شبيه سازي عددي اثر حرارتي ليزر پرتو پيوسته در بافت زنده حامل جريان خون

Numerical simulation of thermal effects of continuous wave laser on living tissue with blood perfusion

در كار حاضر، شبيه سازي اثر حرارتي ليزر پرتو پيوسته بر بافت زنده پوست حامل جريان خون مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين كار، يك محيط يك بعدي در نظر گرفته شده كه در يك سطح تحت تاثير تشعشع ليرز و سطح ديگر به واسطه تماس با ديگر قسمت بدن، در دماي ثابت 37 درجه سانتي گراد باقي مانده است. پرتو هاي ليزر به صورت پيوسته و عمود بر سطح تابيده مي شود. بافت پوست به عنوان يك محيط شديداً پراكنده كننده و غير ايزوترپيك مي باشد و محيط داخلي بصورت محيط خاكستري با ديواره هاي مرزي سياه فرض شده اند. جريان خون نيز در معادله زيست گرمايي بافت پوست لحاظ شده است. معادلات حاكم بر اين مسئله، معادله تشعشع به همراه رسانش مي باشد كه روش راستاهاي مجزا براي حل معادله تشعشع، روش حجم محدود براي حل معادله انرژي و روش مقياسي براي بيان تأثير پراگندگي غير ايزوتروپيك پوست استفاده شده است. صحت سنجي با كارهاي ديگر محققين صورت پذيرفته است و در نهايت، اثر تغيير پارامتر هاي نوري و فيزيكي بافت مانند ضريب تشعشع-رسانش، ضريب پراكنندگي البدو، ضريب ميرايي، اثر جريان خون و تاثير تغييرات شار ليزر بر زمان افزايش دماي بافت و عمق نفوذ حرارت بررسي گرديده است. لازم به ذكر است كه مطالعه حاضر را مي توان به عنوان يك كار ارزشمند پايه اي و راهنماي مفيد، جهت توسعه كاربردهاي شبيه سازي هاي عددي اثر ليزر در بافت زنده در درمان، جراحي و همچنين كارهاي تشخيصي در نظر گرفت.

In the present work, the thermal effects of a CW laser on skin tissues with blood perfusion are simulated. For this purpose, a one-dimensional medium is considered that is exposed to the laser beams from one side and the other side is at the constant temperature (37 ) because of being touched by other parts of the body. The laser beams are considered to be collimated and perpendicular to the surface of the tissue. The skin tissue is a strong anisotropic scattering medium and is assumed to be gray with black walls. Also, the blood perfusion is considered in the bioheat transfer equation of the skin tissue. The governing equations of this problem are radiative heat transfer coupled with conductive heat transfer in which the discrete ordinates method, finite volume method and scaling method are used to solve the radiative transfer equation, the energy equation and to model the anisotropic scattering of the tissue, respectively. Validation of the model is performed by comparison with the other related works. Then, the effects of different optical and physical parameters of tissue such as conduction-radiation parameter, scattering albedo, extinction coefficient, blood perfusion and the effects of laser power on the time of temperature increase of the tissue and thermal penetration depth are studied. It should be mentioned that the results of the present study show valuable guidance for understanding the coupled light and bioheat transport in tissues in therapy, surgery and diagnostic tasks.