מידול נזק רשתית לחיזוי סף והערכת סיכון הסתברותית

סיכום

מוצגת גישה למידול לנזק תרמי שנגרם על ידי לייזר לעין האנושית. מטרתו לשפר את ההערכה של סיכונים מבוססי לייזר על ידי מתן דרך לחישוב הנזק עבור תרחיש הקרנה ספציפי.

תקציר

עם העלייה במספר יישומי הלייזר ברפואה, הגנה וטכנולוגיה, חשיפה מכוונת או מקרית של עין האדם למקורות לייזר הפכה לדאגה מרכזית. חיזוי מבוסס מודל של ספי נזק לרשתית יכול לאפשר הערכת בטיחות לייזר ספציפית יותר לתרחישים, במיוחד עבור פרמטרי לייזר שאינם מכוסים בנתונים ניסיוניים. באופן אידיאלי, מודלים כאלה יאפשרו חישוב ערכי ED50 (מינון אפקטיבי שבו הסבירות לנזק היא 50%) בהתבסס — בין גורמים נוספים — על אורך גל, משך פולס וצורת נקודה. זה דורש הבנה ומודלים מעמיקים של כל משטרי הנזק כדי לשקף את התלות בין הפרמטרים המרכזיים למנגנון הנזק הדומיננטי.

עבודה זו דנה במצב הגישה הזו (מאומת כאן עבור המשטר התרמי, או פשוט "במשטר הנזק התרמי"); היבטים קריטיים שיכולים לחסום את הצלחתו מודגשים, ומוצגים יתרונות פוטנציאליים. אלה נעים בין שיפור דיוק מגבלות החשיפה ללייזר בתקני בטיחות העיניים, דרך דוסימטריה אופטימלית בניתוחי לייזר רשתית, ועד להערכת סיכון הסתברותי לשימוש בלייזרים בסביבות חיצוניות.

מבוא

עבודה זו מתארת את פיתוח ואימות מודל נזק תרמי מפורט פיזיולוגית בעין האנושית. בתוך משטר הפציעות התרמיות, המודל חוזה את התפתחות טמפרטורת הרשתית וספי הפציעה באמצעות נוסחת נזק ארניוס (השוו הסבר בסעיף הנזק הפוטותרמי). יישומים מייצגים מכסים את כל המצבים שבהם חיזוי טמפרטורות עיניים ונזק מעניין. זה כולל, למשל, הערכת ספי נזק לקרינה רשתית סרוקה, הבנת השפעת התוספת של מערכת הפולסים על ספי הנזק, והשוואת ספים מחושבים למגבלות בטיחות מתקן הבטיחות של הלייזר. מחוץ למשטר התרמי, מוצגות גישות מודל נוכחיות הנבחנות, ומסופקת מפת דרכים להרחבת המסגרת למנגנוני נזק נוספים.

העבודה המוצגת כאן עוסקת במידול, ולכן גם בחיזוי נזק לרשתית הנגרם מקרינת לייזר. בעוד שמנה קריטית יכולה, בתיאוריה, להיקבע תמיד על ידי ניסויים ברשתית בעלי חיים בדומה לרשתית אנושית, יש צורך חזק לחזות את הנזק מבלי לבצע ניסויים. מרחב הפרמטרים של הלייזר (אורכי גל, משך פולסים וקצבי חזרה) עצום, מה שמרמז על מספר עצום של ניסויים בבעלי חיים לכל סט פרמטרים חדש. בנוסף, לזמני הקרנה ארוכים, יש לקחת בחשבון גם זרימת דם ברשתית, מה שידרוש ניסויים ב-in vivo . כתוצאה מכך, מידול האינטראקציה בין הלייזר לעין נראה כדרך הריאלית היחידה קדימה.

הצורך בהבנה מפורטת של מנגנוני הנזק ולכן ספי נזק (שיכולים לשמש כתחליפי ED50) קשור גם למצב תקן בטיחות העיניים (IEC 60825 או ANSI Z136.1). מכיוון שהתקן חייב להתייחס לכל טווח אורכי הגל, משך הפולסים, דפוסי החזרה וגדלי הנקודות, הוא משלב בהכרח הנחות מפשטות, אינטרפולציות וגורמי בטיחות שמרניים כדי להתחשב באי-ודאות. מכיוון שרק מספר מוגבל של ערכי ED50 — שמקורם בעיקר במחקרים על פרימטים לא-אנושיים — זמינים, נדרשת אינטרפולציה כדי לקבוע מגבלות MPE מקיפות (חשיפה מקסימלית מותרת). למרות שגישה זו מספקת יישום רחב ומעשי, מסגרת המבוססת על הבנה מכנית מפורטת ומידול של תהליכי נזק מציעה יתרונות ברורים מבחינת שקיפות פיזית, דיוק ספציפי לתרחיש ויישום ללא ידע מפורט בתקן בטיחות הלייזר.

לדוגמה, לייזרים פולסים וסריקים מוערכים כמקורות פולסיים, אם כי סריקת רשתית מוסיפה אפקטים זמניים ומרחביים נוספים. הטיפול הנכון בסריקה בגזירת מגבלות בטיחות היה נושא לדיון מתמשך בקהילה בעשור האחרון. אפילו עם עדכונים שוטפים המשקפים את ההתקדמות הטכנולוגית, לא אפשרי שהתקן יכסה כל תצורה מורכבת של מערכות לייזר חדשות עם סטים חדשים של פרמטרים ללא פישוטים וגורמי בטיחות שמרניים. כתוצאה מכך, נותר מקום לפרשנות, מה שעלול להוביל לאי-עקביות או טעויות בהערכת הבטיחות.

גישת מידול מבוססת פיזיקה יכולה להפחית משמעותית את התלות באינטרפולציה ובמרווחים שמרניים ולהרחיב את היישום של התקן לתרחישים מורכבים. מכיוון שפיתוח ואימות של מודלים כאלה קשורים ישירות להבנה עמוקה יותר של מנגנוני הנזק הבסיסיים, התובנות שמתקבלות עשויות גם לתמוך בגזירת ערכי MPE שקופה ומבוססת פיזית יותר מנתוני ED50 קיימים.

בטווח הארוך, ניתן לייעל את הערכת בטיחות העיניים באמצעות מסגרת מודלים משולבת של Plug-and-Play. כלי כזה יכול להיות מסופק עם פרמטרי המערכת הרלוונטיים או ישירות עם קובץ עיצוב אופטי (למשל, דגם Zemax), שבדרך כלל זמין במהלך פיתוח המוצר, ובכך מאפשר הערכת בטיחות עקבית וספציפית לתרחיש¹.

תחום יישום נוסף הוא תחום הלייזרים בעלי האנרגיה הגבוהה (HEL), לדוגמה, להתמודדות עם רחפנים. כאן, הקושי טמון בעיקר בהחזרות הלייזר ממטרות, במיוחד מטרות מתכתיות, שיכולות להשתנות במהירות ובאקראיות ולהוות סכנה לאנשי צבא ואזרחים^. מצב אקראי לא-דטרמיניסטי זה דורש מנגנון הערכה מספק – בדרך כלל נעשה שימוש בגישה הסתברותית. גישה זו יוצרת הצהרות על הופעת מצבי הקרנה מסוימים (עוצמה, זמן חשיפה, אורך גל), שעדיין חייבים להיות מתורגמים לסבירות לנזק. כאן, מידול הנזק שנדון בעבודה זו יכול לצמצם את הפער על ידי תרגום תרחישים הסתברותיים לסבירויות לנזק.

