراري.
      ملاحظة: استنادا إلى نمذجة برنامج تتبع الأشعة لنظام الليزر قيد التقييم، يوفر هذا النهج التطور الزمني لمواقع وأشكال بقع الليزر. هذا غير موضح بالتفصيل في هذا العمل من أجل سهولة الوصول، لكنه موصوف سابقا ^1,18.
   2. قم بتعيين المواقع والأشكال المربعة المحسوبة إلى الأقسام المقابلة من خلايا الشبكة مع مرور الوقت، والتي يتم تعيين طاقة الليزر المعنية.
   3. استيراد هذه البيانات إلى برنامج محاكاة السوائل عبر UDF، الذي يعالجها دوريا. يحدد UDF خلايا الشبكة ذات الصلة ويقدم مصطلح مصدر طاقة وفقا لقدرة الليزر المحددة لوقت الإشعاع المقابل. اعتبر كل من الإشعاع الموجي المستمر (CW) والإشعاع النبضي، بالإضافة إلى حركات الحزمة الثابتة أو المعتمدة على الزمن.
   4. لكل موقع، احسب الطاقة الممتصة باستخدام معامل الامتصاص عند الطول الموجي الليزري المعطى وخصصه لخلايا الشبكة المتأثرة، والتي يتم تسخينها بشكل متوازي.
      ملاحظة: كمثال، في التعريض عند طول موجي 532 نانومتر، يحدث امتصاص 51٪ في RPE بسماكة 5 ميكرومتر⁷، كما هو موضح في الشكل 3. لا يحدث امتصاص داخل غشاء بروخ ^7,46. تنخفض طاقة الليزر المتبقية في الكورويد، ويفترض أنها سمكها 100 ميكرومتر مع معامل امتصاص⁷ α_Ch = 270 ^سم-1، وفقا لقانون لامبرت-بير. يحسب UDF الطاقة الممتصة عبر سمك كل خلية شبكة ويخصص هذه القيمة للخلية. لنقل العدوى من القرنية إلى الشبكية، يتم تطبيق قيمة 20٪ ⁷. يمكن استيعاب تغير طول موجة الليزر بسهولة عن طريق تعديل معامل الامتصاص وانتقال التيار من القرنية إلى الشبكية.
   5. بالإضافة إلى ذلك، حدد مدة خطوة زمنية واحدة، لأن بيانات الشكل البقعي (من نموذج تتبع الأشعة أو معرفة مباشرة في UDF إذا كانت معروفة بدون نموذج تتبع الأشعة) تصف فقط تسلسل الإشعاع بدون مقياس زمني.
   6. لتسريع الحساب، قم بتجميع جميع الفترات التي لا تتعرض للإشعاع معا وخصص خطوة زمنية أكبر تناسبيا، حيث لا يتطلب الأمر دقة زمنية دقيقة هناك.
      ملاحظة: بعد تطبيق هذه الإعدادات، يمكن للمحلل حساب الاستجابة الحرارية الزمنية للعين. نظرا لأن النموذج الحالي يتطلب فقط التوصيل الحراري وتدفق الدم في الاعتبار، فإن المحلل يقتصر على حل المعادلات التفاضلية المقابلة. راجع الملف التكميلي 2 للوظائف النموذجية المعرفة من قبل المستخدم.
6. احسب الأضرار.
   1. لاشتقاق عتبة ضرر بناء على الاستجابة الحرارية، استخرج قيم درجة الحرارة المحسوبة من ملف نتائج فلوينت باستخدام أداة تعتمد على +C (انظر ^1,18 للتفاصيل وقوائم الكود).
   2. باتباع نهج تكامل آرينيوس، احسب قيم آرينيوس لخلايا الشبكة الفردية من هذه درجات الحرارة وتخزينها في صيغة متوافقة مع برنامج المعالجة اللاحقة. يتيح ذلك التبديل بسهولة بين قيم درجات الحرارة واحتمالات الضرر أثناء التحليل.
   3. وأخيرا، احصل على نتيجة ضرر ثنائية (نعم/لا) لكل خلية شبكية. حدد تصنيف نعم/لا بقيمة عتبة 1 لتكامل أرينيوس⁴. حدد عتبة الضرر هذه بشكل تكراري من خلال اختبار قوى إدخال مختلفة لمدة إشعاع ثابتة.
7. حدد حجم خطوة الزمن للمحلل.
   1. استخدم برنامج محاكاة السوائل (الإصدار 14.5) كمحلل، مستخدما طريقة الحجم المحدود. يجب أن يحقق حجم الخطوة شرط كوران-فريدريش-ليوي، الذي يصف النسبة إلى حجم خلايا الشبكة من أجل خلق ظروف محاكاة مستقرة.
   2. أيضا، قم بتقليل حجم الخطوة خطوة بخطوة حتى تصبح النتيجة ثابتة بالنسبة لحجم الخطوة. على سبيل المثال، في الحسابات التي تصل إلى 10 خطوات زمنية تصل إلى 10 ثانية و100 مللي ثانية، وجد أن تغيرات درجة الحرارة كانت <1٪.

الشكل 2: قطع القسم عبر شبكة (المزاح الزجاجي مخفي). تظهر الشكل الصلبة (بيضاء)، المشيمية (حمراء)، الشبكية (صفراء)، العدسة (بيضاء)، القزحية (خضراء)، والخلط المائي (الأزرق)¹⁸. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: خصائص الامتصاص عند قاع العين. داخل RPE، يتم امتصاص 51٪ من إشعاع الليزر البالغ 532 نانومتر؛ لا يحدث امتصاص في غشاء بروخ، ويتم نمذجة المشيمية وفقا لسلوك لامبرت-بير¹⁸. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. مثال توضيحي – خطوات محددة

