Przedstawiono podejście modelowe do oceniania uszkodzeń termicznych wywołanych laserem w ludzkim oku. Ma na celu poprawę oceny zagrożeń związanych z laserem, zapewniając środek do obliczania uszkodzeń w konkretnym scenariuszu napromieniowania.
Method Article
Przedstawiono podejście modelowe do oceniania uszkodzeń termicznych wywołanych laserem w ludzkim oku. Ma na celu poprawę oceny zagrożeń związanych z laserem, zapewniając środek do obliczania uszkodzeń w konkretnym scenariuszu napromieniowania.
Wraz ze wzrostem liczby zastosowań laserów w medycynie, obronności i technologii, zarówno celowe, jak i przypadkowe naświetlanie ludzkiego oka źródłami laserowymi stało się głównym problemem. Modelowa przewidywalność progów uszkodzeń siatkówki mogłaby umożliwić bardziej zorientowaną na scenariusz ocenę bezpieczeństwa laserowego, szczególnie dla parametrów lasera, które nie są uwzględnione w danych eksperymentalnych. Idealnie, takie modele pozwoliłyby na obliczenie wartości ED50 (skuteczna dawka, przy której prawdopodobieństwo uszkodzenia wynosi 50%) na podstawie - między innymi - długości fali, czasu trwania impulsu i kształtu plamki. Wymaga to szczegółowego zrozumienia i modelowania wszystkich reżimów uszkodzeń, aby odzwierciedlić zależność między kluczowymi parametrami a dominującym mechanizmem uszkodzenia.
Niniejsza praca omawia status tego podejścia (zweryfikowanego tutaj dla reżimu termicznego, lub po prostu "w reżimie uszkodzeń termicznych"); podkreślono krytyczne aspekty, które mogą uniemożliwić jego sukces, oraz przedstawiono potencjalne korzyści. Obejmują one zakres od poprawionej dokładności granic naświetlania laserem w standardach bezpieczeństwa oczu po zoptymalizowaną dozymetrię w chirurgii laserowej siatkówki po probabilistyczną ocenę ryzyka dla użycia laserów w środowiskach zewnętrznych.
Niniejsza praca opisuje opracowanie i walidację fizjologicznie szczegółowego modelu uszkodzeń termicznych ludzkiego oka. W reżimie uszkodzeń termicznych model przewiduje ewolucję temperatury siatkówki oraz progi uszkodzeń za pomocą formuły uszkodzeń Arrheniusa (porównaj wyjaśnienie w sekcji uszkodzeń fototermicznych). Przedstawione zastosowania obejmują wszystkie sytuacje, w których prognozowanie temperatur i uszkodzeń oka jest istotne. Obejmuje to m.in. ocenę progów uszkodzeń dla skanowanego naświetlania siatkówki, zrozumienie wpływu dodatkowości szeregów impulsów na progi uszkodzeń oraz porównanie obliczonych progów z granicami bezpieczeństwa zgodnie ze standardem bezpieczeństwa laserowego. Poza reżimem termicznym, przedstawiono aktualne podejścia modelowania, które są rozważane, oraz wskazano ścieżkę prowadzącą do rozszerzenia ram na dodatkowe mechanizmy uszkodzeń.
Praca przedstawiona tutaj dotyczy modelowania, a zatem przewidywania uszkodzeń siatkówki spowodowanych naświetleniem laserowym. Podczas gdy krytyczna dawka teoretycznie zawsze mogłaby zostać określona przez eksperymenty na zwierzęcych siatkówkach podobnych do ludzkich, istnieje mocna potrzeba przewidywania uszkodzeń bez konieczności przeprowadzania eksperymentów. Przestrzeń parametrów lasera z różnymi wartościami (długości fal, czasów trwania impulsów i częstotliwości powtarzania) jest ogromna, co oznacza zakazaną liczbę eksperymentów na zwierzętach dla każdego nowego zestawu parametrów. Ponadto, dla długiego czasu naświetlania, należy uwzględnić przepływ krwi w siatkówce, co wymagałoby eksperymentów in vivo. W związku z tym, modelowanie interakcji lasera z okiem wydaje się być jedynym realistycznym sposobem postępowania.