הבנת עקרונות מנגנוני הנזק בפירוט וחיקוי שלהם במודל תוכנה היא דרך פשוטה לקבוע ספי נזק במקום לבצע ניסויים. בהתאם למשך הדופק, נזק לרשתית מתרחש באמצעות מנגנוני אינטראקציה שונים בין לייזר לרקמה (איור 1)4,5,6,7:

איור 1: סקירה של מנגנוני הנזק. סוג מנגנון הנזק תלוי בזמן החשיפה ובהקרנה. הוא נע מנזק פוטומכני שנגרם מקרינה גבוהה מאוד בזמני פולס קצרים ועד לנזק פוטוכימי הנובע מקרינה נמוכה לפרקי זמן ארוכים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

פירוק פוטומכני (^10-12–^10-6 שניות, 10¹⁰–^{10 16} W/cm²):
דיבור פוטו: במשכי פולס קצרים מאוד עד ננו-שניות ובקרינה גבוהה מאוד, בליעה לא ליניארית מתחילה התמוטטות אופטית. פלזמה צפופה של אלקטרונים ויונים חופשיים נוצרת, מתפשטת בפיצוץ ויוצרת גלי הלם חזקים. התהליך, הנקרא פוטו-דיסריפרס, קורע מכנית רקמה עם חימום נפחי מינימלי ויוצר נגעים מוגדרים בצורה חדה גם באזורים סופגים חלשים 4,8,9,10.

אבלציה מושרה פלזמה: בטווח ה-ns–μs בקרינה גבוהה מאוד, הפלזמה שוב שולטת. כאן, הסרת רקמות מונעת לא רק על ידי גלי הלם אלא גם על ידי התפשטות פלזמה ואבלציה מתפוצצת. המנגנון נקרא אבלציה מושרת פלזמה ומייצר פליטת חומר^{משמעותית 4,11}.

פוטואבלציה (≈ 10^⁻9–10⁻⁶ שניות; ≈ 10⁷–^{10 10} W/cm²):
למשך משכי פולסים מעל ננו-שנייה ומתחת לטווח המיקרו-שנייה, מתבצעת פוטואבלציה. בתהליך זה, הקשרים המולקולריים נשברים ישירות על ידי הקרינה. שיטה זו, למשל, משמשת לתיקון שגיאות שבירה בעין על ידי שינוי עיצוב הקרנית (שיטת LASIK). בדרך כלל, פרוצדורות פוטואבלטיביות מיושמות בטווח הספק שבו עדיין לא התרחשה יצירת פלזמה ^4,11.

נזק תרמומכני (≈ ^10-9 – ^10-6 שניות; ≈ 10⁶ – 10⁸ W/cm²):
ברקמות עיניות פיגמנטיות, ספיגה חזקה של מלנוזומים בטווח ns–μs עלולה לגרום להתחממות מהירה. כאשר פני השטח של המלנוזום מגיעים ל-≈ 150 מעלות צלזיוס, המיקרובועות יוצרות גרעין^12.13. ההתרחבות והקריסה שלהם יוצרות גלי מאמץ מכניים הפוגעים באפיתליום הפיגמנט הרשתית (RPE). מנגנון תרמומכני זה מגשר על הפער בין פוטואבלציה לפגיעה תרמית: הוא אינו מונע על ידי פלזמה, אלא כולל טרנזיינטים מכניים המקושרים לחימום מקומי. הספים תלויים בגודל, צורה, כיוון ותאורה מקומית של המלנוזום ^4,11.

נזק פוטותרמי (≈ 1 מיקרושניות – 60 שניות; ≈ 10–10⁶ W/cm²):
ממיקרושניות ועד שניות, חימום הרקמות שולט. הצטברות אנרגיה מעלה את הטמפרטורה, מה שמוביל תחילה לדנאטורציה של חלבונים, ובחשיפות גבוהות יותר, לנמק קרישי ופחמן. גבולות הספרות שונים: נימץ⁴ מציין 1 מיקרו-שניות – 60 שניות, זוקליך¹⁴ 10 מיקרו-שניות–60 שניות. הדדיות משוערת עם חשיפה קרינתית (~1–1000 J^/cm2) מתקיימת, עם סטיות לפולסים קצרים מאוד (דיפוזיית חום מוגבלת) ופולסים ארוכים מאוד (קירור מוגבר על ידי פרפוזיה)^4,6,15.

המידול של הנזק התרמי בעבודה המוצגת מבוסס על אינטגרל ארניוס, המוגדר כך:

(1)

כאשר τ מסמן את זמן החשיפה, E_a הוא אנרגיית ההפעלה, R הוא קבוע הגז האוניברסלי, T הוא הטמפרטורה במהלך החשיפה, ו-A הוא גורם קנה מידה קדם-מעריכי, והפרמטרים שהוחלפו במחקר זה הם A = 1.3 × 10⁹⁹ s⁻¹ ו-E = 628 kJ/mol¹⁵. תנאי של Ω = 1 נלקח כדי לציין את תחילת הנזק לרקמה. לדיון מקיף במודל הבסיסי, עיינו בפרסום קודם⁴.

נזק פוטוכימי (≈ 10 שניות – 10⁴ שניות; ≈ 10⁻³ –^{10 2} W/cm²):
בחשיפות ארוכות בקרינונים נמוכים, תגובות פוטוכימיות מצטברות שולטות - כגון הלבנת פוטופיגמנט או מסלולים המתווכים על ידי סוגי חמצן תגובתי (ROS). הם מופיעים בזמני חשיפה מעל 10 שניות⁶ (או מעל 1 שניות⁴). לכן, קיים טווח ביניים שבו נזק תרמי ופוטוכימי יכולים להתרחש בו-זמנית¹⁶. סיכון כרוני לאור כחול ברמה נמוכה הוא דוגמה טיפוסית.

פרוטוקול

סעיף 1 מתאר את השלבים הכלליים הנדרשים לבניית מודלים, שכן ניתן לבצע אותם באמצעות מגוון אפשרויות תוכנה. סעיף 2 נותן הוראות אלו למקרה הספציפי והמופתי שבו נעשה שימוש ב-Altair Hypermesh (תוכנת מידול וניתוח אלמנטים סופיים [FEA]) ו-Ansys Fluent (תוכנת סימולציית נוזלים). בנוסף, תיק משלים (קובץ משלים 1 17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ^,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45) מסופק, המתאר את גישת המידול ומספק רקע תיאורטי באופן שאינו שלבי שלב (איור 1 - Figure 5, טבלה 1 - טבלה 3).

