DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-2-215-223


УДК535.3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КОЖЕЙ: МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Рогов П. Ю., Чжэн Чао-Жень . ., Налегаев С. С., Скобников В. А., Беспалов В. Г.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Рогов П.Ю., Чжэн Ч.Дж., Налегаев С.С., Скобников В.А., Беспалов В.Г. Взаимодействие фемтосекундного лазерного излучения с кожей: математическая модель // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 2. С. 215–223. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-2-215-223

Аннотация

Исследованы особенности воздействия фемтосекундного лазерного излучения на кожные покровы. С помощью метода Монте-Карло произведена оценка глубины проникновения в кожные покровы излучения с наиболее распространенной для фемтосекундных систем (лазер на сапфире с титаном) длиной волны 800 нм. Разработана математическая модель процесса теплопередачи, основанная на аналитическом решении системы уравнений, описывающих динамику электронной и атомной подсистемы. Проведен эксперимент по определению пороговой энергии повреждения биологических тканей (в качестве тест-объекта была использована куриная кожа). Получено значение времени релаксации электронной подсистемы, которое согласуется с литературными данными. Результаты работы могут найти применение для оценки уровней энергии импульсного лазерного излучения различных длительностей, при которых наблюдается повреждение биологических тканей, а также для формирования стандартов безопасной эксплуатации фемтосекундных лазерных систем.


Ключевые слова: фемтосекундное излучение, биологические ткани, метод Монте-Карло, двухтемпературная модель

Благодарности. Авторы благодарят за финансовую поддержку Российский фонд фундаментальных исследований (соглашение No 16–52–5204916 от 29.01.2016)