1. أنشئ نموذجا ثلاثي الأبعاد وفقا للهندسة كما هو موضح أعلاه.
   ملاحظة: يتم بناء النموذج ثلاثي الأبعاد عن طريق إنشاء كائنات لجميع العناصر المدرجة في الجدول التكميلي 1. كمثال، هذه الخطوات تؤدي إلى الصلبة.
   1. أنشئ ملف جزء جديد (.ipt).
   2. ابدأ رسم تخطيطي ثنائي الأبعاد على مستوى XY.
   3. ارسم خط بناء أفقي (سيكون هذا محور الدوران).
   4. ارسم قوسا بنصف قطر 12 مم للسطح الخارجي.
   5. في المركز (القطب الخلفي)، تخلق نقطة بعمق 0.99 مم إلى الداخل من القوس الخارجي.
   6. من هذه النقطة، ارسم منحنى السطح الداخلي.
   7. عند الليمبوس، اضبط المسافة بين السطح الداخلي والخارجي إلى 0.75 مم.
   8. اربط المنحنيات الداخلية والخارجية عند الحافة لتشكيل ملف مغلق.
   9. اختر نموذج ثلاثي الأبعاد > Revolve.
   10. اختر Surface وأكد.
2. أنشئ شبكة الصوت.
   ملاحظة: يتم إنشاء الشبكة بناء على الكائن ثلاثي الأبعاد. هذا مثال على التشابك:
   1. استورد النموذج ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه في برنامج التصميم الميكانيكي ثلاثي الأبعاد بمساعدة الحاسوب.
   2. انقر على سطح الجسم لتشابك الشبكة، مثل الصلبة الصلبة.
   3. قم بتشابك الأسطح أولا – انقر على Mesh في هذه الواجهة، والتي تظهر بمجرد النقر على السطح. اختر التصفح في الواجهة واختر الشبكة التكيفية التلقائية.
   4. الشبكة ثلاثية الأبعاد (التي تعرف الكائن) تعتمد على شبكات السطح. للإنشاء، اختر الأسطح وانقر من القائمة العلوية اليسرى: Mesh > إنشاء > Solid Map Mesh.
   5. الآن، تظهر واجهة. انقر على الشبكة.
3. دمج شروط الحدود.
   ملاحظة: يجب تحديد شروط الحدود للصلبة والقرنية، لأن هذه الأسطح على اتصال بالعالم المحيط. هذا المثال للصلبة الصلب (الصلبة):
   1. اذهب إلى Analysiمن القائمة العلوية > BCs > إنشاء > القيود (أو الأحمال).
   2. اختر نوع الكيان من الأسطح واختر الصلبة من القائمة.
   3. في نفس اللوحة، حدد موقع حقول القيمة الإدخال وأدخل القيمة مباشرة في حقل المقدار .
   4. انقر على إنشاء لتعيين شرط الحدود.
4. نفذ تدفق الدم.
   1. حدد الأسطح ل - التدفق الأمامي (الدائرة الشريانية الرئيسية للقزحية)، والتدفق الخلفي (الشرايين الهدبية القصيرة)، والتدفق الخارج (الأوردة الدوامية).
   2. حدد شروط حدودية لهذه الأسطح.
   3. انقر على تحليل التحليل > القواعد > إنشاء > الأحمال.
   4. اختر أسطح المدخل > تعيين متجهات اتجاه السرعة (اتجاهات فسيولوجية تقريبية).
   5. اختر أسطح المخرج > تعيين مخرج ضغط (أو عدم وجود قيد حسب إعداد المحلل).
   6. تصدير النموذج إلى برنامج محاكاة السوائل – هنا سيتم تعديل طول متجه التدفق.
   7. استخدم UDF ScaleVelocity من الملحق داخل برنامج محاكاة السوائل لتكييف طول المتجه (UDF هو تنسيق قياسي يتم تحميله في برنامج محاكاة السوائل).
5. احسب توزيع درجة الحرارة (محلل المجموعات).
   ملاحظة: استخدم برنامج محاكاة السوائل لحساب درجات الحرارة كما يلي واحفظه بصيغة ملف يمكن قراءته بواسطة برنامج تحليل CAE.
   1. انقر على ملف > قراءة > الشبكة > اختر الشبكة > الشبكة > التحقق.
   2. انقر على محلل > العام: > القائم على الضغط: مؤقت.
   3. انقر على النماذج > الطاقة > تمكين > حسنا.
   4. انقر على المواد > تعريف ρ و p و kρ > شروط منطقة الخلية > تعيين المواد لجميع المناطق.
   5. انقر على شروط الحدود > تعريف البكرات الحرارية (القرنية، الصلبة، البيئة).
   6. انقر على تهيئة الحل > التهيئة (OFFIZ).
   7. انقر على حساب التشغيل > تعيين حجم خطوة زمنية + عدد خطوات الزمن + التكرارات لكل خطوة.
   8. انقر على تشغيل الحساب > الحساب.
   9. انقر على ملف > تصدير بيانات الحل >... نوع > الملف: Ensight Gold > اختر درجة الحرارة > تحديد المناطق > الكتابة.
6. احسب الضرر.
   1. نفذ AddingArrhenius.exe (الملف الإضافي 3 والملف التكميلي 4) من نفس المجلد الذي يحتوي عليه برامج تحليل FEA التي تحتوي على درجات الحرارة. يحتوي على حساب بسيط لتكامل أرينيوس بناء على درجات الحرارة المخزنة في ملفات تحليل FEA.

النتائج

يعرض هذا القسم أولا التحقق والتحقق من صحة النموذج المعروض. بعد ذلك، يتم عرض ثلاث تطبيقات نموذجية.

التحقق والتحقق
في هذا القسم، يتم التحقق من النموذج المعروض أولا بالمقارنة مع نماذج العين الحرارية الفسيولوجية المعتمدة 19,27,28,30,32 لضمان اتساق توزيعات درجات الحرارة المتوقعة (حالة الحالة المستقرة). في الخطوة الثانية، يتم التحقق من صحة النموذج من خلال مقارنة حقول درجة الحرارة المحاكاة وتوقعات تلف أرينيوس مع البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها تحت إشعاع الليزر (توزيع درجة الحرارة العابر).