Potrzeba szczegółowego zrozumienia mechanizmów uszkodzeń, a zatem progów uszkodzeń (które mogą służyć jako zastępcze wartości ED50), jest również związana z sytuacją standardu bezpieczeństwa oka (IEC 60825 lub ANSI Z136.1). Ponieważ standard musi uwzględniać pełny zakres długości fal, czasów trwania impulsów, wzorców powtarzania i wielkości plam, koniecznie zawiera upraszczające założenia, interpolacje i konserwatywne czynniki bezpieczeństwa, aby uwzględnić niepewność. Ponieważ dostępne są tylko ograniczona liczba wartości ED50 - głównie pochodzących z badań na nietoperzach - wymagana jest interpolacja w celu ustanowienia kompleksowych limitów MPE (maksymalne dopuszczalne narażenie). Chociaż to podejście zapewnia szerokie i praktyczne zastosowanie, ramy oparte na szczegółowym zrozumieniu i modelowaniu procesów uszkodzeń oferują wyraźne zalety pod względem przejrzystości fizycznej, dokładności specyficznej dla scenariusza i zastosowania bez szczegółowej znajomości standardu bezpieczeństwa laserowego.
Na przykład, pulsowane i skanujące lasery są oceniane jako źródła pulsowane, chociaż skanowanie siatkówki wprowadza dodatkowe efekty czasowe i przestrzenne. Odpowiednie traktowanie skanowania w wyprowadzaniu limitów bezpieczeństwa było przedmiotem trwającej dyskusji w społeczności przez ostatnie dziesięciolecie. Nawet przy regularnych aktualizacjach, aby odzwierciedlić postępy technologiczne, nie jest wykonalne, aby standard obejmował każdą złożoną konfigurację nowych systemów laserowych z nowymi zestawami parametrów bez uproszczeń i konserwatywnych czynników bezpieczeństwa. W związku z tym pozostaje miejsce na interpretację, co może prowadzić do niekonsekwencji lub błędów w ocenie bezpieczeństwa.
Fizykalne podejście modelowania mogłoby znacznie zmniejszyć zależność od interpolacji i konserwatywnych marginesów oraz rozszerzyć zastosowanie standardu na złożone scenariusze. Ponieważ opracowanie i walidacja takich modeli są bezpośrednio związane z głębszym zrozumieniem podstawowych mechanizmów uszkodzeń, wynikające wglądy mogłyby również wspierać bardziej przejrzystą i opartą na fizyce wyprowadzanie wartości MPE z istniejących danych ED50.
Długoterminowo ocena bezpieczeństwa oka mogłaby zostać usprawniona poprzez zintegrowany, modułowy framework modelowania. Takie narzędzie mogłoby być dostarczane albo z odpowiednimi parametrami systemu, albo bezpośrednio z plikiem projektu optycznego (np. modelem Zemax), który jest zazwyczaj dostępny podczas rozwoju produktu, umożliwiając konsekwentną i specyficzną dla scenariusza ocenę bezpieczeństwa1.
Kolejną dziedziną zastosowania są rosnące wysokoenergetyczne lasery (HEL), np. do przeciwdziałania dronom. Tutaj, trudność polega głównie na odbitkach laserowych od celów, szczególnie metalowych, które mogą szybko i losowo zmieniać się i stanowić zagrożenie dla personelu wojskowego i cywilów2,3. Ta losowa, niesterowana sytuacja wymaga odpowiedniego mechanizmu oceny - zwykle stosowany jest podejście probabilistyczne. To podejście tworzy stwierdzenia dotyczące wystąpienia określonych sytuacji naświetlania (intensywność, czas narażenia, długość fali), które nadal muszą zostać przetłumaczone na prawdopodobieństwo uszkodzenia. Tutaj, omówione w tej pracy modelowanie uszkodzeń może wypełnić lukę, przekładając probabilistyczne scenariusze na prawdopodobieństwo
Sekcja 1 opisuje ogólne kroki niezbędne do budowy modelu, ponieważ można je wykonać za pomocą różnorodnych opcji oprogramowania. Sekcja 2 przedstawia te instrukcje dla konkretnego i przykładowego przypadku, w którym wykorzystywane są Altair Hypermesh (oprogramowanie do modelowania i analizy elementów skończonych [FEA]) oraz Ansys Fluent (oprogramowanie do symulacji płynów). Ponadto, dostępny jest dodatkowy plik (Dodatkowy plik 117,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45), który opisuje podejście do modelowania i daje teoretyczne tło w sposób niesekwencyjny (Rysunek 1 - Rysunek 5, Tabela 1 - Tabela 3).
