Studium teplotních charakteristik tkání

Abstract

Tato práce je věnována studiu tepelných dějů v průběhu laser-tkáňových interakcí, konkrétně tepelné interakce a fotoablace. S využitím programu COMSOL Multiphysics byl sestaven a experimentálně ověřen teoretický model rozvoje teplotního pole po ozáření tkáně pulsním laserovým paprskem. Tento model umožňuje pro potřeby medicínských a biomedicínských aplikací předpovídat časový průběh teploty ve zvoleném místě laserem ozařované tkáně. Sestavený model je funkční pro živou i neživou tkáň podle toho, zda je či není započítán odvod tepla krevní perfúzí a tvorba tepla v tkáni metabolickými procesy. Vytvořený model byl experimentálně ověřen porovnáním výstupu modelu s reálným záznamem vytvořeným pomocí termovizní kamery při snímání povrchu vzorku v průběhu ozařování. Pro určování termofyzikálních parametrů tkáně (hustota, měrná tepelná kapacita, tepelná vodivost a difuzivita) byl sestaven a ověřen výpočtový algoritmus, který umožňuje požadované hodnoty snadno vypočítat a do simulačního modelu zadat. Hodnoty těchto veličin jsou počítány na základě znalosti obsahu hlavních chemických kategorií látek (voda, proteiny, sacharidy, lipidy a popeloviny) v tkáni. V práci je popsáno provedení a vyhodnocení experimentů týkajících se laser-tkáňových interakcí. Při experimentech byl jako zdroj záření používán excimerový pulsní laser a jako ozařované vzorky byly použity různé druhy tkání vepře domácího (srdeční a kosterní svalovina, bílá tuková tkáň, kůže, játra a kost). Pro určování hloubky a profilu ablačních kráterů byla vyvinuta a ověřena nová metoda založená na vytvoření a následném vyhodnocení CT snímků. S využitím této metody byla experimentálně určena ablační hloubka a ablační práh pro různé typy tkání. Spektrofotometricky byla proměřena spektrální závislost absorpčního koeficientu pro nehty a ultratenké vzorky hovězího myokardu (0,050 mm). Experimentálně určené hodnoty všech měřených veličin jsou ve shodě s hodnotami získanými v předchozích experimentech a s hodnotami uváděnými v literatuře.

This thesis examines the heat processes during a laser-tissue interaction, namely heat interaction and photoablation. Using the COMSOL Multiphysics program a theoretical model for heat development in tissues following pulse laser irradiation was created and experimentally verified. This model allows predictions for the heat equation in a selected portion of laser irradiated tissue in medical and biomedical applications. The model is applicable for either viable or nonviable tissue depending on whether blood heat transfer and tissue-generated heat through metabolic processes are accounted for. It has been experimentally verified through comparison with a live recording obtained through thermal imaging of a sample's surface during the irradiation. To determine the tissue-specific thermophysical properties (density, specific heat capacity, thermal conductivity and thermal diffusivity) a computational algorithm was assembled and verified. It facilitates calculation of required values and their implementation in the model. These values are calculated using known contents of the main chemical components (water, proteins, saccharides, fats and ash) of tissues The thesis describes the methods and evaluations used in laser-tissue interaction experiments. The experiments were conducted using an excimer pulse laser and various domestic pig tissue samples (heart and skeletal striated muscle, white adipose tissue, skin, liver, and bone). A new method of determining the ablation depth through CT imaging was developed and verified. This method was used to experimentally establish the ablation depth and ablation threshold for various tissue types. The spectral absorption coefficient of nails and ultrathin samples of porcine myocardium (0,050 mm) was confirmed spectrophotometrically. Experimentally obtained values of all measured variables are in accordance with values obtained in previous experiments, and with values available in current publications.