التحقق من تطبيق تدفق الدم أكثر تحديا، حيث لا تتوفر بيانات كمية لدرجة حرارة شبكية الإنسان تحت الإشعاع طويل الأمد في الجسم الحي . لأوقات الإشعاع القصيرة (عدة مئات من المللي ثانية)، يمكن استخدام بيانات درجة الحرارة من جراحة الشبكية للتحقق. تظهر هذه القياسات توافقا جيدا مع ارتفاع درجة الحرارة المتوقع. كما ذكر سابقا، يصبح تأثير تدفق الدم ذا أهمية فقط بعد بضع ثوان.

بالنسبة لهذا النظام الإشعاعي الطويل، تتوفر فقط بيانات حيوانية. تظهر المقارنة مع قياسات درجة حرارة الشبكية في الأرانب توافقا نوعيا، بينما تلاحظ فروق كمية. هذه الانحرافات متوقعة بسبب اختلافات تدفق الدم تعتمد على الأنواع.

لذا، رغم أن التطبيق النقالي لتدفق الدم يوفر تمثيلا فسيولوجيا أكثر واقعية وأن متوسط السرعة 5 مم/ث يشكل تقديرا أوليا معقولا، إلا أنه يوصى بالتحقق من صحة بيانات البشر أو الرئيسيات غير البشرية (NHP) إذا توفرت هذه البيانات.

التحقق من النموذج – مقارنة مع النماذج المعروفة (بدون تدفق دم) (الحالة المستقرة)
استخدمت تحليلات الحالة المستقرة التي أجريت للتحقق من صحة النموذج خطوة زمنية مدتها 10 مللي ثانية. يمكن ملاحظة أن توزيع درجات الحرارة على طول النموذج متسق مع نماذج أخرى. أما النماذج الأخرى فلا يوجد بها تدفق دم؛ وبناء عليه، تم تعطيل تدفق الدم في النموذج الموصوف هنا لهذا التحقق. في الخطوة التالية، تم تنشيط تدفق الدم ومقارنته بنجاح مع القياسات في الجسم الحي، وقارن قسم النتائج (الشكل التكميلي 3).

الشكل الإضافي 3: مقارنة توزيع درجات الحرارة مع نماذج أخرى¹⁷. درجة الحرارة داخل العين البشرية على طول المحور البصري، متوافقة تماما مع النماذج الحالية. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

التحقق من صحة النموذج – الشبكية في الماء (محاكاة الجسم الزجاجي)
نظرا لأن القياسات بالأشعة تحت الحمراء مستحيلة تحت الماء، تم إدخال حساس درجة حرارة الألياف الضوئية (مسبار GaAs) في عينة عين خنزيرية من صلبة الجسم، المشيم، وRPE. تم وضع الحساس بين الصلبة والمشي وتثبيته في مكانه باستخدام حامل (الشكل 4). تم اختيار طريقة القياس باستخدام مجس GaAs لأن استخدام الألياف الضوئية لنقل الإشارة يضمن اقتران حراري منخفض جدا، مما يقلل من تأثير طريقة القياس على القياس نفسه.

تكون الإعداد من مسارين بصريين، موضحين بشكل مخطط في الشكل 5. من ناحية، مر الليزر عبر مقسم شعاع ونافذة مدخل مغطاة بمضادة للانعكاس لتعريض الأنسجة؛ من ناحية أخرى، كان الضوء المنبعث من النسيج يوجه عبر مقسم الشعاع وعدسة 20 مم إلى الكاميرا. كانت هذه الكاميرا تستخدم بشكل أساسي لمراقبة موقع البقعة أثناء القياسات، مما يسمح بفحص موقع نقطة الليزر على الأنسجة وبالنسبة لطرف GaAs في الوقت الحقيقي. لتحسين رؤية الضوء المتناثر من الأنسجة، قام المستقطب بقمع الانعكاسات من الأسطح البصرية. للتصوير الأمثل، كان النسيج مضاء أيضا من الخلف، لأن الجزء الأمامي يمتص RPE بقوة؛ وفي الوقت نفسه، سمح هذا النهج في الإرسال بتحديد موقع المستشعر. تم توفير الإضاءة بواسطة ديود يصدر الضوء.

في القياسات، تم ضبط الموضع الأولي بحيث تكون بقعة الليزر مركزة تماما على طرف المستشعر. من هذه النقطة البداية، تم تحريك الأنسجة جانبيا خارج بقعة الليزر بينما تحرك طرف المستشعر معها. وبالتالي، يمكن تسجيل استجابة درجة الحرارة على مسافات مختلفة من مركز النقطة. لاحقا، تمت مقارنة هذه القياسات على مسافات مختلفة مع المحاكاة المقابلة. لذلك، تم تحريك حامل الأنسجة على المحور الرأسي بينما بقيت الليزر ومقسم الشعاع وبصريات التصوير ثابتة. تم غمر النسيج في خزان ماء يحافظ عليه عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 22 درجة مئوية بواسطة ملف تسخين. كان المجس المرجعي يتحكم في هذه القيمة وفي الوقت نفسه كان نقطة مقارنة لقراءة المستشعر في الأنسجة قبل تطبيق الإشعاع.

