Substantiation of Laser Location for Irradiation of Young Sheep Animals

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

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

Предварительный опыт работы с лазером на овцеферме позволил разработать конструктивно-технологическая схема установки (Рис.1).

Рисунок 1 - Конструктивно-технологическая схема установки для облучения тимуса ягнят

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.1

Технология облучения производится следующим образом. Ягненка ставят в исходное местоположение и далее производят выстриг шерсти на шеи. Ягненка заводят в установку, где должно проводится лазерное облучение в автоматическом режиме. Автоматизация перемещения площадки с лазером может производиться по сигналам от датчиков положений и временным интервалам, задаваемых специальной программой. По завершении процесса лазерной обработки ягненка выводят из рабочей зоны.

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:

(1)

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:

(2)

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

(3)

где z – оптическая ось и толщина биоткани;

R – коэффициент отражения при нормальном падении луча;

I0– начальная интенсивность излучения,

μа– коэффициент поглощения среды.

Структура шейного отдела овцы включает множество составляющих, но в дальнейших расчетах приняты следующие: кожа, мышечная ткань, позвоночник, пищевод, трахеи и тимус. В соответствии с имеющимися литературными данными были приняты коэффициенты поглощения лазерного излучения. Разработка геометрической модели проводилась в ПО Comsol и представлена на рисунке 1. Все дальнейшие исследования физических процессов т также проводились в этом программном продукте.

Рисунок 2 - Геометрическая модели шейного отдела ягненка в ПО Comsol: 

1 - наружная часть шеи; 2 - позвоночник; 3 - пищевод; 4 - тимус; 5 - трахея

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.2

Весь объект исследования был разбит на домены и построена сетка для расчета методом конечных элементов.

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».

Первоначально было принято место размещение лазера над шеей ягненка, так это наиболее удобно в эксплуатационных условиях и легче подлежит автоматизации. Решение математической модели проводилось в нестационарном режиме с облучением в течение 1 минуты. В результате были получены темперные поля в объекте исследований (Рис.2), анализ которых показал высокие значения температур в верхней части шеи (до 47°С) из-за значительных коэффициентов поглощения мышечной тканью. В то же время тимус не прогревался ни на один градус. На рисунке 3 представлены интенсивности лазерного излучения вдоль шеи и видно, что тимус не попадает в зону облучения из-за позвоночника, пищевода и трахеи.

Рисунок 3 - Изображения температурных полей в шеи

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.3

Рисунок 4 - Изображения интенсивности излучения в шеи

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.4

Наибольшая интенсивность исходит от источника излучения и далее она уменьшается в результате поглощения отдельными составляющими шеи. Установлено, что излучение за позвоночник практически не проходит. Значит необходимо смещать источник излучения в сторону от позвоночника и остальных внутренних составляющих шейного отдела ягненка. Также решено было перенести источник излучения определенное расстояние от шеи, чтобы каждый раз прикладывать лазер к объекту. Для повышения эффективности облучения принято проводить облучение в нескольких точках вдоль шеи.

В результате нескольких итераций изменения геометрии получена новая модель шейного отдела с источником излучения (Рис.4). Облучение будет проводиться в трех точках остановки перемещения лазера при угле отклонения луча от вертикальной оси в 20°. Удаления источника излучения от шейного отдела составило от 4,3 см до 4,8 см.

Рисунок 5 - Интенсивности излучения в шейном отделе животного

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.5

На рисунках 5 и 6 представлены интенсивности излучения с изображением тимуса и его температурное поле. Установлено, что на тимус попадает максимальная энергия излучения равная 140 Вт/м2, и температура отдельных его частей повысилась на 0,2°С. Дальнейший анализ показал при облучении в каждой точке от 25 до 40 секунд опасных превышений температуры других органов шеи нет.

Рисунок 6 - Вид тимуса с нанесением интенсивности получаемой энергии

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.6

Рисунок 7 - Вид тимуса с нанесением температурного поля

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.7

Было проведено тепловизионные исследования наружных областей, подвергшихся лазерному облучению

[9]

. На рисунке 7 показаны фрагменты тепловизионной съёмки шейных отделов трех ягнят после рекомендованной экспозиции. Наблюдается локальное повышение температуры обрабатываемых областей. Отмечалось, что максимальная температура отдельных областей не превысила 43°С.

Рисунок 8 - Фрагменты тепловизионной съёмки шейных отделов трех ягнят

DOI:10.23670/IRJ.2024.139.49.8

Среднее превышение температуры поверхности кожи по сравнению с температурой до воздействия составило 3,9°С. Такое повышение не является опасным для животных. В Ставропольском ГАУ проведены исследования по влиянию НИЛИ на продуктивные показатели животных, которые подтвердили эффективность применения этого метода

[10]

.

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.