Список литературы
 1.     Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988. 312 с.
2.     Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments. Ed. C. Rulliere. 2nd ed. Springer, 2005. 428 p.
3.     Frederickson K.S. Precise ablation of skin with reduced collateral damage using the femtosecond-pulsed, terawatt titanium-sapphire laser // Archives of Dermatology. 1993. V. 129. N8. P. 989–993. doi: 10.1001/archderm.129.8.989 
4.     Friedman N.J. et al. Femtosecond laser capsulotomy // Journal of Cataract & Refractive Surgery. 2011. V. 37. N7. P. 1189–1198. doi: 10.1016/j.jcrs.2011.04.022
5.     Рогов П.Ю., Князев М.А., Беспалов В.Г. Исследование линейных и нелинейных процессов, возникающих при распространении фемтосекундного лазерного излучения в среде, моделирующей стекловидное тело глаза человека // Научно–технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 782–788. doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-5-782-788
6.     Patterson G.H., Piston D.W. Photobleaching in two-photon excitation microscopy // Biophysical Journal. 2000. V. 78. N4. P. 2159–2162. doi: 10.1016/s0006-3495(00)76762-2 
7.     Campagnola P.J. et al. High–resolution nonlinear optical imaging of live cells by second harmonic generation // Biophysical Journal. 1999. V. 77. N6. P. 3341–3349. doi: 10.1016/s0006-3495(99)77165-1 
8.     Puida M., Ivanauskas F. // Liet. Matem. Rink. 2005. V. 45. P. 504.
9.     Barsi C., Fleischer W.J. Increased field of view via nonlinear digital holography // Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics. San Jose, 2010. doi: 10.1364/CLEO.2010.CMCC4
10.  Налегаев С.С., Петров Н.В. Численное обращение динамики распространения волнового фронта с учетом пространственного эффекта самовоздействия света // Химическая физика. 2015. Т. 34 (8). С. 52–54.
11.  Nalegaev S.S., Petrov N.V., Bespalov V.G. Numerical reconstruction of wave field spatial distributions at the output and input planes of nonlinear medium with use of digital holography // Journal of Physics: Conference Series. 2014. V. 536. N1. P. 012025. doi: 10.1088/1742-6596/536/1/012025
12.  Nalegaev S.S., Petrov N.V., Bespalov V.G. Computational simulation of the light propagation process through nonlinear media // Fringe 2014. 2014. P. 321–324. doi: 10.1007/978-3-642-36359-7_56 
13.  Налегаев С.С., Петров Н.В., Беспалов В.Г. Итерационные методы решения фазовой проблемы в оптике и их особенности // Научно–технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 6 (82). С. 30–35.
14.  Nalegaev S.S., Putilin S.E., Bespalov V.G. Particularities of femtosecond spectral supercontinuum generation in anisotropic crystal media with quadratic nonlinearity // Proc. SPIE. 2013. V. 8699. P. 869914. doi: 10.1117/12.2017343
15.  Налегаев С.С., Путилин С.Э., Беспалов В.Г. Особенности генерации фемтосекундного спектрального суперконтинуума в кристаллических средах с χ(2)–нелинейностью // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. №81(5). С. 29–32.
16.  Schlie S., Fadeeva E., Koch J., Ngezahayo A., Chichkov B.N. Femtosecond laser fabricated spike structures for selective control of cellular behavior // Journal of Biomaterials Applications. 2010. V. 25. N3. P. 217–233. doi: 10.1177/0885328209345553
17.  König K., So P.T.C., Mantulin W.W., Gratton E. Cellular response to near–infrared femtosecond laser pulses in two-photon microscopes // Optics Letters. 1997. V. 22. N2. P. 135–136. doi: 10.1364/ol.22.000135
18.  Agate B. et al. Femtosecond optical tweezers for in-situ control of two-photon fluorescence // Optics Express. 2004. V. 12. N 13. P. 3011–3017. doi: 10.1364/opex.12.003011
19.  Beresna M. et al. Radially polarized optical vortex converter created by femtosecond laser nanostructuring of glass // Applied Physics Letters. 2011. V. 98. N20. P. 201101. doi: 10.1063/1.3590716
20.  Michael S. et. al. Tissue engineered skin substitutes created by laser-assisted bioprinting form skin-like structures in the dorsal skin fold chamber in mice // PloS One. 2013. V. 8. N3. Art. e57741. doi: 10.1371/journal.pone.0057741
21.  Murphy S.V., Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs // Nature Biotechnology. 2014. V. 32. N8. P. 773–785. doi: 10.1038/nbt.2958 
22.  Dharmadhikari A.K. et al. DNA damage by OH radicals produced using intense, ultrashort, long wavelength laser pulses // Physical Review Letters. 2014. V. 112. N13. P. 138105. doi: 10.1103/physrevlett.112.138105 
23.  Petrov N.V., Kulya M.S., Tcypkin A.N., Bespalov V.G., Gorodetsky A. Application of terahertz pulse time-domain holography for phase imaging // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2016. V. 6. N3. P. 464–472. doi: 10.1109/tthz.2016.2530938 