الشكل 4: إعداد القياس. يتم تركيب عينة الأنسجة داخل الحامل، بما في ذلك رأس قياس GaAs^{رقم 18}. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: إعداد تجريبي للقياسات تحت الماء. تم إدخال رأس قياس GaAs في نسيج مثبت في حامل. تم غمر التجميع في ماء منزوع الأيونات عند درجة حرارة 22 درجة مئوية وتعرض للأشعة المشعة بالليزر. لمراقبة موقع نقطة الليزر بالنسبة لرأس القياس، تم تصوير المنطقة المشعة على كاميرا عبر مقسم شعاع موضوع في مسار شعاع^{الليزر 18}. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشبكية المشعة مع مرور الوقت – النموذج مقابل القياسات في الجسم الحي (تدفق الدم النشط)
يقدم هذا القسم نتائج التعريض الشبكي طويل الأمد عند 810 نانومتر حتى 10 ثوان حيث تمت مقارنته بالقياسات في الجسم الحي على الأرانب. وبما أن هذه هي المرة الأولى التي تجرى فيها مثل هذه المحاكاة ولا تتوفر قياسات بشرية لفترات طويلة كهذه، تتم مقارنة النتائج ببيانات الأرانب التي أبلغ عنها هيرمان ^{وآخرون.} يوضح الشكل 6 محاكاة لقدرات 62 ميلي واط وقطر بقعة 2 مم باستخدام خطوة زمنية قدرها 10 مللي ثانية (يمكن العثور على المزيد من النتائج في المنشورات السابقة ^1,17). بينما الاتجاهات العامة متشابهة، تختلف مستويات درجات الحرارة المطلقة. يعزى هذا التفاوت إلى ارتفاع تدفق الدم في عين الإنسان والاختلافات التشريحية بين عين الأرنب وعين الإنسان، بالإضافة إلى ارتفاع الامتصاص^{في عين} الأرنب. ومن المهم أن النقطة التي تتفرق عندها منحنيات تدفق الدم النشط وغير النشط تتوافق جيدا مع النموذج الحالي. علاوة على ذلك، فإن الفروق النسبية بين درجات حرارة الشبكية في الأرانب الميتة (عدم تدفق الدم) والأرانب الحية (تدفق الدم الطبيعي) تتوافق مع الفروقات النسبية التي تنبأت بها المحاكاة.

أيضا، تتوفر تجارب في الجسم الحي على البشر لفترات زمنية أقصر واستخدمت لاختبار النموذج ضدها. يوضح الشكل 6 على الجانب الأيمن ملفات درجة حرارة الشبكية تحت إشعاع الليزر بقوة 532 نانومتر عند 200 مليواط، وقطر بقع 300 ميكرومتر كما تم قياسه بواسطة برينكمان ^{وآخرون.} تتم مقارنة هذه القياسات مع درجات الحرارة المحسوبة باستخدام سلسلة الأدوات. على الرغم من أن البيانات التجريبية تظهر تقلبات كبيرة، إلا أن النموذج يرى أنه يتنبأ بارتفاع درجة الحرارة بدقة جيدة. المقارنة مع القياسات من عيون الأرانب تتم هنا، لأنه لا توجد تجارب حية لقياس درجة حرارة الشبكية تحت الإشعاع متاحة للبشر أو للأشخاص غير النظاميين المتعددين.

الشكل 6: نموذج المقارنة مقابل القياسات (في الحي). يسار: الزيادة المحسوبة في درجة الحرارة للعين البشرية ('نموذج') مقابل الزيادة المقاسة في درجة حرارة عين الأرنب - 62 مللي واط / قطر بقعة = 2 مم. يمين: توقعات درجة الحرارة مقارنة بالقياسات (قطر البقعة = 300 ميكرومتر). تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ¹⁷. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

بالنسبة لسيناريوهات الإشعاع الموضحة في الصورة اليسرى هنا، تم تطبيق حجم خطوة 10 ميكروثانية، بينما تم اختيار خطوة زمنية تبلغ 10 مللي ثانية (باستخدام خطوات زمنية 1 مللي ثانية و100 مللي ثانية في الغالب إلى تغيرات في درجة الحرارة أقل من 1٪ بعد 10 ثوان).

الاستنتاج إلى عتبات إصابة الشبكية البشرية من نماذج الأرانب وخارج الجسم الحي يدخل بوضوح عدم اليقين. يختلف تدفق الدم المشيمية بين الأنواع، ونسيج خارج الجسم الحي يفتقر تماما إلى التروية — كلا العاملين يؤثران على تبديد الحمل الحراري وقد يبالغان أو يقللان من تقدير الضرر الناتج عن التعرضات طويلة الأمد. تختلف معاملات الامتصاص مع الميلانين في RPE/المشيم. وبالتالي، فإن هذا النهج في التحقق من الصحة له حدود معينة. بالنسبة لمجال الضرر الحراري، تصبح هذه الفروقات أقل أهمية. بينما لا يمكن نقل تدفق الدم من، مثلا، من أرنب إلى إنسان (المقارنة أدناه تأخذ السلوك النوعي فقط في الاعتبار)، فإن مسألة سماكة الطبقات وأحجام التفاصيل لها تأثير ضئيل، لأن الخصائص الحرارية لطبقات الأنسجة المختلفة متشابهة.

الشبكية المشعة مع مرور الوقت – النموذج مقابل القياسات خارج الجسم الحي (تعطيل تدفق الدم)
يقارن الشكل 7 القياسات التي تم الحصول عليها تحت الماء مع توزيعات درجات الحرارة المحسوبة عند واجهة المشيم-الصلبة. تم عرض نتائج 50 مللي واط، كما تم استخدام نتائج 100 مللي واط و200 مللي واط لضمان أن الاتفاق بين القياسات والمحاكاة مستقل عن الطاقة، انظر المنشورات^{السابقة 18,36} لمزيد من التفاصيل. لكل مستوى طاقة، تمت مقارنة ملفات درجة الحرارة الزمنية لمواقع حساسات الألياف البصرية عند 0 مم، 1 مم، و2 مم من مركز نقطة الليزر. تتوافق فترة الرصد التي تبلغ 60 ثانية مع الجدول الزمني للأضرار الحرارية. حجم خطوة الزمن لحسابات 60 ثانية كان 100 مللي ثانية، أظهرت تجارب الاختبار ذات أحجام خطوات زمنية أقصر فروقا في نطاق 1٪. بشكل عام، يمكن تعديل حجم الشبكة وحجم الخطوة حسب الاحتياجات الخاصة بالنموذج. إذا كانت أوقات الحساب أقصر مطلوبة وكانت دقة هندسة العين أو درجة الحرارة المحسوبة مقبولة، فقد يكون من المستحسن زيادة حجم خلية الشبكة و/أو خطوة الزمن.