1. יישום גישת המידול – צעדים פרוצדורליים כלליים

1. צור מודל תלת-ממדי לפי הגיאומטריה שתוארה לעיל.
   1. בתוך עבודה זו, נוצר את הגיאומטריה בתוכנת תכנון מכנית תלת-ממדית בעזרת מחשב (גרסה 16) בהתאם לפרמטרים המתוארים בקובץ המשלים 1.
2. צור את רשת הנפח בהתאם לתכונות ולהרחבות של כל חלקי העין, לפי קובץ משלים 1.
   1. ביצוע מיזוגים ועיבוד לאחר מסחר עם תוכנת ניתוח FEA (גרסה 11) ותוכנת ניתוח הנדסה ממוחשבת (CAE) (גרסה 11). המודל מורכב מ-761,766 אלמנטים טטראדרליים. לתאי הרשת יש ממדים שבין 37 מיקרון ל-491 מיקרון.
      הערה: רשת גסה יותר תגרום לשגיאות/סטיות חישוביות. מספר גבוה יותר של תאים תמיד אפשרי, אבל זה יגדיל את זמן החישוב. רשת זו התגלתה כבלתי תלויה בגודל, שכן שיפור נוסף בגודל האלמנט גרם להבדלים זניחים בחישובים.
   2. כדי לשמור על זמני חישוב סבירים, השתמשו ברשת זו ואמצו רק אם אזורים מסוימים דורשים רזולוציה מדויקת יותר. בהתאם לכך, ניתן לבצע רימיוס מחדש של הרשתית עם גודל תכונה מינימלי של 5 מיקרון כדי לאפשר ספיגה בתוך שכבת ה-RPE, כפי שנדרש ומוסבר בהמשך הפרוטוקול.
      הערה: איור 2 מציג תמונה מופתית של הרשת עם זגוגית מוסתרת כדי להפוך את הרשתית לגלויה.
3. אינטגרציה של תנאי גבול.
   1. בסקלרה, יש להשתמש במקדם גבול הולכה בלבד h_scl = 20 W/m²K וערך קרנית _h'corn,1 = 14.21 W/m²K כפי שנגזר לעיל. השתמשו בערכים אלו כדי להגדיר את תנאי הגבול של המשטח המייצגים את הסקלרה והקרנית, בהתאמה.
4. יישם את זרימת הדם.
   הערה: שדה זה מספק כיוון וגודל זרימה בכל תא רשת ומוסיף אדבקציה למשוואת האנרגיה.
   1. עקבו אחר שלבי הבנייה כפי שצוינו להלן:
      1. יש לציין כניסות/יציאות פיזיולוגיות — זרימה קדמית מהמעגל העורקי הראשי של הקשתית וזרימה אחורית מהעורקים הסיליאריים הקצרים, עם ניקוז ורידי דרך ורידי המערבולת.
      2. חשב את שדה הזרימה המתקבל.
      3. שינוי כל המהירויות המקומיות ל-5 מ"מ אחיד (לפי פיימן⁴⁵) תוך שמירה על כיוונים, המיושמים באמצעות פונקציה מוגדרת על ידי המשתמש (UDF) באמצעות תוכנת סימולציית נוזלים. התוצאה היא שדה מהירות מדויק בכיוון ובעוצמה קבועה לאורך הכורואיד.
5. חשב את התפלגות הטמפרטורה.
   1. התחל את חישוב הטמפרטורה בהגדרת המיקומים והצורות התלויים בזמן של קרן הלייזר. כדי לקבל מיקומים משתנים בזמן על הרשתית (או בתוך העין באופן כללי יותר), יש להשתמש במודל תוכנת קרניים של העין במקביל למודל התרמודינמי.
      הערה: בהתבסס על מידול תוכנת הרייטרייסינג של מערכת הלייזר הנמצאת בהערכה, גישה זו מספקת את ההתפתחות הזמנית של מיקומי וצורות נקודות הלייזר. דבר זה לא מוסבר בפירוט בעבודה זו למען נגישות, אך תואר קודם^{לכן 1,18}.
   2. מיפוי את מיקומי הנקודות והצורות המחושבים לחלקים המתאימים של תאי הרשת לאורך זמן, אשר מקבלים את עוצמת הלייזר המתאימה.
   3. ייבא את הנתונים הללו לתוכנת סימולציית הנוזלים באמצעות UDF, שמעבד אותם במחזוריות. ה-UDF מזהה את תאי הרשת הרלוונטיים ומציג מונח מקור אנרגיה בהתאם להספק הלייזר שנקבע לזמן ההקרנה המתאים. שקלו גם קרינה בגל רציף (CW) וגם בפולס, וכן בתנועות קרן סטטיות או תלויות זמן.
   4. לכל מיקום, מחשבים את האנרגיה הנספגת באמצעות מקדם הספיגה באורך הגל הנתון של הלייזר והקצו אותה לתאי הרשת המושפעים, המחוממים במקביל.
      הערה: לדוגמה, עבור הקרנה באורך גל של 532 ננומטר, מתרחשת ספיגה של 51% ב-RPE בעובי של 5 מיקרומטר⁷, כפי שמוצג באיור 3. אין ספיגה בתוך ממברנת ברוך ^7,46. אנרגיית הלייזר שנותרה יורדת בכורואיד, שמניחים שהיא בעובי 100 מיקרון עם מקדם בליעה⁷ של _{α Ch} = 270 ס"^מ-1, לפי חוק למברט-ביר. ה-UDF מחשב את האנרגיה הנספגת בעובי של כל תא רשת ומקצה ערך זה לתא. להעברת הקרנית לרשתית, ערך של 20% ^{מוחל 7}. שינוי באורך גל הלייזר ניתן להתאמה בקלות על ידי התאמת מקדם הספיגה והמעבר מהקרנית לרשתית.
   5. בנוסף, יש להגדיר את משך צעד הזמן היחיד, שכן נתוני צורת הנקודות (ממודל עקבות הקרניים או מוגדרים ישירות ב-UDF אם ידועים ללא מודל הקרניים) מתארים רק את רצף הקרינה ללא קנה מידה זמני.
   6. כדי להאיץ את החישוב, קבץ את כל המרווחים ללא הקרנה יחד והקצה שלב זמן גדול יותר בהתאם, שכן אין צורך ברזולוציה זמנית מדויקת שם.
      הערה: לאחר יישום הגדרות אלו, הפותר יכול לחשב את התגובה התרמית הזמנית של העין. מכיוון שהמודל הנוכחי דורש רק הולכת חום וזרימת דם כדי להילקח בחשבון, הפותר מוגבל לפתרון המשוואות הדיפרנציאליות המתאימות. עיין בקובץ המשלים 2 לפונקציות מופתיות שהוגדרו על ידי המשתמש.
6. חשב את הנזקים.
   1. כדי לגזור סף נזק המבוסס על התגובה התרמית, יש לחלץ את ערכי הטמפרטורה המחושבים מקובץ תוצאות Fluent באמצעות כלי מבוסס C++ (ראו ^1,18 לפרטים ורשימות קוד).
   2. בהתאם לגישת האינטגרל של ארניוס, מחשבים את ערכי ארניוס של תאי הרשת הבודדים מתוך טמפרטורות אלו ואחסנו אותם בפורמט התואם לתוכנת העיבוד לאחר המעבד. זה מאפשר מעבר נוח בין ערכי טמפרטורה להסתברויות נזק במהלך הניתוח.
   3. לבסוף, קבל תוצאה בינארית של נזק (כן/לא) עבור כל תא רשת. קבעו את הסיווג כן/לא לפי ערך סף של 1 עבור אינטגרל ארניוס⁴. זהה את סף הנזק הזה באופן איטרטיבי על ידי בדיקת כוחות קלט שונים למשך הקרנה קבוע.
7. קבע את גודל הפותר לצעד זמן.
   1. השתמש בתוכנת סימולציית נוזלים (גרסה 14.5) כפותר, תוך שימוש בשיטת הנפח הסופי. גודל הצעד ימלא את תנאי קוראן-פרידריכס-לוי, המתאר את היחס לגודל תאי הרשת כדי ליצור תנאי סימולציה יציבים.
   2. כמו כן, הפחת את גודל הצעד שלב אחר שלב עד שהתוצאה הופכת לבלתי משתנה לגודל הצעד. לדוגמה, בחישובים עם עד 10 שניות של צעדי זמן של 1 ms ו-100 ms, השינויים בטמפרטורה נמצאו כ-<1%.

איור 2: חתך דרך רשת (הומור זגוגי מוסתר). הדמות מציגה את הסקלרה (לבנה), הכורואיד (אדום), הרשתית (צהוב), העדשה (לבנה), הקשתית (ירוקה) וההומור המימי (כחול)¹⁸. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 3: מאפייני הספיגה בקרקעית העין. בתוך ה-RPE, 51% מקרינת הלייזר של 532 ננומטר נספגת; אין ספיגה בממברנת ברוך, והכורואיד מודל לפי התנהגות למברט-ביר¹⁸. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

2. דוגמה להמחשה – שלבים ספציפיים

1. צור מודל תלת-ממדי לפי הגיאומטריה שתוארה לעיל.
   הערה: המודל התלת-ממדי נבנה על ידי יצירת אובייקטים לכל האלמנטים המפורטים בטבלה משלימה 1. לדוגמה, שלבים אלו יובילו לסקלרה.
   1. צור קובץ חלק חדש (.ipt).
   2. התחל סקיצה דו-ממדית במישור XY.
   3. שרטט קו בנייה אופקי (זה יהיה ציר הסיבוב).
   4. צייר קשת ברדיוס של 12 מ"מ עבור המשטח החיצוני.
   5. במרכז (הקוטב האחורי), נוצר נקודה 0.99 מ"מ פנימה מהקשת החיצונית.
   6. מנקודה זו, שרטט את עקומת פני השטח הפנימיים.
   7. בלימבוס, הגדרו את המרחק בין הפנים הפנימיות לחיצוניות ל-0.75 מ"מ.
   8. מחברים את הקימורים הפנימיים והחיצוניים בקצה ליצירת פרופיל סגור.
   9. בחר מודל תלת-ממדי > סיבוב.
   10. בחר ב-Surface ואשר.
2. צור את רשת הווליום.
   הערה: הרשת נוצרת על בסיס האובייקט התלת-ממדי. זו דוגמה ל-meshing:
   1. ייבא את מודל התלת-ממד שנוצר בתוכנת העיצוב המכאנית התלת-ממדית בעזרת מחשב.
   2. לחץ על פני השטח של האובייקט כדי להשתלב, למשל, הסקלרה.
   3. Mesh של המשטחים קודם – לחץ על Mesh בממשק זה, שמופיע לאחר לחיצה על המשטח. בחר גללים בממשק ובחר רשת אוטומטית אדפטיבית.
   4. הרשת התלת-ממדית (המגדירה את האובייקט) מבוססת על רשתות המשטח. כדי ליצור, בחר את המשטחים ולחץ מהתפריט השמאלי העליון: Mesh > Create > Solid Map Mesh.
   5. כעת, מופיע ממשק. לחץ על רשת.
3. אינטגרציה של תנאי גבול.
   הערה: יש להגדיר תנאי גבול עבור הסקלרה והקרנית, שכן משטחים אלו במגע עם העולם הסובב. הדוגמה הזו מיועדת לסקלרה:
   1. לך ל-Analysis מהתפריט העליון > BCs > ליצור > אילוצים (או עומסים).
   2. בחר את סוגי הישות שמופיעים ובחר את הסקלרה מהתפריט.
   3. באותו פאנל, אכן את שדות הקלט של הערך והזן את הערך ישירות בשדה הגודל.
   4. לחץ על יצירה כדי להקצות את תנאי הגבול.
4. יישם את זרימת הדם.
   1. הגדר משטחים עבור - זרימה קדמית פנימה (מעגל העורק הראשי של הקשתית), זרימה אחורית נכנסת (עורקים ציליאריים קצרים), וזרימה יוצאת (ורידים מערבולתיים).
   2. הקצה תנאי גבול למשטחים אלו.
   3. לחצו על ניתוח > ה-BCs > יצירת עומסים >.
   4. בחר משטחי כניסה > להקצות וקטורי כיוון מהירות (כיוונים פיזיולוגיים משוערים).
   5. בחר משטחי יציאה > להקצות יציאת לחץ (או אפס מגבלה, תלוי בהגדרת הפותר).
   6. ייצוא מודל לתוכנת סימולציית הנוזלים – כאן יותאמת אורך וקטור הזרימה.
   7. השתמש ב-ScaleVelocity UDF מהנספח בתוך תוכנת סימולציית הנוזלים כדי להתאים את אורך הווקטור (UDF הוא פורמט סטנדרטי לטעינה בתוכנת סימולציית הנוזלים).
5. חשב את התפלגות הטמפרטורה (פותר הערכות).
   הערה: השתמש בתוכנת סימולציית נוזלים כדי לחשב את הטמפרטורות כמו הבא ושמור אותה בפורמט קובץ שניתן לקרוא על ידי תוכנת ניתוח CAE.
   1. לחץ על קובץ > Read > Mesh > בחר mesh > Mesh > בדיקה.
   2. לחץ כללי > פותר : זמן > מבוסס לחץ: חולף.
   3. לחץ על מודלים > אנרגיה > להפעיל > בסדר.
   4. לחץ על חומרים > להגדיר ρ, p, kρ > תנאי אזור תא > להקצות חומרים לכל האזורים.
   5. לחץ על תנאי גבול > הגדרת BCs תרמיים (קרנית, סקלרה, סביבה).
   6. לחץ על אתחול פתרון > אתחול.
   7. לחץ על חישוב הרצה > להגדיר גודל צעד זמן + מספר צעדי זמן + איטרציות לכל שלב.
   8. לחץ על הרצת חישוב > חישוב.
   9. לחץ על קובץ > ייצוא נתוני פתרון >... > סוג קובץ: Ensight Gold > לבחור טמפרטורה > לבחור אזורים > Write.
6. חשב את הנזק.
   1. הרצו את AddingArrhenius.exe (קובץ משלים 3 וקובץ משלים 4) מאותה תיקיה כמו קבצי תוכנת ניתוח FEA המכילים את הטמפרטורות. הוא מכיל חישוב פשוט של אינטגרל ארניוס המבוסס על הטמפרטורות המאוחסנות בקבצי תוכנת ניתוח FEA.

תוצאות

סעיף זה מציג תחילה את האימות והאימות של המודל המוצג להצגה. לאחר מכן מוצגים שלושה יישומים לדוגמה.

אימות ואימות
בחלק זה, המודל המוצג מאומת לראשונה בהשוואה למודלים תרמו-פיזיולוגיים לעיניים מבוססים 19,27,28,30,32 כדי להבטיח עקביות בהתפלגויות הטמפרטורות החזויות (מצב יציב). בשלב השני, המודל מאומת על ידי השוואת שדות טמפרטורה מדומים ותחזיות נזק של ארניוס לבין נתונים ניסיוניים שהתקבלו תחת הקרנת לייזר (התפלגות טמפרטורה חולפת).

אימות יישום זרימת הדם מאתגר יותר, שכן נתוני טמפרטורת רשתית אנושיים בחיים אינם זמינים תחת הקרנה ארוכת טווח. לזמני הקרנה קצרים (כמה מאות מילישניות), ניתן להשתמש בנתוני טמפרטורה מניתוח רשתית לצורך אימות. מדידות אלו מראות התאמה טובה עם העלייה הצפויה בטמפרטורה. כפי שצוין קודם, השפעת זרימת הדם הופכת לרלוונטית רק לאחר מספר שניות.

למשטר ההקרנה הארוך הזה, רק נתוני בעלי חיים זמינים. השוואה למדידות טמפרטורת רשתית בארנבים מראה התאמה איכותית, בעוד שנצפו הבדלים כמותיים. סטיות אלו צפויות בשל הבדלים בזרימת הדם התלויים במין.

לכן, אף על פי שהיישום הווקטוריאלי של זרימת הדם מספק ייצוג פיזיולוגי ריאליסטי יותר ומהירות ממוצעת של 5 מ"מ/שנייה מהווה הערכה ראשונית סבירה, מומלץ לאמת נוסף מול נתוני פרימטים אנושיים או לא-אנושיים (NHP) אם נתונים כאלה יהיו זמינים.

אימות מודל – השוואה למודלים מבוססים (ללא זרימת דם) (מצב יציב)
הניתוחים במצב יציב שבוצעו לאימות המודל השתמשו בצעד זמן של 10 מילישניות. ניתן לראות כי התפלגות הטמפרטורה לאורך המודל תואמת למודלים אחרים. הדגמים האחרים אינם בעלי זרימת דם; בהתאם לכך, זרימת הדם במודל המתואר כאן הופסקה לצורך אימות זה. בשלב הבא, זרימת הדם הופעלה והושוותה בהצלחה למדידות in vivo, השוו את סעיף התוצאות (איור משלים 3).

איור משלים 3: השוואת התפלגות הטמפרטורות עם מודלים אחרים¹⁷. הטמפרטורה בתוך העין האנושית לאורך הציר האופטי, בהתאם למודל המוצג כראוי, תואמת היטב את המודלים הקיימים. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

אימות מודל – רשתית במים (המדמה גוף זגוגי)
מכיוון שמדידות אינפרא-אדום אינן אפשריות במים, הוכנס חיישן טמפרטורת סיב אופטי (גלאי GaAs) לדגימת חזיר של סלברה, כורואיד ו-RPE. החיישן הוצב בין הסקלרה לכורואיד והוקבע במקום באמצעות מחזיק (איור 4). שיטת המדידה באמצעות גלאי GaAs נבחרה משום שהשימוש בסיב אופטי להעברת האות מבטיח קישור תרמי נמוך מאוד, ובכך ממזער את השפעת שיטת המדידה על המדידה עצמה.

