المحاكاة العددية للتوزيع الحراري في نسيج حي متعدد الطبقات (البشرة – الأدمة – الدهون) عند تعرّضه لنبضة ليزر YAG ذات شكل غاوسي باستخدام معادلة النقل الحراري الحيوي لبينيس (Pennes’ Bioheat Transfer Equation)
الكلمات المفتاحية:
الفيزياء الليزرية، الليزر الطبي، توزيع الحرارة، ليزر (ياج)، الجلد، نبض غاوسي، محاكاة عددية، معادلةالملخص
تتناول هذه الورقة بناء نموذج عددي متقدم لدراسة التوزيع الحراري في نسيج حي متعدد الطبقات (البشرة، الأدمة، النسيج الدهني) عند تعريضه لنبضة ليزر نبضي من نوع (ياج) ذات نمط غاوسي من حيث الزمان والمكان، يعتمد النموذج على صياغة معادلة "بينيز" للتوصل الحراري مع مراعاة الخواص الحرارية والبصرية لكل طبقة على حدة، بما في ذلك معامل الإمتصاص، والتوصيل، والكثافة، والسعة الحرارية النوعية.
تم تنفيذ المحاكاة باستحدام طريقة الفروقات المحدودة لمحاكاة تطور درجة الحرارة داخل النسيج بدلالة الزمن والعمق وذلك في ظروف نبضة قصيرة زمنيا ( أقل من ثانية ) ذات توزيع طاقي غير متجانس. أظهرت النتائج سلوكا حراريا ديناميكيا يتوافق مع التوزيع النظري للنبضة وتم عرض النتائج بشكل بياني ملون لتمكين الفهم البصري العميق لآلية انتشار الحرارة داخل النسيج.
تفتح هذه الدراسة آفاقا باستخدام المحاكاة الحرارية الدقيقة في تحسين فعالية العلاجات الليزرية الطبية، وتقديم تصور مسبق عن التأثيرات الحرارية في الجلد، بما يساهم في تقليل الأضرار الغير المرغوب فيها على الأنسجة المجاورة.
المراجع
H. H. Pennes, "Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm," Journal of Applied Physiology, vol. 1, no. 2, pp. 93–122, 1948.
A. J. Welch and M. J. C. van Gemert, Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue, 2nd ed., New York: Springer, 2011.
X. Xu, L. Zhu, and Z. Guo, "Numerical investigation on photothermal interaction between short-pulsed laser and tissues," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, no. 15, pp. 3163–3172, 2002.
H. Y. Huang and D. Y. Tzou, "Evaluation of thermal damage in living biological tissues subjected to laser heating," Applied Thermal Engineering, vol. 21, no. 15, pp. 1441–1461, 2001.
L. Jia and J. Liu, "Modeling of temperature distribution in multilayer biological tissue irradiated by laser with a pulse duration," Journal of Biomedical Optics, vol. 21, no. 10, p. 105002, 2016.
M. S. Arif and T. Latif, "Numerical simulation of temperature distribution in multi-layer skin tissue induced by short-pulsed laser," Biomedical Engineering Letters, vol. 8, no. 4, pp. 417–425, 2018.
E. Majchrzak and B. Mochnacki, "Modelling of laser ablation process using the boundary element method," Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, vol. 19, no. 1, pp. 15–23, 2012.
H. M. Al-Qahtani, "Laser–tissue interaction modeling and simulation using bioheat equation," Saudi Journal of Biological Sciences, vol. 27, no. 1, pp. 70–75, 2020.
M. A. Alwan and A. A. Hadi, "A Numerical Study of Laser Effect on Biological Tissues by Using Pennes Bio-Heat Equation," Iraqi Journal of Physics, vol. 20, no. 1, pp. 29–37, 2022.