يوضح الشكل 7B مقارنة بين القياسات والمحاكاة لدرجات الحرارة النهائية بعد 60 ثانية كدالة للمسافة. هذا يوضح أن التوزيع المكاني لدرجات الحرارة المحسوبة يتطابق أيضا مع البيانات التجريبية.

الشكل 7: نموذج مقارنة مع القياسات (خارج الجسم الحي). يسار: قياسات درجة الحرارة في الماء التي تم أخذها باستخدام طرف GaAs: تظهر المنحنيات الصلبة نتائج القياس لمسافة 0 مم، 1 مم، و2 مم بين نقطة الليزر ورأس GaAs. تمثل المنحنيات المتقطعة المحاكاة ذات الصلة التي تحتوي على دم (في المنحنى العلوي) وبدون دم (منحنى سفلي) في المشيمية. قوة الليزر: 50 ميلي واط، حجم البقعة: 1.9 مم (n = 14). يمين: ملف درجة الحرارة الجانبي للقياسات في الماء (خطوط صلبة) مقارنة بالمحاكاة (خطوط متقطعة) مع (المنحنى العلوي) وبدون (المنحنى السفلي) دم في المشيمية. المتوسط معروض باللون البرتقالي، أشرطة الخطأ تمثل الانحراف المعياري. قوة الليزر: 50 ميلي واط، حجم البقعة: 1.9 مم (n = 14). تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ¹⁷. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

توقع عتبة الضرر الحراري
درجة الحرارة مع مرور الوقت لأشعة الليزر البسيطة موضحة في الشكل 8:

الشكل 8: التطور الزمني لدرجة حرارة الشبكية. توزيع درجة الحرارة على الشبكية بعد 5 مللي ثانية (يسار)، 7.5 مللي ثانية (وسط)، و10 مللي ثانية (يمين) (حجم الشبكة = 5 ميكرومتر). تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ¹⁷. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

قيمة أرينيوس التالية من ذلك موضحة في الشكل 9:

الشكل 9: التطور الزمني لتلف الشبكية يقدر أرينيوس توزيع الشبكة على الشبكية بعد 5 مللي ثانية (يسار)، 7.5 مللي ثانية (وسط)، و10 مللي ثانية (يمين) (حجم الشبكة = 5 ميكرومتر). تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ¹⁷. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يوضح الجدول 1 عتبات الضرر المتوقعة مقارنة بالقيم المقاسة. عرفت القياسات^{المرجعية 15} الضرر بأنه ظهور آفة مرئية بحجم 20 ميكرومتر، وقد تم اعتماد هذا المعيار هنا. وبناء عليه، تم حساب القدرة المطلوبة للوصول إلى قيمة أرينيوس لا تقل عن واحدة لقطر 20 ميكرومتر عند زمن الإشعاع المحدد. للتحقق من الصحة، تم تعديل درجة الحرارة المحيطة^{بمقدار 15} من 25 درجة مئوية إلى 23 درجة مئوية، وتم افتراض وجود ملف ليزر ذو قبعة علوية. تظهر العتبات الناتجة توافقا جيدا مع البيانات التجريبية.

قطر الحزمة [ميكرومتر]	زمن الإشعاع [ms]	عتبة الضرر المقاسة [μJ]12		عتبة الضرر المحسوبة [μJ]
120	1	85		86
	10	241		241
	100	1362		1294
288	1	456		497
	10	1212		1139
	100	4062		3697

الجدول 1: المقارنة بين عتبات الضرر المحسوبة والمقاسة¹⁷.

توقع عتبة الضرر الحراري – الإشعاع الديناميكي (مسح الشبكية)
عندما يدخل ليزر ماسح إلى عين الإنسان، يعتمد نمط التعريض الشبكي مع مرور الوقت على المسافة بين المرآة والعين، وكذلك على الحالة التكيفية للعين^48,49. يمكن العثور على تحليل مفصل لهذه التبعيات بناء على نموذج بصري إضافي للعين (زيماكس) في منشور سابق¹. هنا، نوضح هذا المبدأ من خلال سيناريو إشعاع شبكي نموذجي. في المثال الموضح في الشكل 10 (على اليسار)، تشير النقطة الحمراء إلى مركز بقعة الليزر (الدائرة الزرقاء). يسير المسح بشكل متسلسل من أعلى اليسار إلى أسفل اليمين، بحجم خطوة 10 ميكروثانية. وقد تحقق ذلك مرة أخرى من خلال دالة معرفة من قبل المستخدم تكتب ترسبات الطاقة في الخلايا الشبكية ذات الصلة مع مرور الوقت وتقيم درجة الحرارة الناتجة على مدى الزمن لجميع الخلايا باستخدام نهج أرينيوس. في هذه الحالة المثالية، يعني هذا أن كل موقع في الشبكية مكشوف لمدة 10 ميكروثانية عند قدرة إشعاعية تبلغ 1 واط. يتم تصوير الاستجابة الحرارية المقابلة عند نقطة درجة الحرارة القصوى على الشبكية، مع التكامل الأرينيوس المشتق، في الشكل 10 (على اليمين). في ظل هذه الظروف، يشير تقييم أرينيوس إلى بدء تلف الشبكية بعد حوالي 150 مللي ثانية (مدة المسح الكلية) من التعرض للليزر الماسح بقوة 1 واط.

الشكل 10: تقييم الأضرار النموذجي. يسار: سيناريو إشعاعي نموذجي على الشبكية. يمين: درجات الحرارة وقيم آرينيوس على التوالي مع مرور الوقت¹⁸. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تقييم إضافة النبضات وتأثيرها على عتبة الضرر
كما تم تطبيق نهج نمذجة الضرر الحراري المعروض لدراسة تأثير أنماط النبضات المختلفة على تحفيز تلف الشبكية. على وجه الخصوص، يسمح النموذج بتحليل مفصل لتأثيرات جمع النبضات، والتي تعد ذات أهمية مركزية لتقييمات سلامة العين التي تشمل انبعاثات ليزر متكررة أو معدلة.