1. Implementacja podejścia modelowania – Ogólne kroki proceduralne
W tej sekcji przedstawiono zweryfikowanie i walidację przedstawionego modelu. Następnie przedstawiono trzy przykładowe zastosowania.
Weryfikacja i walidacja
W tej sekcji przedstawiony model jest najpierw zweryfikowany poprzez porównanie z ustalenimi modelami termofizjologicznymi oka19,27,28,30,32 w celu zapewnienia spójności przewidywanych rozkładów temperatur (sytuacja stacjonarna). W drugim kroku model jest walidowany poprzez porównanie symulowanych pól temperatur i przewidywań uszkodzeń Arrheniusa z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi podczas naświetlania laserem (przejściowy rozkład temperatur).
Walidacja implementacji przepływu krwi jest bardziej wymagająca, ponieważ ilościowe dane in vivo dotyczące temperatury ludzkiej siatkówki podczas długotrwałego naświetlania nie są dostępne. Dla krótkich czasów naświetlania (kilkaset milisekund) dane dotyczące temperatury z chirurgii siatkówki mogą być wykorzystane do walidacji. Te pomiary wykazują dobre zgodności z przewidywanym wzrostem temperatury. Jak wspomniano wcześniej, wpływ przepływu krwi staje się istotny dopiero po kilku sekundach.
Dla tego reżimu długotrwałego naświetlania dostępne są tylko dane zwierzęce. Porównanie z pomiarami temperatury siatkówki u królików wykazuje zgodność jakościową, podczas gdy różnice ilościowe są obserwowane. Oczekuje się tych odchyleń z powodu gatunkowych różnic w przepływie krwi.
Dlatego, chociaż wektorowa implementacja przepływu krwi zapewnia bardziej fizjologicznie realistyczną reprezentację, a średnia prędkość 5 mm/s stanowi rozsądną początkową estymację, dalsza walidacja na podstawie danych ludzkich lub nieszympansich (NHP) jest zalecana, jeśli takie dane staną się dostępne.
Weryfikacja modelu – Porównanie z uznanymi modelami (bez przepływu krwi) (stan stacjonarny)
Analizy stanu stacjonarnego przeprowadzone w celu walidacji modelu wykorzystywały krok czasowy 10 ms. Można zauważyć, że rozkład temperatury wzdłuż modelu jest zgodny z innymi modelami. Pozostałe modele nie mają przepływu krwi; odpowiednio, przepływ krwi w modelu opisanym tutaj został wyłączony w celu tej weryfikacji. W następnym kroku przepływ krwi został ponownie włączony i pomyślnie porównany z pomiarami in vivo, patrz sekcja wyników ( Dodatkowa Rycina 3).
Dodatkowa rycina 3: Porównanie rozkładu temperatury z innymi modelami17. Temperatura wewnątrz ludzkiego oka wzdłuż osi optycznej, wynikająca z przedstawionego modelu, jest w dobrej zgodzie z istniejącymi modelami. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.
Walidacja modelu – Siatkówki w wodzie (naśladujące ciało szkliste)
Ponieważ pomiary w podczerwieni są niemożliwe pod wodą, czujnik temperatury światłowodowej (sonda GaAs) został włożony do próbki oka świni, zawierającej twardówkę, ścięgno i RPE. Czujnik został umieszczony między twardówką a ścięgnem i zamocowany za pomocą uchwytu (Rycina 4). Metoda pomiaru za pomocą sondy GaAs została wybrana, ponieważ użycie światłowodu do przesyłania sygnału zapewnia bardzo niską kopluność cieplną, minimalizując tym samym wpływ metody pomiaru na sam pomiar.
