Проникновение лазерного света при 808 и 980 нм в образцах бычьей ткани

  1. Аннотация
  2. Вступление
  3. Материалы и методы
  4. Источники света
  5. Таблица 1.
  6. Измерительные приборы и программное обеспечение
  7. Настроить
  8. Результаты
  9. Таблица 2.
  10. Таблица 3
  11. обсуждение
  12. Выводы
  13. Рекомендации

Фотомед Лазер Сург. Апрель 2013 г .; 31 (4): 163–168.

Respond Systems, Inc., Бранфорд, Коннектикут.

Адрес переписки: Дональд Э. Хадсон, Respond Systems, Inc., 20 Болдуин Драйв, Бранфорд, CT 06405. E-mail: [email protected] Эта статья была цитируется другие статьи в PMC.

Аннотация

Цель: Целью данного исследования было сравнение проникновения лазерного излучения с длиной волны 808 и 980 нм через образцы бычьей ткани толщиной 18–95 мм. Предпосылки данные: Низкий уровень лазерной терапии (НИЛИ) часто используется для лечения опорно - двигательного аппарата патологий. Некоторые из терапевтических целей имеют глубину несколько сантиметров. Методы: лазерный свет при 808 и 980 нм (1 Вт / см2) проецировался через образцы бычьей ткани толщиной от 18 до 95 мм. Измерения плотности мощности были проведены для каждой длины волны на различных глубинах. Результаты: для 808 нм 1 мВт / см 2 был достигнут при 3,4 см, но для 980 нм 1 мВт / см 2 был достигнут только при глубине ткани 2,2 см. Выводы: было установлено, что 808 нм света проникает на 54% глубже, чем 980 нм света в бычьей ткани.

Вступление

Л лазерной терапии вл уровня (НИЛИ) является световая терапия часто используется для лечения опорно-двигательного аппарата патологий. Некоторые из терапевтических целей могут быть глубиной в несколько сантиметров, например, грушевидные мышцы и мышцы поясничной мышцы, тазобедренные суставы, межпозвоночные диски и спинной мозг. Бирнес и соавт. я обнаружили, что ближний инфракрасный свет в диапазоне 770–850 нм проникает глубже через ткань крыс Спраг-Доули, чем красный свет или более длинные инфракрасные волны, до 1200 нм. Они проецировали широкополосный свет через кожу спины через грудные позвонки и использовали оптоволоконный зонд, прикрепленный к спектрофотометру, для сбора данных на различных слоях ткани. Они обнаружили, что глубина проникновения зависит от длины волны, при этом максимальное проникновение достигается между 770 и 850 нм. Впоследствии они выбрали 808 нм для проведения экспериментов по травме спинного мозга, потому что это была максимальная длина волны проникновения в их исследовании. Целью данного исследования было сравнение проникновения лазерного излучения с длиной волны 808 и 980 нм через образцы ткани быка толщиной 18–95 мм.

Материалы и методы

Образцы тканей

Мы выбрали образцы постной бычьей ткани для этого исследования. По словам Силезиса и Уэлча, б «Неизбежная деформация и обращение с тканью, такие как сушка, замораживание и обезвоживание, особенно приводят к серьезному влиянию на оптические свойства ткани». Чтобы минимизировать эти эффекты, для каждой тестируемой длины волны использовались только свежие образцы бычьей ткани, а также тесты были сделаны как можно быстрее с минимальной обработкой. Толщина образцов в диапазоне от 18 до 95 мм измерялась с помощью метрических штангенциркулей. После того, как образцы бычьей ткани достигли температуры окружающей среды, испытания на них проводились в течение 4–5 мин.

Источники света

Сводка параметров луча показана в. Лазерные источники были подключены к оптоволоконному кабелю 200 мкм, а линзы использовались для расширения луча и преобразования из распределения Гаусса в плоскую вершину, а затем проецировались на бычью ткань для получения луча 1 см2 (см.).

)

Сверхлегкий рисунок перед попаданием в образец ткани.

Таблица 1.