تدعم المحاكاة التي تجرى لفترات النبضات التي تحكمها آليات الضرر الحراري مفهوم "الطاقة الجزئية" أو "النيتروجين الجزئي". في هذا الإطار، لم يعد العدد الفعلي للنبضات يحدد فقط من خلال عد النبضات الفيزيائية المتقطعة. بدلا من ذلك، يتم وزن النبضات وفقا لمساهمتها النسبية في الطاقة ضمن تسلسل الانبعاث وتداخلها الزمني مع زمن الاسترخاء الحراري للنسيج. وبالتالي، يعتمد عتبة الضرر ليس فقط على عدد النبضات، بل أيضا على توزيع طاقة النبضة، ومعدل التكرار، وتأثيرات التراكم الحراري بين النبضات المتعاقبة.

يوفر هذا التفسير وصفا أكثر اتساقا فيزيائيا لجمع النبضات في النظام الحراري. بدلا من تطبيق قاعدة عد نبضات هندسية بحتة، يقيم النموذج ارتفاع درجة الحرارة التراكمي وتكامل أرينيوس الناتج مباشرة. لذا فإن مفهوم "النيتروجين الجزئي" يعمم تعريف إضافة النبضات الحالي من خلال ربطه بعمليات التراكم الحراري الأساسية داخل النسيج.

يتيح هذا النهج تحقيقا منهجيا في كيفية تأثير التغيرات في مدة النبضات، وتباعد النبضات، وعمق التعديل، والتعرض الكلي للإشعاع على عتبة الضرر الفعالة. نظرا لأن إضافة النبضات موضوع معقد له تداعيات كبيرة على معيار سلامة الليزر، يتم إحالة القارئ إلى المنشورات السابقة 15,50,51 لمناقشة أكثر تفصيلا.

مقارنة عتبة سلامة الليزر مع عتبة الضرر المحسوبة
تم استخدام النموذج المعروض لاشتقاق ومقارنة عتبات الضرر مع حدود الفئة^{1 52} التالية من IEC 60825-1. وجد أن العتبات المحسوبة متوافقة مع هامش الأمان الضمني المدمج في المعيار.

ميزة رئيسية لنهج النمذجة هي أنه يعتمد مباشرة على عتبات الضرر المتوقعة (مع عامل أمان). في المقابل، يعتمد معيار سلامة الليزر على حدود تعرض عامة مشتقة من البيانات التجريبية والاستيفاء عبر الأطوال الموجية والزمنية (الجدول 2). بينما يضمن هذا التطبيق المحافظ عبر مجموعة واسعة من الأنظمة، قد لا يعكس دائما الخصائص البصرية والزمنية المحددة لجهاز معين وله احتمال أن يكون محافظا جدا.

لذلك، يوفر التقييم القائم على النمذجة بديلا مدفوعا بالفيزياء يمكن أن يكمل التصنيف القائم على المعايير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون التطبيق الرسمي لمعيار سلامة الليزر معقدا وغالبا ما يتطلب خبرة مفصلة، خاصة للأنظمة التي تتضمن الانبعاثات الماسحة أو النبضية أو المعدلة. يمكن لإطار عمل نمذجة آلي مدمج في سير عمل التصميم البصري أن يسهل تقييم السلامة في المراحل المبكرة وتمكين تحسين أنظمة الليزر بشكل منهجي.

	معيار السلامة بالليزر		النموذج المقترح
قطر البقعة (الشبكية)	C6	الانبعاث المسموح به	عتبة الضرر	عامل الاختزال	الانبعاث المسموح به
50 ميكرومتر	1.96	2.0 ميغاواط	5.89 ميغاواط	3	1.96 ميغاواط
100 ميكرومتر	3.92	4.0 ميغاواط	10.24 ميغاواط	3	3.41 ميلي واط
250 ميكرومتر	9.8	9.8 ميغاواط	28.86 ميغاواط	3	9.62 ميغاواط

الجدول 2: حساب عتبات الضرر مقابل حدود الفئة 1 من IEC 60825-1. تم إعادة إنتاج هذا الجدول بإذن من هويسنر وآخرين. ⁵².

الشكل الإضافي 1: الهندسة المستخدمة. تم اشتقاق هذا النموذج وامتداداته ومعلمات الأنسجة من المعايير البيولوجية الفعلية، وهو المخطط لإنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد للعين البشرية. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل الإضافي 2: ظروف الحدود المستخدمة لنماذج العيون. يظهر الجانب الأيسر أحدث شروط الحدود مع تعريف دائري ل بينما على الجانب الأيمن يعرف على امتداد امتدادات الجفن الصحيحة. تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ³⁶. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل الإضافي 4: مخطط تدفق الدم الفسيولوجي. يدخل تدفق الدم عبر الدائرة الشريانية القزحية الكبرى والشرايين المهدبة الخلفية الطويلة ويخرج عبر الأوردة الدوامية. تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ¹⁷. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل الإضافي 5: تنفيذ مجرى الدم. استنادا إلى تدفق الدم الفعلي، تم نمذجة مجرى الدم مع المداخل والمخارج المعروضة، كما هو موضح في الجدول التكميلي 3. تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرين. ³⁶. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الجدول الإضافي 1: القيم الهندسية المستخدمة في هذا العمل. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الجدول التكميلي 2: معايير الأنسجة المستخدمة في هذا العمل. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الجدول التكميلي 3: تعريف تدفق الدم الداخل والخارج لمجرى الدم الناقلي. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 1: اشتقاق منهج النمذجة. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: الوظائف التعريفية النموذجية من قبل المستخدم. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 3: AddingArrhenius.exe. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف الإضافي 4: AddingArrhenius.cpp. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

المناقشة

داخل البروتوكول، لا توجد خطوات حرجة فيما يتعلق بإنشاء النموذج. الأهم هو اختيار حجم ونوع الشبكة مع حجم خطوة الزمن. تعديل تقنية النمذجة له أهمية عند استخدام أنماط مسح أخرى على الشبكية. لا يجوز تعديل النموذج نفسه. تقتصر التقنية على أنظمة الضرر كما هو موضح في القسم المعني. تكمن الأهمية في إمكانية التنبؤ بالضرر دون تجارب على الحيوانات. واحدة من أكثر التطبيقات المستقبلية أهمية هي تحليل الاحتمالات لتلف الشبكية في السيناريوهات التي تتضمن HEL.

