本文提出了一种针对激光诱导人眼热损伤的建模方法。该方法旨在通过提供一种计算特定辐照条件下损伤程度的手段，改进对激光相关危害的评估。
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本文提出了一种针对激光诱导人眼热损伤的建模方法。该方法旨在通过提供一种计算特定辐照条件下损伤程度的手段，改进对激光相关危害的评估。
随着激光在医学、国防和技术领域应用的不断增加，人眼对激光源的有意或无意暴露已成为一个主要问题。基于模型预测视网膜损伤阈值，可实现更具体场景下的激光安全评估，特别是针对实验数据未涵盖的激光参数。理想情况下，此类模型可根据波长、脉冲持续时间和光斑形状等因素，计算出ED50（损伤概率为50%时的有效剂量）值。这需要对所有损伤机制进行深入理解与建模，以反映关键参数与主导损伤机制之间的依赖关系。
本文讨论了该方法的现状（本文中已针对热效应条件，或简称为"热损伤条件"进行了验证）；重点指出了可能阻碍其成功应用的关键问题，并概述了其潜在优势。这些优势包括提高眼安全标准中激光暴露限值的准确性、优化视网膜激光手术中的剂量学，以及对户外环境中激光使用进行概率性风险评估。
本研究描述了一种人体眼球生理学细节详尽的热损伤模型的建立与验证过程。在热损伤机制范围内，该模型采用阿伦尼乌斯（Arrhenius）损伤公式预测视网膜温度的演变过程及损伤阈值（参见光热损伤部分的解释说明）。典型应用涵盖所有需要预测眼部温度及损伤情况的场景，例如：评估扫描式视网膜辐照的损伤阈值，理解脉冲序列累加效应对损伤阈值的影响，以及将计算所得的阈值与激光安全标准中的安全限值进行比较。在热机制范围之外，本文还介绍了当前正在研究的建模方法，并提出了将该框架扩展至其他损伤机制的发展路线图。
本文所述工作涉及激光辐照引起视网膜损伤的建模与预测。理论上，虽然可以通过使用与人类视网膜相似的动物视网膜进行实验来确定临界剂量，但迫切需要在不开展实验的情况下实现损伤预测。激光参数的变化空间（包括波长、脉冲持续时间和重复频率）极为广泛，这意味着每一套新参数都需要进行数量大到难以承受的动物实验。此外，对于长时间辐照的情况，还必须考虑视网膜血流的影响，而这将需要进行in vivo实验。因此，对激光与眼睛相互作用进行建模似乎是唯一可行的前进方向。
深入理解损伤机制以及因此产生的损伤阈值（可作为ED50的替代指标）的需求，也与眼安全标准（IEC 60825或ANSI Z136.1）的现状密切相关。由于该标准必须涵盖全范围的波长、脉冲持续时间、重复模式和光斑尺寸，因此不可避免地引入了简化的假设、插值方法以及保守的安全系数，以应对不确....
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第1节描述了模型构建所需的一般步骤，这些步骤可借助多种软件完成。第2节以Altair Hypermesh（有限元建模与分析[FEA]软件）和Ansys Fluent（流体模拟软件）的特定示例情况，给出了具体操作说明。此外，还提供了一个补充文件（补充文件 117,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,
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本节首先展示所提出模型的验证与确认。随后，演示三个示例性应用。
验证与确认
本节首先将所提出的模型与已建立的热生理眼部模型19,27,28,30,32进行比较，以验证其预测的温度分布（稳态情况）的一致性。在第二步中，通过将模拟得到的温度场和阿伦尼乌斯损伤预测结果与激光辐照下获得的实验数据（瞬态温度分布）进行对比，对模型进行验证。
由于长时间照射下的定量人体视网膜温度 体内 数据不可获得，因此血流效应的验证更具挑战性。对于短时间照射（数百毫秒量级），可利用视网膜手术期间获得的温度数据进行验证。这些测量结果与预测的温度升高值表现出良好的一致性。如前所.......
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在本方案中，模型构建过程没有关键步骤。关键在于网格尺寸和类型与时间步长的组合选择。就视网膜上采用其他扫描模式而言，建模技术的调整是相关的，但模型本身不应被修改。该技术仅限于相应章节中所述的损伤范围。其意义在于能够在无需动物实验的情况下预测损伤。其中一个最重要的未来应用是在涉及人眼激光照射（HEL）的场景中进行视网膜损伤的概率分析。
一旦该模型针对特定损伤机制得到验证（目前已被验证适用于热损伤），即可用于预测损伤阈值，其作用相当于实验所提供的ED50值。该ED50值随后可用于推导眼安全计算，而无需依赖现行的眼安全标准。为此，必须将ED50值与特定的安全系数相结合，这与IEC 60825标准中已有的假设一致。不同之处在于，由于ED50值现已针对所有参数组合被具体确定，安全系数可在所有情况下保持恒定，而无需反映ED50值本身存在的不确定性；它仅需反映将ED50值按安全系数进行缩放后仍可能导致损伤的概率。该安全系数的具体定义应由激光安全领域相关专家进一步讨论确定。
对于其他情况，由于场景具有不可预测性，标准方法不适用，此时将概率命中模.......
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作者声明不存在利益冲突。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Altair Hypermesh 11.0 | Altair Engineering Inc. | 版本 11 | 网格创建与显示；有限元建模与分析 [FEA] 软件 |
| Ansys Fluent 14.5 | Ansys Inc. | 版本 14.5 | 热力学求解器；流体模拟软件 |
| Autodesk Inventor | Autodesk | 版本 16 | 三维机械计算机辅助设计软件 |
| Hyperview | Altair Engineering Inc. | 版本 11 | 计算机辅助工程 (CAE) 分析软件 |
| Optic Studio 13 (Zemax) | Zemax Development Corporation，现为 Ansys Inc. | 版本 13 | 光线追迹软件 |
| Optocon FOTEMP2 | Optocon | https://comem.com/en/optocon/ | 光谱仪；眼组织温度测量 |
| Optocon TS2 | Optocon | https://comem.com/en/optocon/ | 测量探针；眼组织温度测量 |