Сводка параметров луча

Длина волны (нм) 808 нм 980 нм Выход (Вт) 1 Вт 1 Вт Освещенная площадь (см2) 1 см2 1 см2 Облучение (Вт / см2) 1 Вт / см2 1 Вт / см2 Профиль луча Top-hat Top-hat Производитель Respond Systems , Inc. Respond Systems, Inc.

Измерительные приборы и программное обеспечение

Параметры луча были измерены с использованием следующих приборов: светоделитель 45/50 с рисунком 50/50, датчик мощности фотодиода PD3000 (Ophir-Spiricon, Inc.), фильтры нейтральной плотности, CCD-камера SP620U, работающий ноутбук Программное обеспечение для анализа лазерного луча Beam Gage © (Ophir-Spiricon, Inc.) и программное обеспечение для измерения мощности LabStar ©. Программное обеспечение лазерного анализатора луча Beam Gage взаимодействует с датчиком мощности Ophir и камерой CCD, собирает результаты измерения мощности в реальном времени и интегрирует их. Эта система является такой же точной, как глава Института стандартов и технологий. Это устраняет необходимость ручной калибровки луча на основе постоянно меняющихся условий настройки.

Настроить

Сплиттер, который не зависит от длины волны, после ручной коррекции делит свет на два равных луча, каждый на половину интенсивности оригинала. Один из этих лучей был направлен на датчик мощности, а другой был направлен на ПЗС-камеру. Нейтральные фильтры, вставленные между светоделителем и камерой, предотвращали насыщение приемника в камере. Программное обеспечение компенсировало затухание, вызванное фильтрами.

Конфигурация оборудования, показанная на рисунке, позволяет нам получать двух- или трехмерные световые диаграммы плотности мощности. Данные, предоставленные системой Beam Gage, точны до четырех значащих цифр, и они также предоставляют цветные изображения, которые могут быть связаны с плотностью мощности.

Конфигурация для компонентов для двух- и трехмерных изображений лазерного света, выходящего из образца мяса.

На двумерной диаграмме показано лазерное излучение с длиной волны 808 нм, мощностью 1 Вт, проецируемое через 6,4 см образец свежей бычьей ткани. Диаграмма луча обычно имеет круглую форму, как ожидалось. Центр имеет ярко-красный цвет и указывает самое высокое значение плотности мощности, за которым следует желтый, который немного ниже по плотности мощности, а затем зеленый и, наконец, синий, очень низкое значение. Белые нерегулярные пятна в центре рисунка являются точками насыщения датчика камеры, и в профиль Beam Gage вносятся корректировки, чтобы минимизировать эти пятна.

Лазерный свет двухмерный рисунок.

Тот же кусок свежей бычьей ткани показан на трехмерном изображении в. Все трехмерные световые картины выглядят так, как будто кто-то смотрит вниз на участок ткани. Камера сфокусирована на образце бычьей ткани, где лазерный свет выходит из образца мяса; поэтому камера находится на расстоянии 11,625 см от образца. Некоторая часть энергии, излучаемой в ткань, поглощается в образце бычьей ткани; камера записывает рассеянный лазерный свет, выходящий из поверхности.

Лазерный свет трехмерный рисунок.

Многие детали, неочевидные в двухмерном представлении, можно увидеть в трехмерном представлении. Вертикальная шкала представляет собой меру плотности мощности (выбранную как мкВт / см2), а шкала на горизонтальной оси была выбрана для предоставления данных о ширине рисунка в микрометрах.

Многие из трехмерных моделей, полученных в тестах, показывают заметное изменение плотности мощности на поверхности ткани. В некоторых локальных точках пропускание лазерного света намного выше, чем в других точках. Niemz III Подведены итоги исследовательской работы многих ученых относительно оптических свойств тканей человека in vitro . Данные свидетельствуют о широком диапазоне коэффициентов поглощения, а также коэффициентов рассеяния для кости, кожи, крови и мышц в зависимости от длины волны. Следовательно, неудивительно, что трехмерные диаграммы направленности лазерного излучения отображают области плотности мощности с высоким или низким поглощением лазерной энергии в зависимости от типа ткани, с которой встречаются.