24.  Balbekin N.S., Kulya M.S., Rogov P.I., Petrov N.V. The modeling peculiarities of diffractive propagation of the broadband terahertz two-dimensional field // Physics Procedia. 2015. V. 73. N 49. P. 49–53. doi: 10.1016/j.phpro.2015.09.120 
25.  Semenova V.A., Kulya M.S., Petrov N.V., Grachev Y.V., Tsypkin A.N., Putilin S.E., Bespalov V.G. Amplitude-phase imaging of pulsed broadband terahertz vortex beams generated by spiral phase plate // Proc. 41st Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW–THz). 2016. doi: 10.1109/irmmw-thz.2016.7758823
26.  Kulya M.S., Balbekin N.S., Gredyuhina I.V., Uspenskaya M.V., Nechiporenko A.P., Petrov N.V. Computational terahertz imaging with dispersive objects // Journal of Modern Optics. 2017. doi: 10.1080/09500340.2017.1285064
27.  ГОСТ Р 50723–94: Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. М.: Издательствостандартов, 1995. 34 с.
28.  Sriramoju V., Alfano R.R. In vivo studies of ultrafast near–infrared laser tissue bonding and wound healing // Journal of Biomedical Optics. 2015. V. 20. N10. P. 108001. doi: 10.1117/1.jbo.20.10.108001
29.  Wright C.H.G., Barrett S.F., Welch A.J. Laser–tissue interaction / In : Lasers in Medicine, D.R. Vij, K. Mahesh (eds.). Boston, Dordrecht, London: Kluwer Academic Publishers, 2002.
30.  Vogel A., Venugopalan V. Mechanisms of pulsed laser ablation of biological tissues // Chemical Reviews. 2003. V. 103. P. 577–644. doi: 10.1021/cr010379n 
31.  Tuchin V.V. Tissue optics and photonics: light-tissue interaction II // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2016. V. 2. N3. P. 030201. doi: 10.18287/jbpe16.02.030201
32.  Müller G.J., Sliney D.H. (eds.) Dosimetry of Laser Radiation in Medicine and Biology. SPIE Press, Bellingham, 1989. 253 p.
33.  Sliney D.H., Trokel S.L. Medical Lasers and their Safe Use. NY: Academic Press, 1993.
34.  Welch A.J., Van Gemert M.J.C. (ed.). Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue. NY: Springer, 2011. doi: 10.1007/978-90-481-8831-4
35.  Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. 103 с.
36.  Meglinski I., Doronin A.V. Monte Carlo modeling for the needs of biophotonics and biomedical optics / In: Advanced Biophotonics: Tissue Optical Sectioning / Eds. V.V. Tuchin, R.K. Wang. Taylor & Francis, 2012.
37.  Jacques S. Monte Carlo modeling of light transport in tissue (steady state and time of flight) / In: Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue. Springer, 2011. P. 109–144. doi: 10.1007/978-90-481-8831-4_5
38.  Федоров М.В. Работа Л.В. Келдыша “Ионизация в поле сильной электромагнитной волны” и современная физика взаимодействия атомов с сильным лазерным полем // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. № 3. С. 522–529.
39.  Вейко В.П., Шахно Е.А., Яковлев Е.Б. Эффективное время термического воздействия сверхкоротких лазерных импульсов на диэлектрики // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. № 4. С. 322–324.
40.  Lipp V.P., Ivanov D.S., Rethfeld B., Garcia M.E. On the interatomic interaction potential that describes bond weakening in classical molecular-dynamic modelling // Journal of Optical Technology. 2014. V. 81. N5. P. 254–255. doi: 10.1364/jot.81.000254
41.  Дюкин Р.В., Марциновский Г.А., Шандыбина Г.Д., Яковлев Е.Б., Никифоров И.Д., Гук И.В. Динамика диэлектрической проницаемости полупроводника при фемтосекундном лазерном воздействии // Оптический журнал. 2011. Т. 78. №. 8. С. 118–124.
42.  Serebryakov V.A. et al. Medical Monte-Carlo modeling for the needs of biophotonics and biomedical optics // Advanced Biophotonics: Tissue Optical Sectioning / Eds. V.V. Tuchin, R.K. Wang. Taylor & Francis, 2012.
43.  Fredriksson I., Larsson M., Stromberg T. Optical microcirculatory skin model: assessed by Monte Carlo simulations paired with in vivo laser Doppler flowmetry // Journal of Biomedical Optics. 2008. V. 13. N1. Art. 014015. doi: 10.1117/1.2854691 
44.  Stampfli P., Bennemann K.H. Theory for the instability of the diamond structure of Si, Ge, and C induced by a dense electron-hole plasma // Physical Review B. 1990. V. 42. N11. P. 7163–7173. doi: 10.1103/physrevb.42.7163
45.  Kropman M.F., Bakker H.J. Dynamics of water molecules in aqueous solvation shells // Science. 2001. V. 291. N5511. P. 2118–2120. doi: 10.1126/science.1058190
46.  Kropman M.F., Nienhuys H.K., Bakker H.J. Real-time measurement of the orientational dynamics of aqueous solvation shells in bulk liquid water // Physical Review Letters. 2002. V. 88. N 7. P. 077601. doi: 10.1103/physrevlett.88.077601 
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика