Computational Modelling Of Laser Tissue Interaction A Unified Framework Spanning Continuous-Wave, Q-Switched, and Femtosecond RegimesTissues

Abstract

Laser surgery exploits three distinct temporal regimes — continuous-wave (CW), Q-switched nanosecond (QS), and femtosecond (FS) — each governed by its own ablation physics. These regimes are usually modelled in isolation with costly, closed software, leaving no common basis for comparison. This thesis asks whether a single, open-source framework can characterise and compare all three regimes under one consistent set of figures of merit, and clarify how laser parameters control ablation precision. An open-source pipeline running on the free tier of Google Colab is developed. The CW regime is resolved by a fully coupled solver chaining Monte Carlo photon transport, the Pennes bio-heat equation, and the Arrhenius cumulative-damage integral; the QS and FS regimes — dominated by mechanical and plasma-mediated processes — are treated by reduced analytical models (a Gaussian fluence map with stress-confinement or optical-breakdown thresholds). A natural normalisation of the absorbed dose, validated by a domain-size convergence study, yields ablation volumes stable within 1%, whereas the alternative "forced" scheme is shown to be a discretisation artefact. A 40-configuration parametric sweep extends the CW analysis across eight wavelengths and five tissues. The CW Nd:YAG laser on skin at 1064 nm gives an ablation volume Vabl = 0.795 mm³ with a damage ratio sel = Vdmg/Vabl = 1.397; the QS pulse gives 0.0118 mm³ (sel = 0.134) and the FS pulse on cornea 1.77 × 10⁻³ mm³ (sel = 0), where a lower sel denotes sharper ablation. The three regimes occupy non-overlapping zones spanning three orders of magnitude in Vabl. Within CW, selectivity stays in [0.93, 1.57] with a near-infrared peak (1.565 at 694 nm) and a sub-unitary minimum at the CO₂ wavelength; the Pareto front holds 28 of 40 configurations. The central message is that regime selection precedes parameter optimisation: targets requiring sel ≪ 1 (e.g., LASIK) demand a change of temporal regime, not CW tuning. Validation is limited to internal convergence and order-of-magnitude agreement with the literature

تستعمل الجراحة بالليزر ثلاثة أنظمة زمنية متمايزة  الموجة المستمرة (CW)، والنبضات النانو- ثانوية بتقنية التبديل-Q (QS)، والنبضات الفمتو- ثانوية (FS)  يحكم كلاً منها فيزياء استئصالٍ خاصة به. وعادةً ما تُنمذَج هذه الأنظمة منفصلةً ببرمجيات مكلفة ومغلقة، دون أساسٍ مشترك للمقارنة. تبحث هذه المذكرة فيما إذا كان بإمكان إطارٍ واحد مفتوح المصدر أن يوصِّف الأنظمة الثلاثة ويقارن بينها ضمن مجموعة موحَّدة من مقاييس الأداء، وأن يوضّح كيف تتحكم معاملات الليزر في دقة الاستئصال. طُوِّر خط معالجة مفتوح المصدر يعمل على الطبقة المجانية من منصة Google Colab. يُحَلُّ نظام CW بحلّالٍ مقترن بالكامل يسلسل نقل الفوتونات بطريقة مونتي كارلو، ومعادلة بينز للحرارة البيولوجية، وتكامل أرينيوس للضرر؛ أما نظاما QS وFS — اللذان تهيمن عليهما عمليات ميكانيكية وبلازمية — فيُعالَجان بـنماذج تحليلية مختزلة (خريطة فلوينس غاوسية مع عتبات حصر الإجهاد أو الانهيار الضوئي). ويُعطي «التطبيع الطبيعي» للجرعة الممتصة، المُتحقَّق منه بدراسة تقارب، أحجام استئصالٍ مستقرة ضمن 1%، في حين يتبيّن أن المخطط البديل «القسري» أثرٌ للتقسيم التقديري. ويمتد مسحٌ معاملاتي من 40 تهيئةً ليوسّع تحليل CW عبر ثمانية أطوال موجية وخمسة أنسجة. يُعطي ليزر Nd:YAG المستمر على الجلد عند 1064 نانومتر حجم استئصال V_abl = 0.795 mm³ بنسبة ضرر sel = V_dmg/V_abl = 1.397؛ وتُعطي نبضة QS حجم 1.18×10⁻² mm³ (sel = 0.134)، ونبضة FS على القرنية 1.77×10⁻³ mm³ (sel = 0)، حيث تعني القيمة الأدنى استئصالاً أحدّ. وتشغل الأنظمة الثلاثة مناطق غير متداخلة تمتد عبر ثلاث مراتب من الحجم. وضمن CW تبقى الانتقائية في [0.93, 1.57] مع ذروة في النطاق تحت الأحمر القريب (1.565 عند 694 نانومتر) وحدٍّ أدنى دون الوحدة عند طول موجة CO₂؛ وتضم جبهة باريتو 28 من 40 تهيئةً. والرسالة المركزية أن اختيار النظام يسبق تحسين المعاملات: فالأهداف التي تتطلب sel ≪ 1 (كعملية LASIK) تستلزم تغيير النظام الزمني لا ضبط معاملات CW. ويقتصر التحقّق على التقارب الداخلي والتوافق برتبة المقدار مع الأدبيات.