Обоснование места расположения лазера при облучении молодняка овец
Обоснование места расположения лазера при облучении молодняка овец
Аннотация
В ветеринарной науке установлено, что стимуляция низкоинтенсивным лазерным излучением молодняка овец нормализует обменные процессы, повышает продуктивные показатели и снижает заболеваемость молодняка. При этом высокую эффективность имеет данный тип воздействия непосредственно на тимус животного. В то же время применяемые сегодня лазеры предназначены для ручной обработки животных. В связи с этим возникла необходимость применения лазера с низко интенсивным излучением в автоматизированной установке со снижающей трудоемкость проведения этой процедуры. В работе приведены исследования по определению наиболее оптимального расположения лазера в установке и его режима работы. Моделирование основных физических процессов в программном комплексе Comsol Multiphysics позволило установить следующие параметры: луча лазера должен проходить под углом 20° к вертикальной оси, облучение нужно проводить в трех позициях с расстоянием между ними 4,2 см. Тепловизионные исследования поверхностного слоя кожи шеи ягнят после лазерного облучения показали максимальную температуру 43°С, что безопасно для биологических тканей.
1. Введение
В аграрной науке и на производстве постоянно идет поиск новых способов сохранности молодняка животных. Овцеводство входит как составная часть в животноводство, и данная проблема также касается и его. С развитием науки и технологий стало возможным изучать механизмы воздействия на животных физическими факторами, в том числе электромагнитными излучениями на клеточном и молекулярном уровнях
. Предложен метод биостимуляции молодняка овец с помощью низко интенсивного лазерного излучения (НИЛИ), который нормализует обменные процессы животного, повышает продуктивные показатели и снижает заболеваемость молодняка , . Безопасность воздействий НИЛИ на человека и животных доказана тысячами мировых исследований. Взаимодействие лазерного излучения с биологическим объектом происходит в два этапа: получение и поглощение энергии; вторичные ответные реакции организма, являющиеся «лечебным фактором» . Объяснение первичного механизма биологического действия НИЛИ сделал В.М. Чудновский на основе изменения коэффициента преломления, что снижает потенциальные барьеры основных биохимических реакций, запуская серию изменений параметров гомеостаза биологической системы . Положительный эффект от лазерного излучения объясняется общебиологическим и адаптационным воздействием на защитно-компенсаторные механизмы на клеточном, тканевом, уровнях, способствующим саморегуляции. Лечебные эффекты лазеротерапии обусловлены иммунными реакциями организма. Литературные источники говорят о том, что в основе терапевтического действия лазерного излучения лежит активизация в организме животных общего и местного неспецифического иммунитета, и повышения метаболизма питательных веществ , , .Лазерное излучение, проникая через кожу, частично поглощается и рассеивается, и поэтому эффективность зависит от глубины расположения отдельных органов и длины волны лазерного излучения. Установлено, что импульсное ИК НИЛИ (904 нм) лучше применять для воздействия на глубоко расположенные органы. В Ставропольском ГАУ проводятся опыты по использованию лазерного излучения малой мощности на организм овец. Возникает необходимость в разработке автоматизированной установке для облучения лазером молодняка овец в реальном производственном процессе.
При проектировании лазерной установки с получением ожидаемого результата нужно знать следующие параметры: длина волны, режим работы источника, мощность, экспозиция, локализации расположения излучателя, периодичность проведения процедур. Анализ научной литературы, а также исследования, проводимые в Ставропольском ГАУ, показали, что для повышения резистентности организма телят необходимо проводить облучение тимуса ягнят
. Целью данных исследований было обоснование места локализации расположения лазерного излучателя.2. Методы и принципы исследования
Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема установки для облучения тимуса ягнят
Необходимо определить геометрическое место остановки лазера и время обработки. Основным критерием, ограничивающим время обработки и места установки лазера, является температура биотканей. С одной стороны, при взаимодействии НИЛИ с биотканями наружной поверхности шеи ягненка происходит их нагрев, и температура не должна превышать 42°С - 50°С, так может происходить повреждение тканей. С другой стороны излучение должно доходить до тимуса, который расположен в нижней части шеи животного. Обоснование места расположения лазера и времени обработки решено было проводить на основе моделирования физических процессов в программном комплексе Comsol Multiphysics.
Дифференциальное уравнение движения тепловых потоков в общем виде можно выразить широко известным выражением:
где ρi, сi – соответственно плотность и теплоемкость i-й структуры среды;
qi– теплопроводности отдельных i –х сред;
Qтл – интенсивность тепловыделений за счет лазерного излучения, Вт/м3;
Т – температура, °С.
Считаем, что температура внешней среды не изменяется и плотность теплового потока также постоянна. Теплообмен между поверхностью объекта исследований и окружающей средой происходит в соответствии с законом Ньютона-Рихмана:
где qст – теплопроводность наружной поверхности шеи или тепловые потери через кожу, Вт/м2;
T0– температура воздуха внешней среды, °С;
h – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·°С).
Известно, что прохождение лазерного пучка через биоткань происходит с ослаблением в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера :
где z – оптическая ось и толщина биоткани;
R – коэффициент отражения при нормальном падении луча;
I0– начальная интенсивность излучения,
μа– коэффициент поглощения среды.
3. Результаты исследований и обсуждение
Рисунок 2 - Геометрическая модели шейного отдела ягненка в ПО Comsol:
1 - наружная часть шеи; 2 - позвоночник; 3 - пищевод; 4 - тимус; 5 - трахея
Выбор интерфейсов в ПО производился в соответствии с типом физических процессов в объекте исследований: анализ тепловых полей – интерфейс «Heat Transfer in Solids»; анализ лазерного излучения в биоткани – «Radiative Beam in Absorbing Media».
Рисунок 3 - Изображения температурных полей в шеи
Рисунок 4 - Изображения интенсивности излучения в шеи
Рисунок 5 - Интенсивности излучения в шейном отделе животного
Рисунок 6 - Вид тимуса с нанесением интенсивности получаемой энергии
Рисунок 7 - Вид тимуса с нанесением температурного поля
Рисунок 8 - Фрагменты тепловизионной съёмки шейных отделов трех ягнят
4. Заключение
1. Исследования проникающей способности лазерного излучения через биологические ткани с использованием программного обеспечения Comsol позволили получить геометрическую модель шейного отдела ягненка и компьютерную модель протекающих физических процессов в данном объекте.
2. Моделирование физических процессов при лазерном облучении в шейном отделе ягненка показало высокую поглощающую способность внутренних органов, и установка лазера над шеей не доводит излучение до тимуса. Смещение луча лазера на угол 20° к вертикальной оси позволяет проходить излучению в стороне от органов поглощения и достигать тимуса.
3. Анализ результатов моделирования показал, что проводить лазерное облучение нужно в трех позициях с расстоянием между ними 4,2 см. Исследования режимов облучения тимуса в компьютерной модели показали изменения интенсивности излучения при переходе от первой позиции к третьей, находятся в интервале от 11 Вт/м2 до 140 Вт/м2.
Тепловизионные исследования температурного режима поверхностного слоя кожи шеи ягнят после лазерного облучения показала, что максимальная температура не превышала 43°С при среднем превышении температуры поверхности после обработки по сравнению с температурой до воздействия 3,9°С. Эти данные говорят о безопасном режиме облучения животных и свидетельствуют о влиянии лазерного излучения на тело ягненка.