ההגדרה כללה שני מסלולים אופטיים, כפי שמוצגים סכמטית באיור 5. מצד אחד, הלייזר עבר דרך מפצל קרן וחלון כניסה מצופה נגד החזרה כדי להקרין את הרקמה; מצד שני, האור שהתפזר מהרקמה הופנה דרך מפצל קרן ועדשה בקוטר 20 מ"מ למצלמה. מצלמה זו שימשה בעיקר למעקב אחר מיקום הנקודה במהלך המדידות, מה שאפשר לבדוק בזמן אמת את מיקום נקודת הלייזר על הרקמה וביחס לקצה ה-GaAs. כדי לשפר את נראות האור המפוזר מהרקמה, מקטב דיכא השתקפויות ממשטחים אופטיים. להדמיה אופטימלית, הרקמה הוארה גם מאחור, שכן החלק הקדמי סופג RPE בעוצמה; במקביל, גישת השידור הזו אפשרה לזהות את מיקום החיישן. התאורה סופקה באמצעות דיודה פולטת אור.

למדידות, המיקום ההתחלתי נקבע כך שנקודת הלייזר הייתה ממוקמת בדיוק במרכז קצה החיישן. מנקודת התחלה זו, הרקמה הועברה לרוחב מחוץ לנקודת הלייזר בעוד קצה החיישן נע איתה. כתוצאה מכך, ניתן היה להקליט את תגובת הטמפרטורה במרחקים שונים ממרכז הנקודה. מאוחר יותר, מדידות אלו במרחקים שונים הושוו לסימולציות תואמות. לכן, מחזיק הרקמה הוזז לאורך הציר האנכי בעוד שהלייזר, מפצל הקרן והאופטיקה של ההדמיה נשארו קבועים. הרקמה הוטבלה במיכל מים שנשמר על טמפרטורה קבועה של 22 מעלות צלזיוס באמצעות סליל חימום. גלאי ייחוס שלט בערך זה ושימש בו זמנית כנקודת השוואה לקריאת החיישן ברקמה לפני יישום ההקרנה.

איור 4: הגדרת מדידה. דגימת הרקמה מותקנת בתוך המחזיק, כולל קצה המדידה GaAs¹⁸. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

איור 5: הכנה ניסיונית למדידות תת-מימיות. קצה המדידה של ה-GaAs הוכנס לרקמה שהייתה קבועה במחזיק. המכלול הוטבע במים דה-יוניים בטמפרטורה של 22 מעלות צלזיוס והוקרן בלייזר. כדי לנטר את מיקום נקודת הלייזר ביחס לקצה המדידה, האזור המוקרן צולם במצלמה באמצעות מפצל קרן שהוצב במסלול קרן^{הלייזר 18}. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

רשתית מוקרנת לאורך זמן – מודל לעומת מדידות in vivo (זרימת דם פעילה)
חלק זה מציג את התוצאות לקרינה רשתית ארוכת טווח ב-810 ננומטר ועד 10 שניות, שם השוו אותה למדידות ב-vivo על ארנבים. מכיוון שזו הפעם הראשונה שמבצעים סימולציות כאלה ואין מדידות אנושיות זמינות לפרקי זמן כה ארוכים, התוצאות מושוות לנתוני ארנבים שדווחו על ידי Herrmann ואחרים^. איור 6 מציג סימולציות להספק של 62 מיליוואט וקוטר נקודתי של 2 מ"מ באמצעות צעד זמן של 10 מילישניות (תוצאות נוספות ניתן למצוא בפרסומים קודמים ^1,17). למרות שהמגמות הכלליות דומות, רמות הטמפרטורה המוחלטות שונות. פער זה מיוחס לזרימת הדם הגבוהה בעין האנושית ולהבדלים אנטומיים בין עיני הארנב לעיני אדם, וכן לספיגה גבוהה^{יותר בעין} הארנב. חשוב לציין, הנקודה שבה העקומות של זרימת דם פעילה ובלתי פעילה מתפצלות היטב עם המודל הנוכחי. יתרה מזאת, ההבדלים היחסיים בין טמפרטורות הרשתית בארנבים מתים (ללא זרימת דם) לבין ארנבים חיים (זרימת דם תקינה) תואמים להבדלים היחסיים שחזו הסימולציות.

כמו כן, ניסויים ב-vivo על בני אדם זמינים לפרקי זמן קצרים יותר ושימשו לבדיקת המודל. איור 6 מציג בצד ימין את פרופילי הטמפרטורה הרשתית תחת הקרנת לייזר עם 532 ננומטר בהספק של 200 מיליוואט וקוטר נקודה של 300 מיקרומטר כפי שנמדד על ידי ברינקמן ואחרים^. מדידות אלו מושוות לטמפרטורות המחושבות באמצעות שרשרת הכלים. למרות שהנתונים הניסיוניים מציגים תנודות משמעותיות, המודל נראה כמנבא את עליית הטמפרטורה בדיוק טוב. ההשוואה למדידות מעיני ארנבים נעשית כאן, כי אין ניסויים ב-vivo שמדידו את טמפרטורת הרשתית תחת הקרנה זמינים לבני אדם או ל-NHPs מחוץ למשטר הטרשת הנפוצה.

איור 6: מודל השוואה למדידות (בחיים חיים). משמאל: עלייה מחושבת בטמפרטורה עבור העין האנושית ('מודל') לעומת עלייה נמדדת בטמפרטורה של עין הארנב - 62 mW / קוטר נקודה = 2 מ"מ. מימין: תחזיות טמפרטורה בהשוואה למדידות (קוטר נקודתי = 300 מיקרון). איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים ¹⁷. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

לתרחישי הקרינה המתוארים בתמונה השמאלית כאן, הוחל גודל שלב של 10 מיקרושניות, בעוד שעבור הקרינה ארוכת הטווח בתמונה הימנית נבחר שלב זמן של 10 מילישניות (שימוש בצעדי זמן של 1 ms ו-100 ms במקום זאת גרם לשינויים בטמפרטורה של פחות מ-1% לאחר 10 שניות).

הסקת ספי פגיעת רשתית אנושית ממודלים של ארנב וחוץ גוף יוצרת כמובן אי-ודאיות. זרימת דם כורואידלית משתנה בין מינים, ורקמת אקס ביבו חסרה פרפוזיה לחלוטין—שני הגורמים משפיעים על פיזור העומס התרמי ויכולים להעריך נזק יתר או נמוך בחשיפות ארוכות טווח. מקדמי הספיגה משתנים עם המלנין ב-RPE/הכורואיד. כתוצאה מכך, לגישת האימות הזו יש מגבלות מסוימות. בתחום הנזק התרמי, ההבדלים האלה הופכים לפחות קריטיים. בעוד שזרימת הדם לא יכולה להיות מועברת, למשל, מארנב לאדם (ההשוואה למטה מתייחסת רק להתנהגות האיכותית), עניין עובי השכבות וגודל הפרטים משפיע מעט מאוד, שכן התכונות התרמיות של שכבות הרקמה השונות דומות.

רשתית מוקרנת לאורך זמן – מודל מול מדידות רשתית אקס-ביבו (זרימת דם מושבתה)
איור 7 משווה את המדידות המתקבלות מתחת למים עם התפלגויות הטמפרטורה המחושבות בממשק הכורואיד-סקלרה. תוצאות עבור 50 מיליוואט מוצגות, אך גם תוצאות עבור 100 מיליוואט ו-200 מיליוואט שימשו כדי להבטיח שההסכמה בין מדידות וסימולציות תהיה בלתי תלויה בהספק, ראו פרסומים^{קודמים 18,36} לפרטים נוספים. לכל רמת הספק, פרופילי הטמפרטורה הזמניים הושוו למיקומי חיישני סיבים אופטיים במרחקים 0 מ"מ, 1 מ"מ ו-2 מ"מ ממרכז נקודת הלייזר. תקופת התצפית של 60 שניות תואמת את מסגרת הזמן של נזק תרמי. גודל צעד הזמן בחישובי 60 שניות היה 100 מילישניות, ריצות בדיקה עם גודל צעד קצר יותר הראו הבדלים בטווח של 1%. באופן כללי, גודל הרשת וגודל הצעד ניתנים להתאמה לצרכים הספציפיים של המודל. אם נדרשים זמני חישוב קצרים יותר ודיוק מופחת בגאומטריית העין או בטמפרטורה המחושבת, ייתכן שיהיה מומלץ להגדיל את גודל תא הרשת ו/או בצעד הזמן.