بمجرد التحقق من صحة النموذج لنظام ضرر معين (كما هو الحال الآن للضرر الحراري)، يمكن استخدامه للتنبؤ بعتبات الضرر، حيث أن التجربة ستعطي قيمة ED50. يمكن استخدام هذه القيمة إما لاشتقاق حسابات سلامة العين بدلا من استخدام معيار سلامة العين. ولهذا الغرض، يجب دمج قيم ED50 مع عامل أمان معين، كما هو مفترض بالفعل في معيار IEC 60825. الفرق هو أنه بما أن قيمة ED50 معروفة الآن لجميع مجموعات المعاملات، يمكن أن يكون عامل الأمان ثابتا في جميع الحالات ولا يحتاج إلى عكس الشكوك بالنسبة لقيمة ED50 نفسها؛ كل ما يحتاجه هو أن يعكس احتمال حدوث ضرر نتيجة تكبير ED50 بعامل أمان. يجب مناقشة التعريف المحدد لهذا عامل الأمان داخل مجتمع سلامة الليزر.

في حالات أخرى، حيث لا ينطبق المعيار بسبب الطبيعة غير المتوقعة للسيناريو، يبدو أن الجمع بين نموذج الإصابة الاحتمالية ونموذج الضرر المعروض هو الحل الأفضل. مثال جيد هنا هو تقييم الليزرات عالية الطاقة للتطبيقات الخارجية.

بينما من الواضح الالتزام باللوائح القانونية للسلامة والصحة المهنية لحماية المشغلين والأطراف الثالثة غير المتورطة من التعرض الضار غير المقصود، إلا أنه قد يكون من الصعب تنفيذ هذه الإجراءات في البيئات الخارجية. وهذا بدوره يفرض قيودا تحد من الإمكانيات التجريبية، خاصة عندما يتعلق الأمر بالليزر عالي الطاقة (HEL) في قطاع الدفاع. يمكن أن تصل هذه الأنواع من الليزر إلى قدرة إخراج تبلغ 100 كيلوواط، عادة عند طول موجي 1 ميكرومتر، وبجودة شعاع ممتازة وتباعدة منخفضة، مما يعني أنه يجب أخذ الإشعاع المباشر للبشر في الاعتبار، بل أيضا الحالات غير الحتمية الناتجة عن التشتت أو الانعكاس من أي جسم في مسار الشعاع. يمكن أن يكون للمخاطر ثلاثة أصول، كما هو موضح في الشكل 11. الشعاع المباشر، التشتت الجوي، والانعكاسات من الهدف. سيناريو آخر، لم يذكره الشكل، هو انعكاس الليزر على سطح البحر، وهو ما قد يحدث في سيناريو بحري^{رقم 53}.

ليس كل معلم في هذه السيناريوهات يمكن التنبؤ به بشكل حتمي. على سبيل المثال، الاضطراب الجوي بطبيعته ظاهرة عشوائية ويؤثر على شكل الحزمة وموقعه على الهدف. الهدف نفسه وتفاعل الليزر مع الهدف لا يكونا حتميين بالكامل أبدا، خاصة عندما يكون الهدف المعدني يذوب². وبالتالي، يمكن أن تختلف قوة الليزر المنعكس واتجاهه وتباعده وشكله بسرعة. تجري مجموعات مختلفة تحقيقات تجريبية على هذه السيناريوهات المعقدة للإشعاع 2,54,55,56,57 وتستخدم أساليب مختلفة لتحليلاتها. ومع ذلك، لا يوجد حتى الآن إجماع حول منهجية مناسبة لترجمة نتائج هذه التجارب إلى أداة تقييم سلامة الليزر. في هذه السيناريوهات، يجب أن تكون معايير الإدخال المستخدمة لتقييم سلامة الليزر احتمالية وقد توصف باستخدام دالة توزيع الاحتمال. من هناك، يمكن استخدام محاكاة مونتي كارلو لحساب جميع مسافات خطر العين الناتجة (OHD). يمكن بعد ذلك افتراض أن مجموعة معايير الإدخال في أسوأ الحالة، أي المجموعة التي تؤدي إلى أعلى NOHD، تحدد منطقة خطر ليزر أثناء التجربة.

ومع ذلك، في سيناريو ديناميكي مع هدف متحرك في الارتفاع، ليس دائما الشعاع المنعكس ذو أكبر ارتفاع عالي هو الذي يظهر أعلى خطورة. عادة ما يعرف الخطر بأنه مزيج من احتمال التعرض ومدى الضرر عند التعرض. عادة ما يرتبط الشعاع العالي الكبير بشعاع ذو قدرة عالية وتفرع منخفض، بالنسبة للشعاع المنعكس، مما يعني قطر شعاع صغير مع شدة كبيرة على الأرض. ومع ذلك، قد يكون احتمال تعرض شخص لانعكاس يظهر قطره الشعاع الصغير أقل من احتمال تعرض الشخص لانعكاس بقطر كبير. علاوة على ذلك، قد تكون مدة التعريض أقصر للشعاع الصغير مقارنة بالعارضة الأكبر. وبالتالي، قد يؤدي ذلك إلى تقليل المخاطر العامة رغم ارتفاع ارتفاع الفرط الزائد (HD). إذا تعرض الشعاع، فإن نموذج حراري موثق للعين كما هو معروض في هذه الورقة هو جزء حاسم من تقييم مدى الضرر المحتمل للشخص المعرض، وبالتالي تقييم المخاطر. بالإضافة إلى ذلك، وبما أن الشخص لا ينظر بالضرورة مباشرة إلى الهدف أثناء الاشتباك، فإن الإشعاع الشعاعي المنعكس بالليزر يدخل العين بزاوية ويمكن تصويره بعيدا عن البؤرة. مع النموذج الحراري، يمكن التمييز بين الضرر الشديد والمنخفض بناء على حجم وموقع تلف الشبكية. هذه الاعتبارات ستحسن بشكل كبير تقييم المخاطر للأطراف الثالثة غير المشاركة في الاشتباك بالليزر، على غرار ما هو موجود بالفعل في أنظمة الأسلحة التقليدية.

الشكل 11: مناطق الخطر المحتملة أثناء تطبيق الليزر عالي الطاقة. استخدام الليزرات عالية القدرة يخلق مواقف خطيرة محتملة بسبب الإشعاع المباشر للحزمة، والانعكاس (الجزئي) من الهدف، والتشتت الجوي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

عند استهداف نموذج يغطي جميع أضرار العين في المستقبل، يجب توسيع هذا النهج ليشمل أنظمة ضرر أخرى. يتم وصف الخطوات الأولى نحو نمذجة الضرر الحراري الميكانيكي هنا.

لنمذجة الضرر الحراري، نقترح استخدام درجة حرارة السطح عند الميلانوسوم ككمية مناسبة. يمكن استخدام درجة حرارة النواة 150 درجة مئوية كعتبة لتكون الفقاعات، كما اقترح سابقا^12,13. استنادا إلى فرضية العمل بأن نواة الفقاعات تتزامن مع إصابة الشبكية، يفترض أن درجة حرارة سطح الميلانوسوم 150 درجة مئوية تشير إلى بداية التلف الحراري الميكانيكي (الشكل 12).

الشكل 12: شبكة نموذجية للميلانوسوم. تظهر هذه الشبكة خيارا واحدا لنمذجة الميلانوسومات (على اليسار) وتوزيع درجة حرارة نموذجي تحت الإشعاع. تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرون ⁵². يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

في هذا النهج، يفترض توزيع طاقة ليزر متجانس (ملف القبعة العلوية) يتجاوز حجمه أبعاد الميلانوسوم، مما يضمن التعريض الكامل للجسيم. تم تعيين أبعاد الميلانوسوم إلى 2.5 ميكرومتر في 1 ميكرومتر، ومعامل الامتصاص^{بين 58} إلى 13.000 سم⁻¹. تحت افتراض امتصاص لامبرت-بير في جميع أنحاء الميلانوسوم. حساب درجة حرارة السطح الناتجة على مدى النبضات من 1 نانوثانية إلى 10 ميكروثانية يعطي عتبة الضرر المعروضة في قسم النتائج.

تعطي درجة حرارة سطح الميلانوسوم المحسوبة لفترات النبضة بين 1 نانوثانية و10 ميكروثانية عتبة الضرر الموضحة في الشكل 13. المقارنة مع البيانات التجريبية المتاحة تظهر توافقا جيدا لمعظم مجموعات البيانات 12,59,60,61. ومع ذلك، يتطلب النمذجة الدقيقة تعريفا أكثر دقة لعتبات الضرر، مما يتطلب جمع بيانات تجريبية جديدة. يبقى من الضروري تحديد ما إذا كانت الآفات المرصودة ناجمة عن آليات حرارية ميكانيكية أو حرارية بحتة، حيث تتطلب هذه المسارات أساليب نمذجة مختلفة يجب التحقق منها من خلال قياسات مناسبة. إحدى الاستراتيجيات المحتملة هي اكتشاف موجات الصدمة، التي من المرجح أن ترافق عمليات التلف الحراري الميكانيكية.

الشكل 13: العتبات المحسوبة والتجريبية للتلف الحراري باستخدام معيار 150 درجة مئوية. تمت مقارنة النتائج الأولى من نمذجة الميلانوسوم مع عتبات الضرر من الأدبيات وتظهر توافقا جيدا. تم إعادة إنتاج هذا الشكل بإذن من هوسنر وآخرون ⁵². يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لتلخيص الأمر، الخطوات التالية نحو نمذجة الضرر الحراري الميكانيكي ستكون تقييم ما إذا كان نهج 150 درجة مئوية كافيا بشكل عام لنمذجة الضرر. هناك حاجة لمزيد من التحليل من خلال المقارنة مع بيانات تجريبية قوية. قد يؤكد هذا التحليل النهج أو يستنتج أن هناك حاجة إلى فهم أعمق لآلية الضرر، مما يترجم إلى الحاجة إلى نموذج يغطي هذه الجوانب. جانب آخر ذي صلة هو تكوين موجات صدمة نتيجة امتصاص الليزر ومقارنة ضغطها باستقرار الضغط في أغشية الخلايا.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
Altair Hypermesh 11.0	Altair Engineering Inc.	الإصدار 11	إنشاء الشبكة وعرضها؛ برمجيات النمذجة والتحليل بالعناصر المنتهية [FEA]
Ansys Fluent 14.5	Ansys Inc.	الإصدار 14.5	محلّل ديناميكي حراري؛ برمجيات محاكاة السوائل
Autodesk Inventor	Autodesk	الإصدار 16	برمجيات تصميم بمساعدة الحاسوب ميكانيكية ثلاثية الأبعاد
Hyperview	Altair Engineering Inc.	الإصدار 11	برمجيات تحليل الهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE)
Optic Studio 13 (Zemax)	Zemax Development Corporation، اليوم هي Ansys Inc.	الإصدار 13	برمجيات تتبع الأشعة
Optocon FOTEMP2	Optocon	https://comem.com/en/optocon/	مقياس الطيف؛ قياس درجة حرارة الأنسجة العينية
Optocon TS2	Optocon	https://comem.com/en/optocon/	مسبار القياس؛ قياس درجة حرارة الأنسجة العينية