Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека

Содержание

 

Введение

1.1 Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека

1.1.1 Строение кожи человека

1.1.2 Воздействие лазерного излучения на кожу человека

1.1.3 Преимущества и недостатки лазерной эпиляции

1.1.4 Предельно-допустимые уровни лазерного излучения

1.2 Обзор промышленных аналогов

1.3 Обзор патентной и технической литературы

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Разработка общего вида установки

2.1.2 Описание принципа действия установки

2.2 Расчёт оптической системы

2.2.1 Расчет плотности мощности падающего лазерного излучения Wпад. на кожу человека

2.2.2 Расчет линзы для ввода лазерного излучения в световод

2.2.3 Расчет линзы фокусировки лазерного излучения в эпиляторе

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение

Целью данного курсовой работы является обоснование целесообразности усовершенствовании лазерной установки «Квант-15М», проведение патентно-информационного поиска подобных установок, выпускаемых на мировом рынке, анализ их свойств, возможностей и технических характеристик и выбор направления модернизации на его основе.

В курсовой работе произведен расчет параметров линзы фокусировки, для ввода лазерного излучения в световод; расчёт плотности лазерного излучения, падающего на кожу человека, и расчёт изменения степени поглощения лазерного излучения разными слоями кожи человека.

 

Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека

Строение кожи человека

Кожа с ее поверхностью 1,5-2 квадратных метра представляет собой самый большой орган человеческого тела. Она выполняет многочисленные функции. Состояние кожи зависит от возраста, питания и образа жизни. Особенно это касается кожи лица, потому что на ней сильнее сказываются все вредные воздействия окружающей среды. К тому же лицо - самая открытая часть кожных покровов и нуждается в тщательном уходе.

Наша кожа - это:

• около 5 млн.волосков; - общая площадь поверхности кожи составляет 1,5-2 квадратных метра;

• содержит 60% влаги, у детей до 90%;• сто пор на каждый квадратный сантиметр;

• 200 рецепторов на каждый квадратный сантиметр;

• средняя толщина кожи 1-2 мм;

• кожа чуть грубее и толще на подошвах, тоньше и прозрачнее на веках;

• вес кожи без гиподермы составляет 4-6% общего веса тела;

• в среднем 18 кг ороговевшей и вновь заменившейся кожи в течение всей жизни взрослого человека.

Кожа имеет очень сложное строение, ее пронизывает огромное множество сосудов, нервов, протоков сальных и потовых желез.

Очень упрощенно строение кожи можно описать так:

1. Наружный слой кожи – эпидермис, образованный лежащими друг над другом в несколько десятков слоев эпителиальными клетками. Верхняя часть эпидермиса, имеющая непосредственный контакт с внешней средой, - роговой слой. Он состоит из состарившихся и ороговевших клеток, которые постоянно слущиваются с поверхности кожи, и заменяются молодыми, мигрирующими из глубоких слоев эпидермиса. (Полное обновление эпидермиса, например, на подошве длится около месяца, а на локтевом сгибе – 10 дней). Роговому слою мы обязаны тем, что наше тело не высыхает и внутрь не проникают чужеродные вещества и возбудители болезней. Существенную помощь в этом оказывает так называемая защитная кислотная мантия (называемая также гидро-липидной мантией), которая покрывает поверхность кожи тонкой пленкой. Она состоит из жира сальных желез, из пота и из составных частей вязких субстанций, которые связывают отдельные роговые клетки. Защитную кислотную мантию можно рассматривать в качестве собственного крема кожи. Она слегка кисловата (по сравнению со щелочной средой, потому и называется кислотной) — химическая среда, в которой обычно погибают бактерии и грибки. В самом глубоком слое эпидермиса расположены меланоциты – клетки, вырабатывающие пигмент меланин. От количества этого пигмента зависит цвет кожи – чем его больше, тем она темнее. Образование меланина усиливается под действием ультрафиолетовых лучей, именно он является причиной загара. У блондинов и рыжеволосых людей со светлой кожей меланина намного меньше, чем у темноволосых и смуглых.

2. Следующий слой – дерма – также неоднороден. В его верхней части, расположенной непосредственно под эпидермисом, находятся сальные железы. Их выделения вместе с секретом потовых желез образуют на поверхности кожи тонкую пленку – водно-жировую мантию, которая предохраняет кожу от вредных воздействий и микроорганизмов. Лежащие ниже эластичные волокна придают коже упругость, а коллагеновые волокна – прочность.

3. И, наконец, третий слой кожи – гиподерма (или подкожная клетчатка) – служит теплоизолирующей прокладкой и смягчает механические воздействия на внутренние органы.

Собственно кожа состоит из двух слоев — сосочкового и сетчатого. В ней имеются коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна, составляющие каркас кожи.

В сосочковом слое волокна нежнее, тоньше; в сетчатом они образуют более плотные пучки. На ощупь кожа плотна и отличается упругостью. Эти качества зависят от наличия в коже эластических волокон. В сетчатом слое кожи расположены потовые, сальные железы и волосы. Подкожная жировая клетчатка в различных частях тела имеет неодинаковую толщину: на животе, ягодицах, ладонях она развита хорошо; на ушных раковинах красной кайме губ она выражена очень слабо. У тучных людей кожа малоподвижна, у худых и истощенных людей она легко смещается. В подкожной клетчатке откладываются запасы жира, которые расходуются при болезнях или в других неблагоприятных случаях. Подкожная клетчатка защищает организм от ушибов, переохлаждений. В собственно коже и подкожной клетчатке находятся кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, волосяные фолликулы, потовые и сальные железы, мышцы.

 

Преимущества и недостатки лазерной эпиляции

Благодаря локальному, короткому по времени воздействию (мкс) и быстрому охлаждению, лазерная эпиляция безболезненна и эффективна, поэтому анестезия не применяется. Быстрота метода поражает: менее 5 минут удаляются, например, волосы над верхней губой. Точность лазерных технологий настолько высока, что полностью исключает ошибку врача.

Другим несомненным преимуществом лазерной эпиляции является высокий коэффициент удаления волос (kill ratio) - процент навсегда удаленных волос за одну процедуру. Таким образом, за 3-5 процедур лазерной эпиляции вы избавляетесь от волос навсегда, а кожа станет безукоризненно гладкой и шелковистой.

Недостатки лазерной эпиляции - существующие ограничения при светлой коже и светлых волосах, а также ее высокая стоимость по сравнению с другими методами. Она зависит от количества импульсов лазерного луча, что в свою очередь определяется площадью эпиляции, количеством волос и их структурой (при жестких, темных волосах - дороже, при мягких - дешевле).

 

Расчетно-конструкторская часть

Описание блок-схемы прибора

Напряжение 220В силовой сети переменного двухфазного тока поступает на блоки питания лазера и щелевой лампы. Затем питание поступает на выпрямитель, и через выпрямитель на разрядный коммутатор. С помощью которого врач-офтальмолог задает следующие необходимые параметры: мощность лазерного излучения, время экспозиции и количество импульсов. После этого электрическая энергия W подаётся в оптико-механическую систему для питания лампы накачки. Для получения необходимой длительности импульса в разрядной цепи емкостного накопителя установлены катушки индуктивности. Для первоначальной ионизации разрядного промежутка импульсной лампы питания лазера и поддержания его в проводящем состоянии служит блок «поджига» и источник «дежурной дуги» соответственно.

Управление моментом начала разряда емкостного накопителя на импульсную лампу и отключение последней на период заряда накопителя производится разрядным коммутатором.

Лазер вырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, который поступает в оптическую систему оптико-механического блока, фокусирующего излучение на поверхность кожи пациента. Выпрямитель, источник тока и емкостной накопитель энергии служат для электропитания импульсной лампы питания лазера.

Система охлаждения поддерживает нормальный тепловой режим работы лазера. В системе охлаждения используется пластиковый бак, насосы и теплообменники зарубежного производства.

Для контроля энергии импульса лазера служит индикатор энергии ИЭ-ЗА.

Система управления СУМ-10А служит для управления источником питания.

Оптико-механический блок имеет основание, на котором установлен лазер, который вместе с оптической системой оптико-механического блока закрыты кожухами. К оптико-механическому блоку подсоединён кварцевый световод, по которому лазерное излучение подаётся на эпилятор, при помощи которого оператор (косметолог) удаляет волосы с кожи человека. Управление включением и выключением лазерного излучения косметолог производит нажатием ногой на педаль, подсоединённую к блоку управления СУМ-10А и установленную на полу, возле процедурного кресла.

 

Расчёт оптической системы

 

Расчет оптической системы ведется по эквивалентным схемам с учетом главных плоскостей, апертурных углов и увеличения.

 

Wпад. на кожу человека

 

(1.1)

 

(1.2)

 

Для установки «Квант-15М»

Длительность импульсов будет равна: τmin=5 мс=5*10-3с,

τmax=50 мс=5*10-2с, энергия импульса Е=20 Дж, длина волны лазера λ=1.064*10-5 см, диаметр пятна лазера dср=0.001 см.

 

[см2](1.3)

 

Подставляем в формулу (1.2):

Для минимальной длительности имульса τmin=5*10-3с:

 

(1.4)

 

Для эпидермиса, коэффициент поглощения α=31см-1, глубина слоя 0,01 см. получим:

(1.5)

 

Для дермы, коэффициент поглощения α=23см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:

 

(1.6)

 

Для максимальной длительности имульса τmax=5*10-2с:

 

(1.7)

 

Для эпидермиса, коэффициент поглощения α=31см-1, глубина слоя 0,01 см, степень отражения R=0.32 получим:

 

(1.8)

 

Для дермы, коэффициент поглощения α=23см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:

 

(1.9)

 

Для установки «Лазулет»

Длительность импульсов будет равна: τ=1*10-8с, энергия импульса

Е=3*10-4 Дж, длина волны λ=0.26*10-3 см, диаметр несфокусированного пятна (эпиляция волокном) d=0.06 см.

(1.10)

 

Подставляем в формулу (Wпад):

 

(1.11)

 

Для эпидермиса, коэффициент поглощения α=1000см-1, глубина слоя 0,01 см. получим:

 

(1.12)

 

Для дермы, коэффициент поглощения α=26см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:

 

(1.13)

 

Для сфокусированного пятна d=1*10-3 см.

 

(1.14)

 

Подставляем в формулу (qпад):

 

(1.15)

 

Для эпидермиса, коэффициент поглощения α=1000см-1, глубина слоя 0,01 см. получим:

 

(1.16)

 

Для дермы, коэффициент поглощения α=26см-1, глубина слоя 0,02 см. получим:

 

(1.17)

 

В таблице 2 приведены рассчитанные характеристики для приборов «Квант-15» и «Лазулет», из которых видно как изменятся степень поглощения лазерного излучения в зависимости от изменения глубины кожного покрова человека.

 

Таблица 2. Сравнение изменения степеней поглощения, в зависимости от глубины слоя кожи.

Название установки	Размер пятна, падающего на слой кожи [см]	Время импульса [с]	Степень поглощения Wпогл [Вт/см2]
Эпидермис Х=100 мкм	Дерма Х=200 мкм
«Квант-15М»	d=1*10-3	τmin=5*10-3
τmax=5*10-2
«Лазулет»	dнесф..=6*10-2	τconst=1*10-8с
dсфокусир.=1*10-3

 

Из полученных результатов видно, что с уменьшением времени воздействия лазерного излучения, и радиуса пятна лазера, повышается степень поглощения qпогл кожи, причём у каждого слоя кожи - по разному. Из приведённых в таблице 2, полученных результатов наглядно видно, как изменяется степень поглощения у эпидермиса и дермы.

 

Эпиляторе

Данная линза является двояковыпуклой и выполнена из стекла марки К8. Она формирует пучок с круговым сечением, а также фокусирует лазерное излучение, выходящее из световода, в эпиляторе на кожу человека. Рассчитаем её параметры. Исходные данные: диаметр кварцевого световода D=0.6мм; Считаем, что выходной световой диаметр d=0,3мм (диаметр пятна лазера), т.к. берём среднее значение; расходимость излучения Θ=0.1 рад; частота лазерного излучения λ=1.064*10-3м-1; кратность =3; Т.к. мы ввели внутрирезонаторную диафрагму, то считать будем фокусировку для центральной моды ТЕМ00, то m=0. Расчетные формулы для неё имеют вид:

Находим фокус линзы из формулы:

 

(1.35)

(1.36)

[мм](1.37)

 

 

Заключение

 

В данном курсовом проекте была проведена модернизация оптической схемы лазерной установки для эпиляции волос «Квант-15» путем внедрения в неё кварцевого световода, а также усовершенствованием. Соответственно, проведен расчет модернизированной оптической системы.

В процессе выполнения данного курсового проекта были выявлены основные направления для модернизации данной установки:

· Первое – повышение точности наводки лазерного излучения на область воздействия лазера, также для облегчения работы косметолога и из-за труднодоступности некоторых зон эпиляции и сложным рельефом кожного покрова человека одним из основных направлений модернизации установки была выбрана модернизация оптико-механической системы, в частности замена телескопической системы кварцевым световодом по которому лазерное излучение будет передаваться непосредственно на эпилятор, при помощи которого врач легко сможет производить эпиляцию волос с тела пациента;

· Второе - локализация воздействия лазерного излучения внутри фолликулы волоса, с помощью внедрения в оптическую систему внутрирезонаторной диафрагмы, для выделения модового состава излучения, уменьшения угловой расходимости и снижения мощности излучения

В процессе расчета был выбран световод d=600 мкм. Типа кварц-кварц, со следующими техническими характеристиками: длина световода l=2 м., потери при прохождении излучения через световод из-за неоднородности материала не более 50%. Были рассчитаны параметры внутрирезонаторной диафрагмы, линзы фокусировки для введения излучения в световод и фокусировки излучения на коже человека (в эпиляторе).

Также были рассчитаны изменения степеней поглощения лазерного излучения кожей, отдельными слоями (эпидермис, дерма) для установок «Квант-15М» и Лазулет, для анализа зависимости изменения степени поглощения кожи от размера фокусирующего пятна и продолжительности импульса.

Также была выбрана модернизация системы охлаждения и упрощение конструкции установки, уменьшение её габаритных размеров и внедрение в оптико-механическую систему пилотного лазера, для удобства наведения луча лазера на нужную точку на коже человека, во время процедуры эпиляции.

Результат ТЭО: Лазерная установка «Квант-15М» предназначена для шовной и точечной сварки, резки, термообработки различных материалов. Укомплектована новым компактным, высокостабильным источником питания. Технические характеристики: Лазерная установка «Квант-15М» является Твердотельный лазером с импульсным режимом генерации, длиной волны излучения 1,06 мкм, энергия излучения составляет 8 Дж, потребляемая мощность 12 кВт, Габариты лазера или по-другому станка составляет 1000*960*1200 и весом 200 кг. Стоимость составляет 825 000 рублей.

С точки зрения экономики лазерная установка «Квант-15» является одним из ведущих лазерных установок, так как этот станок используют в разных сегментах рынка и в разных отраслях лазерной индустрии.

 

Список используемой литературы:

 

1. Дж. Рэди. Действие мощного лазерного излучения. Перевод на русский язык. –М.: Изд – во “ Мир “, 1974. -468с.

2. Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1998.-384 с.

3. Климков В.В. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами, Москва «Советское радио», 1978.-264 с., ил.

4. Справочник конструктора оптико-механических приборов. /В.А. Панов, М.Я. Кругер, В.В. Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А. Панова. – Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ние, 1980. – 742 с.

5. Бегунов Б.Н. Геометрическая оптика. – М.: МГУ, 1966. – 210с.

6. Амбарцумян М.А. Применение полупроводниковых лазеров. //Лазерная техника и оптоэлектроника,1992,№3-4. с.62-74.

7. Малышев Б.Н. Лазерная медицинская техника в НИИ «Полюс».// Лазерная техника и оптоэлектроника, 1991,№4-5. с.45-63.

8. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М., «Машиностроение», 1973 - 488с.

9. Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. – М.: Наука, 1989. – 203 с.

10. Статья из интернета, с сайта www.medteh.ru «ФОТОЭПИЛЯЦИЯ: научный и практический аспекты», Нина Цисанова - врач-дерматолог, косметолог, ведущий специалист в России по методам селективного фототермолиза. 2003 г.

 

Содержание

 

Введение

1.1 Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека

1.1.1 Строение кожи человека

1.1.2 Воздействие лазерного излучения на кожу человека

1.1.3 Преимущества и недостатки лазерной эпиляции

1.1.4 Предельно-допустимые уровни лазерного излучения

1.2 Обзор промышленных аналогов

1.3 Обзор патентной и технической литературы

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Разработка общего вида установки

2.1.2 Описание принципа действия установки

2.2 Расчёт оптической системы

2.2.1 Расчет плотности мощности падающего лазерного излучения Wпад. на кожу человека

2.2.2 Расчет линзы для ввода лазерного излучения в световод

2.2.3 Расчет линзы фокусировки лазерного излучения в эпиляторе

Заключение

Список использованной литературы

 

Введение

Целью данного курсовой работы является обоснование целесообразности усовершенствовании лазерной установки «Квант-15М», проведение патентно-информационного поиска подобных установок, выпускаемых на мировом рынке, анализ их свойств, возможностей и технических характеристик и выбор направления модернизации на его основе.

В курсовой работе произведен расчет параметров линзы фокусировки, для ввода лазерного излучения в световод; расчёт плотности лазерного излучения, падающего на кожу человека, и расчёт изменения степени поглощения лазерного излучения разными слоями кожи человека.

 

Медико-биологические основы взаимодействия лазерного излучения с кожей человека

Строение кожи человека

Кожа с ее поверхностью 1,5-2 квадратных метра представляет собой самый большой орган человеческого тела. Она выполняет многочисленные функции. Состояние кожи зависит от возраста, питания и образа жизни. Особенно это касается кожи лица, потому что на ней сильнее сказываются все вредные воздействия окружающей среды. К тому же лицо - самая открытая часть кожных покровов и нуждается в тщательном уходе.

Наша кожа - это:

• около 5 млн.волосков; - общая площадь поверхности кожи составляет 1,5-2 квадратных метра;

• содержит 60% влаги, у детей до 90%;• сто пор на каждый квадратный сантиметр;

• 200 рецепторов на каждый квадратный сантиметр;

• средняя толщина кожи 1-2 мм;

• кожа чуть грубее и толще на подошвах, тоньше и прозрачнее на веках;

• вес кожи без гиподермы составляет 4-6% общего веса тела;

• в среднем 18 кг ороговевшей и вновь заменившейся кожи в течение всей жизни взрослого человека.

Кожа имеет очень сложное строение, ее пронизывает огромное множество сосудов, нервов, протоков сальных и потовых желез.

Очень упрощенно строение кожи можно описать так:

1. Наружный слой кожи – эпидермис, образованный лежащими друг над другом в несколько десятков слоев эпителиальными клетками. Верхняя часть эпидермиса, имеющая непосредственный контакт с внешней средой, - роговой слой. Он состоит из состарившихся и ороговевших клеток, которые постоянно слущиваются с поверхности кожи, и заменяются молодыми, мигрирующими из глубоких слоев эпидермиса. (Полное обновление эпидермиса, например, на подошве длится около месяца, а на локтевом сгибе – 10 дней). Роговому слою мы обязаны тем, что наше тело не высыхает и внутрь не проникают чужеродные вещества и возбудители болезней. Существенную помощь в этом оказывает так называемая защитная кислотная мантия (называемая также гидро-липидной мантией), которая покрывает поверхность кожи тонкой пленкой. Она состоит из жира сальных желез, из пота и из составных частей вязких субстанций, которые связывают отдельные роговые клетки. Защитную кислотную мантию можно рассматривать в качестве собственного крема кожи. Она слегка кисловата (по сравнению со щелочной средой, потому и называется кислотной) — химическая среда, в которой обычно погибают бактерии и грибки. В самом глубоком слое эпидермиса расположены меланоциты – клетки, вырабатывающие пигмент меланин. От количества этого пигмента зависит цвет кожи – чем его больше, тем она темнее. Образование меланина усиливается под действием ультрафиолетовых лучей, именно он является причиной загара. У блондинов и рыжеволосых людей со светлой кожей меланина намного меньше, чем у темноволосых и смуглых.

2. Следующий слой – дерма – также неоднороден. В его верхней части, расположенной непосредственно под эпидермисом, находятся сальные железы. Их выделения вместе с секретом потовых желез образуют на поверхности кожи тонкую пленку – водно-жировую мантию, которая предохраняет кожу от вредных воздействий и микроорганизмов. Лежащие ниже эластичные волокна придают коже упругость, а коллагеновые волокна – прочность.

3. И, наконец, третий слой кожи – гиподерма (или подкожная клетчатка) – служит теплоизолирующей прокладкой и смягчает механические воздействия на внутренние органы.

Собственно кожа состоит из двух слоев — сосочкового и сетчатого. В ней имеются коллагеновые, эластические и ретикулярные волокна, составляющие каркас кожи.

В сосочковом слое волокна нежнее, тоньше; в сетчатом они образуют более плотные пучки. На ощупь кожа плотна и отличается упругостью. Эти качества зависят от наличия в коже эластических волокон. В сетчатом слое кожи расположены потовые, сальные железы и волосы. Подкожная жировая клетчатка в различных частях тела имеет неодинаковую толщину: на животе, ягодицах, ладонях она развита хорошо; на ушных раковинах красной кайме губ она выражена очень слабо. У тучных людей кожа малоподвижна, у худых и истощенных людей она легко смещается. В подкожной клетчатке откладываются запасы жира, которые расходуются при болезнях или в других неблагоприятных случаях. Подкожная клетчатка защищает организм от ушибов, переохлаждений. В собственно коже и подкожной клетчатке находятся кровеносные и лимфатические сосуды, нервные окончания, волосяные фолликулы, потовые и сальные железы, мышцы.