איור 7B מציג השוואה בין מדידות וסימולציות של הטמפרטורות הסופיות לאחר 60 שניות כפונקציה של מרחק. דבר זה מראה כי ההתפלגות המרחבית של הטמפרטורות המחושבות תואמת גם את נתוני הניסוי.

איור 7: מודל השוואה למדידות (ex vivo). משמאל: מדידות טמפרטורה במים שנלקחו עם קצה GaAs: העקומות המוצקות מציגות את תוצאות המדידה למרחק של 0 מ"מ, 1 מ"מ ו-2 מ"מ בין נקודת הלייזר לקצה ה-GaAs. העקומות המקווקוקות מייצגות את הסימולציות המתאימות עם (עקומה עליונה) וללא דם (עקומה תחתונה) בכורואיד. הספק לייזר: 50 מ"ואט, גודל נקודתי: 1.9 מ"מ (n = 14). מימין: פרופיל הטמפרטורה הרוחבי של המדידות במים (קווים מוצקים) בהשוואה לסימולציות (קווים מקווקוים) עם (עיקול עליון) וללא דם (עקומה תחתונה) בכורואיד. הממוצע מוצג בכתום, פסי השגיאה מייצגים את סטיית התקן. הספק לייזר: 50 מ"ואט, גודל נקודתי: 1.9 מ"מ (n = 14). איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים ¹⁷. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

חיזוי סף נזק תרמי
הטמפרטורה לאורך זמן עבור הקרנת לייזר פשוטה מוצגת באיור 8:

איור 8: התפתחות זמנית של טמפרטורת הרשתית. התפלגות הטמפרטורה ברשתית לאחר 5 מילישניות (שמאל), 7.5 מילישניות (באמצע) ו-10 מילישניות (מימין) (גודל הרשת = 5 מיקרון). איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים ¹⁷. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

ערך ארנהיוס הנובע מכך מתואר באיור 9:

איור 9: התפתחות זמנית של נזק רשתית ארניוס מעריך התפלגות על הרשתית לאחר 5 מילישניות (שמאל), 7.5 מילישניות (אמצע) ו-10 מילישניות (מימין) (גודל רשת = 5 מיקרון). איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים ¹⁷. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

טבלה 1 מציגה את ספי הנזק החזויים בהשוואה לערכים שנמדדו. מדידות ההתייחסות¹⁵ הגדירו נזק כהופעת נגע גלוי של 20 מיקרון, מה שאומץ כקריטריון כאן. בהתאם לכך, ההספק הנדרש להגיע לערך אריניוס של לפחות אחד חושב עבור קוטר של 20 מיקרון בזמן ההקרנה שנקבע. לצורך אימות, הטמפרטורה הסביבתית הותאמה^ב-15 מעלות מ-25 מעלות צלזיוס ל-23 מעלות צלזיוס, והונחה פרופיל לייזר טופ-האט. הספים שהתקבלו מראים התאמה טובה לנתוני הניסוי.

קוטר הקורה [μm]	זמן הקרנה [ms]	סף נזק נמדד [μJ]12		סף נזק מחושב [μJ]
120	1	85		86
	10	241		241
	100	1362		1294
288	1	456		497
	10	1212		1139
	100	4062		3697

טבלה 1: השוואה בין ספי נזק מחושבים ונמדדים¹⁷.

חיזוי סף נזק תרמי – הקרנה דינמית (סריקת רשתית)
כאשר לייזר סורק נכנס לעין האנושית, דפוס ההקרנה הרשתית לאורך זמן תלוי הן במרחק בין המראה הסורקת לעין, וגם במצב ההתאמה של העין^48,49. ניתוח מפורט של תלות אלו בהתבסס על מודל עיניים אופטי נוסף (Zemax) ניתן למצוא בפרסום קודם¹. כאן, אנו ממחישים את העיקרון באמצעות תרחיש קרינה רשתית לדוגמה. בדוגמה המוצגת באיור 10 (משמאל), הנקודה האדומה מסמנת את מרכז כתם הלייזר (עיגול כחול). הסריקה מתבצעת ברצף מהצד השמאלי העליון לימין התחתון, עם גודל צעד של 10 מיקרושניות. דבר זה הושג שוב באמצעות פונקציה שהוגדרה על ידי המשתמש שכתבה הצקות אנרגיה לתאי הרשת הרלוונטיים לאורך זמן והעריכה את הטמפרטורה המתקבלת לאורך זמן עבור כל התאים באמצעות גישת ארניוס. במקרה דוגמה זה, משמעות הדבר היא שכל מיקום רשתית נחשף ל-10 מיקרושניות בעוצמה קרינתית של 1 וואט. התגובה התרמית המתאימה בנקודת הטמפרטורה המקסימלית ברשתית, יחד עם האינטגרל ארניוס הנגזר, מוצגת באיור 10 (מימין). בתנאים אלו, הערכת Arrhenius מצביעה על תחילת נזק לרשתית לאחר כ-150 ms (משך הסריקה הכולל) של חשיפה ללייזר הסריקה של 1 W.

איור 10: הערכת נזק לדוגמה. משמאל: תרחיש קרינה לדוגמה ברשתית. מימין: טמפרטורות וערכי ארנהיוס לאורך זמן¹⁸. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

הערכת התוספת של הדופק והשפעתה על סף הנזק
שיטת מידול הנזק התרמי שהוצגה יושמה גם כדי לחקור את השפעת דפוסי פולסים שונים על השראת נזק לרשתית. במיוחד, המודל מאפשר ניתוח מפורט של השפעות התוספת של הפולס, שהן בעלות חשיבות מרכזית להערכות בטיחות עיניים הכוללות פליטות לייזר חוזרות או מודולטיביות.

הסימולציות שמבוצעות לאורך הפולסים הנשלטים על ידי מנגנוני נזק תרמי תומכות ברעיון של "אנרגיה חלקית" או "חלקית N". במסגרת זו, מספר הפולסים האפקטיבי כבר אינו נקבע רק על ידי ספירת פולסים פיזיקליים בדידים. במקום זאת, הפולסים משוקללים לפי תרומתם היחסית לאנרגיה בתוך רצף הפליטה והחפיפה הזמנית שלהם עם זמן ההרפיה התרמית של הרקמה. כתוצאה מכך, סף הנזק תלוי לא רק בספירת הפולסים אלא גם בהתפלגות אנרגיית הפולס, קצב החזרה והשפעות הצטברות תרמית בין פולסים עוקבים.

פרשנות זו מספקת תיאור פיזיקלי עקבי יותר של הוספת פולסים במשטר התרמי. במקום ליישם כלל ספירת פולסים גאומטרית בלבד, המודל מעריך ישירות את עליית הטמפרטורה המצטברת ואת האינטגרל של ארניוס שנוצר. לכן, מושג "N חלקי" מכליל את ההגדרה הנוכחית של הוספת פולסים על ידי קישוריה לתהליכי הצטברות תרמית בסיסיים בתוך הרקמה.

גישה זו מאפשרת חקירה שיטתית של האופן שבו שינויים באורך הפולס, מרווח בין הפואמים, עומק המודולציה וחשיפה כוללת לקרינה משפיעים על סף הנזק האפקטיבי. מכיוון שהוספת פולסים היא נושא מורכב עם השלכות משמעותיות על תקן בטיחות הלייזר, הקורא מופנה לפרסומים קודמים 15,50,51 לדיון מפורט יותר.

השוואת סף בטיחות הלייזר לסף הנזק המחושב
המודל המוצג שימש לגזירת והשוואת ספי נזק עם גבולות מחלקה 1⁵² לפי IEC 60825-1. הספים המחושבים נמצאו תואמים למרווח הבטיחות המרומז המשולב בתקן.

יתרון מרכזי בגישת המידול הוא שהיא מבוססת ישירות על ספי נזק צפויים (בשילוב עם גורם בטיחות). לעומת זאת, תקן בטיחות הלייזר נשען על מגבלות חשיפה כלליות שמקורן בנתונים ניסיוניים ואינטרפולציות לאורך גל וזמן (טבלה 2). בעוד שזה מבטיח יישום שמרני במגוון רחב של מערכות, ייתכן שזה לא תמיד משקף את המאפיינים האופטיים והזמניים הספציפיים של מכשיר מסוים ויש לו פוטנציאל להיות שמרני מדי.

לכן, ההערכה המבוססת על מודלים מספקת אלטרנטיבה מונעת פיזיקה שיכולה להשלים את הסיווג הסטנדרטי. בנוסף, היישום הפורמלי של תקן בטיחות הלייזר יכול להיות מורכב ולעיתים דורש מומחיות מפורטת, במיוחד במערכות הכוללות פליטות סריקה, פולסים או מודולציה. מסגרת מודל אוטומטית המשולבת בתהליכי עבודה בתכנון אופטי יכולה להקל על הערכת בטיחות בשלבים מוקדמים ולאפשר אופטימיזציה שיטתית של מערכות לייזר.

	תקן בטיחות לייזר		המודל המוצע
קוטר נקודות (רשתית)	C6	פליטה מותרת	סף נזק	מקדם הפחתה	פליטה מותרת
50 מיקרון	1.96	2.0 מ"וואט	5.89 מ"וואט	3	1.96 מ"וואט
100 מיקרון	3.92	4.0 מ"וואט	10.24 מ"וואט	3	3.41 מ"וואט
250 מיקרון	9.8	9.8 מ"וואט	28.86 מ"וואט	3	9.62 מ"וואט

טבלה 2: סף נזק מחושב מול מגבלות מחלקה 1 לפי IEC 60825-1. טבלה זו שוחזרה באישור של Heussner ואחרים. ⁵².

איור משלים 1: גאומטריה בשימוש. מודל זה, ההרחבות שלו ופרמטרי הרקמה נגזרו מהפרמטרים הביולוגיים עצמם ומהווה את התבנית ליצירת המודל התלת-ממדי של העין האנושית. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

איור משלים 2: תנאי גבול המשמשים למודלים עיניים. הצד השמאלי מציג תנאי גבול מתקדמים עם הגדרה מעגלית של , בעוד שבצד ימין מוגדרת לאורך ההארכות הנכונות. איור זה שוחזר באישור של Heussner ואחרים. ³⁶. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

איור משלים 4: תכנית זרימת הדם הפיזיולוגית. זרימת הדם נכנסת דרך הסירקולוס ארטריאוסוס אירידיס מג'ור, והעורקים ציליארס פוסטריורס לונגאה ויוצאת דרך הוורטיקוזה. איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים ¹⁷. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

איור משלים 5: יישום זרם הדם. בהתבסס על זרימת הדם בפועל, מחזור הדם הוצב עם הכניסות והיציאות שהוצגו, כפי שמוצג בטבלה משלימה 3. איור זה שוחזר באישור של Heussner ואחרים. ³⁶. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

טבלה משלימה 1: ערכים גאומטריים ששימשו בעבודה זו. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

טבלה משלימה 2: פרמטרי הרקמה המשמשים בעבודה זו. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

טבלה משלימה 3: הגדרת הזרימה הנכנסת והיוצאת לזרם הדם הווקטוריאלי. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

קובץ משלים 1: גזירה של גישת המידול. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

קובץ משלים 2: פונקציות מופתיות שהוגדרו על ידי המשתמש. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

תיק משלים 3: AddingArrhenius.exe. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

תיק משלים 4: AddingArrhenius.cpp. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

דיון

בתוך הפרוטוקול, אין שלבים קריטיים ביצירת המודל. קריטי הוא בחירת גודל וסוג הרשת בשילוב עם גודל צעד הזמן. שינוי בטכניקת המידול רלוונטי ביחס לשימוש בדפוסי סריקה אחרים על הרשתית. המודל עצמו לא ישונה. הטכניקה מוגבלת למשטרי הנזק כפי שמוסבר בסעיף הרלוונטי. המשמעות טמונה באפשרות לחיזוי נזקים ללא ניסויים בבעלי חיים. אחד היישומים העתידיים הרלוונטיים ביותר הוא ניתוח הסתברות לנזק רשתית בתרחישים הכוללים HEL.

לאחר שהמודל מאומת למשטר נזק מסוים (כפי שהוא כיום לנזק תרמי), ניתן להשתמש בו לחיזוי ספי נזק, שכן ניסוי יספק ערך ED50. ערך זה יכול לשמש או לגזירת חישובי בטיחות העיניים במקום להשתמש בתקן בטיחות העיניים. לשם כך, יש לשלב את ערכי ED50 עם גורם בטיחות מסוים, כפי שכבר מניחים בתקן IEC 60825. ההבדל הוא שמכיוון שערך ED50 ידוע כיום לכל קבוצות הפרמטרים, מקדם הבטיחות יכול להיות קבוע בכל המקרים ואינו חייב לשקף אי-ודאויות ביחס לערך ED50 עצמו; הוא רק צריך לשקף את הסבירות לנזק שנגרם מהגדלת ה-ED50 לפי גורם בטיחות. ההגדרה הספציפית של גורם בטיחות זה צריכה להידון בקהילת בטיחות הלייזר.

במקרים אחרים, שבהם התקן אינו חל בשל אופיו הבלתי צפוי של התרחיש, השילוב בין מודל פגיעה הסתברותי עם מודל הנזק המוצג נראה כפתרון הטוב ביותר. דוגמה טובה לכך היא הערכת לייזרים בעלי אנרגיה גבוהה ליישומים חיצוניים.

למרות שברור להיצמד לתקנות בטיחות ובריאות תעסוקתית החוקית כדי להגן על מפעילים וצדדים שלישיים לא מעורבים מחשיפה מזיקה לא מכוונת, זה יכול להיות מאתגר מאוד ליישם אמצעים אלה בסביבות חיצוניות. דבר זה, בתורו, מטיל מגבלות שמגבילות את אפשרויות הניסוי, במיוחד כשמדובר בלייזרים בעלי אנרגיה גבוהה (HEL) במגזר ההגנה. סוגי לייזרים אלו יכולים לספק הספק יציאה של 100 קילוואט, בדרך כלל באורך גל של 1 מיקרון, עם איכות קרן מצוינת וסטייה נמוכה, מה שאומר שיש לקחת בחשבון לא רק את ההקרנה הישירה של בני אדם, אלא גם מצבים לא דטרמיניסטיים הנובעים מפיזור והחזרה של כל סוג של עצם במסלול הקרן. לסכנות יכולות להיות שלושה מקורות, כפי שמצוין באיור 11. הקרן הישירה, פיזור האטמוספירה, וההשתקפויות מהמטרה. תסריט נוסף, שלא מתואר באיור, הוא השתקפות הלייזר על פני הים, מה שיכול לקרות בתרחיש ימי⁵³.