Ustawienia składały się z dwóch ścieżek optycznych, przedstawionych schematycznie na Rycinie 5. Z jednej strony, laser przechodził przez dzieliczny i powierzchnię wejściową pokrytą antyrefleksyjnie, aby naświetlić tkankę; z drugiej strony, światło rozproszone wstecz z tkanki było kierowane przez dzieliczny i obiektyw 20 mm do kamery. Ta kamera była głównie używana do monitorowania pozycji plamki podczas pomiarów, pozwalając na sprawdzenie pozycji plamki lasera na tkankach i względem końcówki GaAs w czasie rzeczywistym. Aby poprawić widoczność rozproszonego światła z tkanki, polaryzator tłumił odbicia z powierzchni optycznych. Dla optymalnego obrazu tkankę dodatkowo oświetlono od tyłu, ponieważ przednia część silnie absorbuje RPE; jednocześnie, to podejście transmisyjne pozwoliło na zidentyfikowanie pozycji czujnika. Oświetlenie zapewniała dioda elektroluminescencyjna.
Dla pomiarów, początkowa pozycja była ustawiana tak, aby plamka lasera była dokładnie wyśrodkowana na końcówce czujnika. Od tego punktu początkowego tkankę przesuwano wzdłużnie poza plamkę lasera, podczas gdy końcówka czujnika poruszała się z nią. W rezultacie można było zarejestrować odpowiedź temperaturową na różnych odległościach od środka plamki. Później te pomiary na różnych odległościach były porównywane z odpowiednim symulacjami. Dlatego uchwyt t
W ramach protokołu nie ma krytycznych etapów w odniesieniu do tworzenia modelu. Krytyczne jest wybór wielkości i rodzaju siatki w połączeniu z wielkością kroku czasowego. Modyfikacja techniki modelowania jest istotna w odniesieniu do zastosowania innych wzorców skanowania na siatkówce. Sam model nie powinien być modyfikowany. Technika jest ograniczona do reżimów uszkodzeń, jak wyjaśniono w odpowiedniej sekcji. Znaczenie leży w możliwości przewidywania uszkodzeń bez eksperymentów na zwierzętach. Jednym z najbardziej istotnych przyszłych zastosowań jest analiza prawdopodobieństwa uszkodzenia siatkówki w scenariuszach związanych z HEL.
Gdy model zostanie zweryfikowany dla określonego reżimu uszkodzeń (jak teraz dla uszkodzeń termicznych), może być stosowany do przewidywania progów uszkodzeń, podobnie jak eksperyment dostarczyłby wartość ED50. Ta wartość może być następnie użyta do wyprowadzenia obliczeń bezpieczeństwa oka zamiast używania standardu bezpieczeństwa oka. W tym celu wartości ED50 muszą być połączone z pewnym współczynnikiem bezpieczeństwa, jak już zakłada się w standardzie IEC 60825. Różnica polega na tym, że ponieważ wartość ED50 jest teraz specyficznie znana dla wszystkich zestawów parametrów, współczynnik bezpieczeństwa może być stały we wszystkich przypadkach i nie musi odzwierciedlać niepewności w odniesieniu do samej wartości ED50; musi tylko odzwierciedlać prawdopodobieństwo uszkodzenia wynikającego z skalowania ED50 przez współczynnik bezpieczeństwa. Konkretna definicja tego współczynnika bezpieczeństwa powinna zostać omówiona w środowisku bezpieczeństwa laserowego.
W innych przypadkach, gdzie standard nie jest stosowany ze względu na nieprzewidywalny charakter scenariusza, kombinacja probabilistycznego modelu trafień z przedstawionym modelem uszkodzeń wydaje się być najlepszym rozwiązaniem. Dobrym przykładem tutaj jest ocena wysokoenergetycznych laserów do zastosowań na zewnątrz.