Результаты

Измерения мощности и плотности мощности были проведены с 10 различными толщинами образца ткани, чтобы построить линию наилучшего соответствия на графике, сгенерированном с помощью Microsoft Office Excel 2010. Линии были сгенерированы с использованием параметра экспоненциальных линий тренда в Excel. Этот параметр также создал уравнения, которые были использованы для прогнозирования дополнительных точек данных на графике. Измерения мощности и плотности мощности показаны в. Используя экспоненциальное уравнение наилучшего соответствия, точки данных были рассчитаны для толщин 0,1–10 см, как показано на рис. Линии тренда, на которых изображены измеренные и рассчитанные данные плотности мощности, показаны на рис. Ось «Y» (обозначенная «Толщина мяса см») представляет собой линейную шкалу, а ось «X» (обозначенная «Плотность мощности, Вт / см2») - это логарифмическая шкала.

Ось «Y» (обозначенная «Толщина мяса см») представляет собой линейную шкалу, а ось «X» (обозначенная «Плотность мощности, Вт / см2») - это логарифмическая шкала

Фактическая и прогнозирующая мощность дантистов при измерениях света 808 и 980 нм.

Таблица 2.

Измерения мощности и плотности мощности

Толщина образца ткани в смДлина волны источникаМощность в мВтСредняя плотность мощности в мВт / см2

1,8 808 4,0 10,8 3,3 808 0,36 0,99 6,2 808 0,010 0,0272 7,5 808 0,00125 0,0032 9,53 808 0,000098 0,000216 1,92 980 0,85 2,64 2,8 980 0,1 0,311 3,9 980 0,0095 0,0262 5,65 980 0,000620 0,001640 7,0 980 0,000070 0,000185

Таблица 3

808 нм, данные Avg.плотность мощности (Вт / см2)Наилучшее соответствие (см)y = −0,72ln (x) - 1,5288980 нм, данные Avg.Плотность мощности (Вт / см2)Идеально подходит (см)у = -0.535ln (х) - 1,4556

0,100000 0,100000 0,129061267 -0,223716975 0,030000 0,030000 0,995921686 0,420408475 1,786922534 0,010000 0,010000 0,003000 1,00816605 2,653782953 0,003000 1,6522915 0,001000 0,001000 3,444783801 2,240049074 4,31164422 0,000300 0,000300 0,000100 2,884174525 5,102645068 0,000100 3,471932099 5,969505487 0,000030 0,000030 0,000010 4,116057549 6,760506335 4,703815124 0,000010 0,000003 0,000003 7,627366754 5,347940574 8,418367602 0,000001 0,000001 5,935698149 9,285228021 0,0000003 0,0000003 6,579823599 0,0000001 0,0000001 10,07622887 7,167581173 0,00000003 0,00000003 10,94308929 7,811706624 0,00000001 0,00000001 8,399464198 +11,73409014

обсуждение

Поскольку наклоны измеренной мощности в зависимости от толщины для 808 и 980 нм различны, проникновение, которое мы видим при лазерном излучении 808 и 980 нм, варьируется при разных уровнях плотности мощности. Например, при измеренной мощности 1 мВт / см2 глубина проникновения составляет 3,4 см для 808 нм, а при том же измеренном уровне плотности мощности глубина проникновения для 980 нм составляет 2,2 см. Проникновение на этом уровне мощности улучшилось> 54% при 808 нм. При уровне мощности 1000 нВт / см2 глубина проникновения для лазера 808 нм составляет 8,4 см, в отличие от 5,9 см для лазерного излучения 980 нм. На этом уровне мощности проникновение улучшилось на 42% с лазером 808 нм.

Двумерные и трехмерные изображения проникновения лазерного излучения в образец ткани показывают поглощение и рассеивание света в ткани на разных длинах волн и иллюстрируют полученные нами данные. В нашем исследовании мы использовали лазерный источник света с изображением верхней шляпы , показанной на рисунке, что означает, что лазерный свет выходил из лазерного зонда с одинаковой плотностью мощности через линзу зонда. Это похоже на старомодный цилиндр. Преимущество лазерной диаграммы направленности состоит в том, что на лазерной диаграмме нет пятен с неравномерной плотностью мощности, которые могли бы обжечь или раздражить ткань. Эта картина была очевидна как раз перед тем, как лазерный луч вошел в образец ткани.

Мы сравнили тот образец лазерного излучения, попадающего в образец ткани, с лазерным лучом при 808 нм, который оставляет образец после 3,3 см толщины ткани, как показано на рис. Лазерный свет теперь распространяется на гораздо большую площадь; рисунок цилиндра исчезает и заменяется гауссовым световым рисунком различной формы. Мы использовали термин «различные формы», чтобы привлечь внимание к тому факту, что при испытаниях лазерного излучения с длиной волны 808 нм гауссовская картина, сформированная в более тонких участках образца, была близка к нормальному распределению (кривая в форме колокола). По мере увеличения толщины жирные хвосты начали появляться по гауссовому рисунку, и он стал более плоским.

По мере увеличения толщины жирные хвосты начали появляться по гауссовому рисунку, и он стал более плоским

Лазерный луч 808 нм на глубине 3,3 см.

Измеритель луча позволяет рассчитать коэффициент, называемый шероховатостью прилегания, для этих моделей, тем самым предоставляя метод для сравнения диаграммы лазерного излучения, генерируемой со стандартом. Обратите внимание на неровную поверхность трехмерного лазерного светового рисунка. Эти пики и впадины являются результатом прохождения лазерного света через различные типы тканей с различными значениями коэффициентов поглощения и рассеяния.

Лабораторные тесты с использованием длины волны 980 нм дали очень разные световые паттерны на выходе после 2,8 см ткани, как показано на рис. В целом, сформированные образцы были заметно более плоскими. Цвета, показанные на 808 нм, сохраняют более интенсивный оранжевый и желтый, в то время как рисунок 980 нм имеет гораздо меньшую интенсивность, с соответствующим синим и фиолетовым, даже несмотря на то, что свет 808 вышел из образца ткани на 17% толще.

Цвета, показанные на 808 нм, сохраняют более интенсивный оранжевый и желтый, в то время как рисунок 980 нм имеет гораздо меньшую интенсивность, с соответствующим синим и фиолетовым, даже несмотря на то, что свет 808 вышел из образца ткани на 17% толще

Лазерный луч 980 нм на глубине 2,8 см.

В объем этой исследовательской работы не входит изучение тепловых эффектов на микроскопическом уровне для лазерного излучения с длиной волны 808 и 980 нм. В процессе лазерной терапии наблюдается повышение температуры от передачи энергии фотона к кинетической энергии, что следует изучить для разных длин волн.

Выводы

Мы решили сравнить проникновение лазерного излучения 808 против 980 нм через образцы бычьей ткани и обнаружили, что свет с длиной волны 808 нм проникает на 54% глубже, чем 980 нм.

Рекомендации

1. Бирнс К.Р. Уэйнант Р.В. Ильве И.К. У Х. Барна Л. Смит К. Хеккерт Р. Герст Х. Андерс Дж. Дж. Лайт способствует регенерации и функциональному восстановлению и изменяет иммунный ответ после повреждения спинного мозга. Лазеры Сург. Med. 2005; 36: 171–185. [ PubMed ] [ Google ученый ] 2. Силезиз И.Ф., Уэлч А.Я. Легкая дозиметрия: влияние дегидратации и термического повреждения на оптические свойства аорты человека. Appl. Оптик 1993; 32: 477–487. [ PubMed ] [ Google ученый ] 3. Немз М.Х. Лазерно-тканевое взаимодействие. Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк: Springer-Verlag; 2007 г., [ Google ученый ] Статьи по фотомедицине и лазерной хирургии предоставлены здесь благодаря любезности Мэри Энн Либерт, Inc.