לא כל פרמטר של תרחישים אלה ניתן לחיזוי דטרמיני. לדוגמה, טורבולנציה אטמוספירית היא מטבעה תופעה סטוכסטית ומשפיעה על צורת הקרן ועל מיקומה על המטרה. המטרה עצמה והאינטראקציה של הלייזר עם המטרה אף פעם לא דטרמיניסטיים לחלוטין, במיוחד כאשר מטרה מתכתית נמסת². כתוצאה מכך, עוצמת הלייזר המוחזר, הכיוון, הסטייה והצורה יכולים להשתנות במהירות. קבוצות שונות מבצעות מחקרים ניסיוניים על תרחישי הקרינה המורכבים^הללו 2,54,55,56,57 ומשתמשות בגישות שונות לניתוחים שלהן. עם זאת, עדיין אין הסכמה על מתודולוגיה נכונה לתרגם את תוצאות הניסויים הללו לכלי להערכת בטיחות בלייזר. בתרחישים אלו, פרמטרי הקלט המשמשים להערכת בטיחות לייזר חייבים להיות הסתברותיים וניתן לתארם באמצעות פונקציית התפלגות הסתברות. משם, ניתן היה להשתמש בסימולציה של מונטה קרלו כדי לחשב את כל מרחקי הסיכון העין (OHD) האפשריים. קבוצת פרמטרי הקלט במקרה הגרוע ביותר, כלומר הקבוצה שמביאה ל-NOHD הגבוה ביותר, יכולה להיות מניחה כמגדירה אזור סיכון לייזר במהלך הניסוי.

עם זאת, בתרחיש דינמי עם מטרה נעה בגובה, לא תמיד האלומה המוחזרת עם ה-OHD הגדול ביותר היא זו שמציגה את הסיכון הגבוה ביותר. הסיכון מוגדר בדרך כלל כשילוב של הסתברות החשיפה והיקף הנזק כאשר הוא נחשף. OHD גדול בדרך כלל מתייחס לקרן עם עוצמה גבוהה וסטייה נמוכה, עבור הקרן המוחזרת, מה שמרמז על קוטר קרן קטן עם עוצמות גדולות על הקרקע. עם זאת, ההסתברות שאדם ייחשף להשתקפות עם קוטר קרן קטן עשויה להיות נמוכה יותר מאשר לקרן בקוטר גדול. יתרה מזאת, משך החשיפה עשוי להיות קצר יותר עבור אלומה קטנה מאשר גדולה יותר. כתוצאה מכך, זה עלול להוביל לסיכון כולל קטן יותר למרות OHD גבוה יותר. אם נחשף על ידי הקרן, מודל תרמי מאומת של העין כפי שמוצג במאמר זה הוא חלק קריטי בהערכת היקף הנזק הפוטנציאלי לאדם חשוף ולכן בהערכת הסיכון. בנוסף, מאחר שאדם לא בהכרח מסתכל ישירות על המטרה במהלך הקרב, קרינת לייזר מוחזרת נכנסת לעין בזווית ויכולה להצטלם אותה רחוק מהפוביאה. במודל תרמי, ניתן להבחין בין נזק חמור לנזק נמוך בהתאם לגודל ומיקום הנזק ברשתית. שיקולים אלו ישפרו משמעותית את הערכת הסיכון לצדדים שלישיים לא מעורבים בעימות לייזר, בדומה למה שכבר קיים במערכות נשק קונבנציונליות.

איור 11: אזורי סיכון פוטנציאליים במהלך יישום לייזר בעוצמה גבוהה. השימוש בלייזרים בעלי עוצמה גבוהה יוצר מצבים מסוכנים פוטנציאליים בשל קרינה ישירה מקרן, החזרה (חלקית) מהמטרה, ופיזור אטמוספרי. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

בהתמקדות במודל שמכסה את כל נזקי העיניים בעתיד, יש להרחיב את הגישה למשטרי נזק נוספים. הצעדים הראשונים לקראת מידול נזק תרמומכני מתוארים כאן.

לצורך מידול נזק תרמומכני, אנו ממליצים להשתמש בטמפרטורת פני השטח במלנוזום ככמות הרלוונטית. טמפרטורת גרעין של 150 מעלות צלזיוס יכולה לשמש כסף להיווצרות בועות, כפי שהוצע קודם^{לכן 12,13}. בהתבסס על ההשערה שלפיה גרעין בועות מתרחש במקביל לפגיעה ברשתית, טמפרטורת פני השטח של המלנוזומים של 150 מעלות צלזיוס נלקחת כמצביעה על תחילת הנזק התרמומכני (איור 12).

איור 12: רשת מופתית של מלנוזום. רשת זו מציגה אפשרות אחת למידול מלנוזומים (משמאל) והתפלגות טמפרטורה יוצאת דופן תחת הקרנה. איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים. ⁵². אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

בגישה זו, מניחים התפלגות אנרגיית לייזר הומוגנית (פרופיל טופ-האט) שגודלה עולה על ממדי המלנוזום, מה שמבטיח הקרנה מלאה של החלקיק. ממדי המלנוזומים נקבעו ל-2.5 מיקרון על 1 מיקרון, ומקדם הספיגה^{היה 58} עד 13.000 ס"מ⁻¹. בהנחה של ספיגת למברט-ביר בכל המלנוזום. חישוב טמפרטורת פני השטח המתקבלת לאורך פולסים מ-1 ns עד 10 מיקרושניות מניב את סף הנזק המוצג בסעיף התוצאות.

טמפרטורת פני השטח המחושבת של מלנוזומים לאורך פולסים בין 1 ל-10 מיקרושניות מניבה את סף הנזק המוצג באיור 13. השוואה לנתונים ניסיוניים זמינים מראה התאמה טובה לרוב מערכי הנתונים 12,59,60,61. עם זאת, מידול מדויק דורש הגדרה מדויקת יותר של ספי הנזק, מה שמחייב איסוף נתונים ניסיוניים חדשים. חשוב לקבוע האם הנגעים שנצפו נגרמים על ידי מנגנונים תרמומכניים או תרמיים בלבד, שכן מסלולים אלו דורשים גישות מודל שונות שיש לאמת באמצעות מדידות מתאימות. אסטרטגיה אפשרית אחת היא גילוי גלי הלם, אשר סביר שילוו תהליכי נזק תרמומכניים.

איור 13: ספים מחושבים וניסויים לנזק תרמומכני באמצעות קריטריון 150 מעלות צלזיוס. התוצאות הראשונות של מידול המלנוזומים הושוו לספי נזק מהספרות ומראות התאמה טובה. איור זה שוחזר באישור הויסנר ואחרים. ⁵². אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

לסיכום, השלבים הבאים למידול נזק תרמומכני יהיו להעריך האם הגישה של 150°C מספיקה, באופן כללי, למידול הנזק. נדרש ניתוח נוסף באמצעות השוואה לנתונים ניסיוניים חזקים. ניתוח זה עשוי לאשר את הגישה או להסיק כי נדרשת הבנה מעמיקה יותר של מנגנון הנזק, מה שיתורגם לצורך במודל המכסה היבטים אלו. היבט נוסף הרלוונטי לכך הוא יצירת גלי הלם הנובעים מספיגת לייזר והשוואת הלחץ שלהם ליציבות הלחץ של ממברנות התא.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
Altair Hypermesh 11.0	Altair Engineering Inc.	גרסה 11	תוכנת יצירת רשת והצגה; דוגמנות אלמנטים סופיים וניתוח [FEA]
Ansys Fluent 14.5	Ansys Inc.	גרסה 14.5	מפתיר תרמודינמי; תוכנת סימולציה של נוזלים
Autodesk Inventor	Autodesk	גרסה 16	תוכנת עיצוב ממוחשב תלת-ממדי עם עזרה ממוחשבת
Hyperview	Altair Engineering Inc.	גרסה 11	תוכנת ניתוח הנדסי ממוחשב (CAE)
Optic Studio 13 (Zemax)	Zemax Development Corporation, כיום זה Ansys Inc.	גרסה 13	תוכנת מעקב קרניים
Optocon FOTEMP2	Optocon	https://comem.com/en/optocon/	ספקטרומטר; מדידת טמפרטורה של רקמת עין
Optocon TS2	Optocon	https://comem.com/en/optocon/	גשש מדידה; מדידת טמפרטורה של רקמת עין