Chociaż jest oczywiste, że należy przestrzegać prawnie obowiązujących przepisów dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy, aby chronić operatorów i niezaangażowane strony trzecie przed niezamierzonym szkodliwym napromieniowaniem, może być dość trudno wdrożyć te środki w środowiskach zewnętrznych. To z kolei narzuca ograniczenia, które ograniczają możliwości eksperymentalne, szczególnie jeśli chodzi o wysokoenergetyczne lasery (HEL) w sektorze obronnym. Te typy laserów mogą mieć moc wyjściową 100 kW, zazwyczaj na długości fali 1 µm i z doskonałą jakością wiązki i niską dywergencją, co oznacza, że należy uwzględnić nie tylko bezpośrednie napromieniowanie ludzi, ale także niedeterministyczne sytuacje wynikające z rozproszenia, odbicia przez dowolny rodzaj obiektu na ścieżce wiązki. Zagrożenia mogą mieć trzy źródła, jak wskazano na Rysunku 11. Bezpośrednia wiązka, rozproszenie atmosferyczne i odbicia od celu. Innym scenariuszem, który nie został opisany na rysunku, byłoby odbicie lasera na powierzchni morza, co mogłoby się wydarzyć w scenariuszu morskich53.
Nie każdy parametr tych scenariuszy może być przewidziany deterministycznie. Na przykład turbulencja atmosferyczna jest z natury zjawiskiem stochastycznym i wpływa na kształt wiązki i jej pozycję na cele. Sam cel i oddziaływanie lasera z celem również nigdy nie są całkowicie deterministyczne, szczególnie gdy metaliczny cel topi się2. W konsekwencji, odbitą moc lasera, kierunek, dywergencję i kształt mogą się szybko zmieniać. Różne grupy prowadzą badania eksperymentalne nad tymi złożonymi scenariuszami napromieniowania2,54,55,56,57 i stosuje różne podejścia do ich analizy. Jednak nie istnieje jeszcze konsensus co do właściwej metodologii do przełożenia wyników tych eksperymentów na narzędzie oceny bezpieczeństwa laserowego. Dla tych scenariuszy, parametry wejściowe używane do przeprowadzenia oceny bezpieczeństwa laserowego będą musiały być prawdopodobne i mogą być opisane za pomocą funkcji rozkładu prawdopodobieństwa. Następnie można zastosować symulację Monte Carlo do obliczenia wszystkich możliwych wynikających odległości zagrożenia oku (OHD). Najgorszy zestaw parametrów wejściowych, czyli zestaw prowadzący do najwyższego NOHD, może być założony jako definiujący obszar zagrożenia laserowego podczas próby.
Jednakże w dynamicznym scenariuszu z ruchem celu na wysokości, nie zawsze jest to odbitą wiązką o największej OHD, która wykazuje najwyższe ryzyko. Ryzyko jest zwykle definiowane jako kombinacja prawdopodobieństwa narażenia i stopnia uszkodzenia po ekspozycji. Duża OHD zwykle odnosi się do wiązki o dużej mocy i małej dywergencji, w przypadku odbitej wiązki, co oznaczałoby małą średnicę wiązki z dużymi intensywnościami na ziemi. Jednakże prawdopodobieństwo, że osoba będzie narażona na odbicie o małą średnicę wiązki, może być niższe niż dla wiązki o duże
Autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Altair Hypermesh 11.0 | Altair Engineering Inc. | Wersja 11 | Oprogramowanie do tworzenia siatek i wyświetlania; modelowanie i analiza skończonych elementów [FEA] |
| Ansys Fluent 14.5 | Ansys Inc. | Wersja 14.5 | Rozwiązanie termodynamiczne; oprogramowanie do symulacji płynów |
| Autodesk Inventor | Autodesk | Wersja 16 | Oprogramowanie do 3D wspomaganego projektowania komputerowego |
| Hyperview | Altair Engineering Inc. | Wersja 11 | Oprogramowanie do analizy wspomaganej komputerowo (CAE) |
| Optic Studio 13 (Zemax) | Zemax Development Corporation, obecnie to Ansys Inc. | Wersja 13 | Oprogramowanie do śledzenia promieni |
| Optocon FOTEMP2 | Optocon | https://comem.com/pl/optocon/ | Spektrometr; Pomiar temperatury tkanki oczu |
| Optocon TS2 | Optocon | https://comem.com/pl/optocon/ | Sonda pomiarowa; Pomiar temperatury tkanki oczu |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission