Автореферат (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиШакуров Алексей ВалерьевичИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНАПРИ ОХЛАЖДЕНИИ БИОТКАНИ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РОБОТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙСпециальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 2016Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный техническийуниверситет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)Научный руководитель:доктор технических наук, профессорЖердев Анатолий АнатольевичОфициальные оппоненты: доктор технических наук, доцентБаранов Александр ЮрьевичСанкт-Петербургский национальныйисследовательский университетинформационных технологий, механики и оптикикандидат технических наук, начальник отделаперспективных технологийКондратенко Рим ОлеговичОАО "НИИВТ им.

С.А. Векшинского"Ведущая организация:ГБОУ ДПО Российская медицинская академияпоследипломного образования Министерстваздравоохранения Российской Федерации(РМАПО)Защита состоится «01» июня 2016 года в 14:30 на заседании Диссертационногосовета Д 212.141.16 в Московском Государственном ТехническомУниверситете им.

Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва,Лефортовская наб., д. 1, корпус «Энергомашиностроение».С диссертацией до защиты можно ознакомиться в библиотеке МГТУим. Н.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать поуказанному адресу: 105005, г. Москва, ул.

2-ая Бауманская, д.5. Ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «___» апреля 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентКолосов М.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы:Криомедицинская техника – класс оборудования для реализациифизических криометодов в медицине. Сегодня криомедицинская техника имеетактуальные применения и потенциал к дальнейшему развитию. Например,недостаточно реализованы возможности использования криоконсервации,возможно снижение количества осложнений при травмах головного мозга прииспользовании гипотермии, криохирургия начинает активно применяться вонкологии, общая криотерапия имеет перспективу повысить эффективностьпрофилактики заболеваний, став научно-обоснованной заменой традиционнымметодикам закаливания организма.Одними из основных трендов в развитии современной хирургии являютсявнедрение малоинвазивных и роботических технологий.

Одной из наиболеераспространённых роботических операций стала Робот-ассистированнаялапароскопическая простатэктомия (РАЛП, удаление рака предстательнойжелезы). Она имеет ряд недостатков: кроме относительно высокой стоимости,оказываются нерешенными проблемы, связанные с повреждением окружающихпредстательную железу нервно-мышечных тканей и сосудов. Решениепроблемы возможно, если охлаждать зону повреждения биоткани припроведении хирургического вмешательства. Для получения параметров,необходимых для реализации такого охлаждения, актуально проведениеисследования теплообмена биоткани группы внутренних органов.Современные медико-технические требования продиктованы внедрениемкриомедицины на практике.

Согласно им, медицинскими работниками задаетсядозирование криовоздействия. Действительное распределение температур вобласти криовоздействия в конечном счете определяется возможностямиоборудования. При этом точность обеспечения заданного дозированиякриовоздействия криомедицинским оборудованием сегодня не соответствуетсовременным требованиям. Это ограничивает эффективность примененияметодик криомедицины в соответствие с правилом «не навреди».

Такимобразом, разработка криомедицинского оборудования и методик расчетатеплообмена при проведении криовоздействий с повышенной точностьюобеспечения дозирования весьма актуальна в медицинской практике.Цель работы:Разработка методики расчета и исследование теплообмена при охлаждениибиоткани внутренних органов человека при проведении роботассистированных хирургических операций для обеспечения дозированиякриовоздействия с повышенной точностью.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиеосновные задачи работы:1) разработать базовую компьютерную программу расчета и провести еёмодернизацию с точки зрения расчетной геометрической модели, граничных1условий, свойств веществ для перехода непосредственно к моделированиюохлаждения при проведении РАЛП;2) провести серию вычислительных экспериментов.

Определитьоптимальные величины расхода и температуры хладоносителей дляконкретных практически реализуемых вариантов охлаждения внутреннихорганов человека. Провести сравнение результатов с точки зрения глубины имощности охлаждения;3) создать экспериментальный стенд и провести физико-техническиеэксперименты (при использовании моделирующего биоткань желатиновогогеля). Провести сравнительный анализ полученных результатов с расчетными;4) для повышения точности обеспечения дозирования криовоздействийразработатьметодопределениярациональныхрежимовработыкриомедицинского оборудования, основанный на анализе результатов расчетатеплообмена;5) с целью определения режимов охлаждения, требуемых дляобеспечения безопасности и эффективности Малоинвазивной полостнойгазовой гипотермии (МПГГ) при РАЛП, провести анализ выполненныхрасчетов и дать практические рекомендации по организации рассчитанногокриовоздействия;6) разработать рекомендации по проектированию криомедицинскогооборудования для повышения точности обеспечения дозирования.Научная новизна:1) разработана методика расчета теплообмена при проведениикриовоздействий, учитывающая взаимодействие группы внутренних органовчеловека.

Повышенная точность расчета дозирования при этом достигается засчет учета неравномерности передачи теплоты в пространстве и временипроцедуры (ввиду неоднородности формы и структуры биоткани);2) предложена и обоснована Малоинвазивная полостная газовая гипотермия(МПГГ) – оригинальный способ обеспечения процесса охлаждения припроведении полостных робот-ассистированных операций, предлагаемый длянервосбережения и снижения кровопотери;3)наосновеопределениярациональныхрежимовработыкриомедицинского оборудования на этапе его проектирования предложенорешение проблемы недостаточной по сравнению с современными медикотехническими требованиями точности обеспечения криовоздействий.Практическая значимость и реализация результатов работы:1) разработана программа для ЭВМ, позволяющая численно рассчитыватьтепловые поля группы внутренних органов человека, что позволяет комплекснооценивать эффективность и безопасность криовоздействия;2) получены диапазоны параметров, необходимые для реализации МПГГпри РАЛП.

Установлено, что для достижения целевой глубины охлаждениябиоткани в 2 мм требуется: температура минус 5±1,5 ⁰С, расход диоксидауглерода 45±2,5 л/мин). Проведено сравнение МПГГ с вариантами жидкостного2охлаждения, выявлены области эффективного применения;3) показано, что протокол температур целевой области криовоздействия(ПТО) является основным критерием, позволяющим оценивать точностьобеспечения дозирования криовоздействий на различных этапах: отпроектирования оборудования, до анализа данных, полученных послепроведения конкретного криовоздействия.

ПТО позволяет создать единуюсистему оценки точности обеспечения криовоздействий;4) предложена конструкция инструмента для инсуфляции (наддува) припроведении внутриполостной хирургической операции с применением МПГГ,защищённая патентом РФ на полезную модель (№156346);5) предложены рекомендации по проектированию криомедицинскогооборудования для повышения точности обеспечения дозированиякриовоздействий.Внедрение результатов работы:Методика расчета введена в курс «Криомедицинская техника»,преподаваемый на кафедре Э-4 МГТУ им. Н.Э.

Баумана. Результатыисследования частично получены и применялись в рамках выполнениянаучного проекта РФФИ № 13-08-12030 офи_м.Достоверность полученных данных обеспечивалась применениематтестованных измерительных средств и апробированных методик измерения,хорошей повторяемостью полученных результатов измерений. Основныеуравнения представленных математических моделей базируются нафундаментальных законах и уравнениях термодинамики, современныхчисленных методах реализации математических моделей.На защиту выносятся:1. Предложенная методика расчета обеспечения дозированиякриовоздействий с повышенной точностью, включающая:- компьютерную программу расчета процессов теплообмена приобеспечении криовоздействия, учитывающую группу органов, котораяпредставляет из себя целевую область криовоздействия и ее окружение.

Онапозволяет уже на этапе проектирования оборудования оценивать, какэффективность криовоздействия, так и безопасность его проведения;- метод определения рациональных режимов работы криомедицинскогооборудования на основе анализа результатов расчета обеспечения заданногодозирования с использованием протокола температур целевой области вовремени криовоздействия.2. Результаты теоретических, расчетных, экспериментальных исследованийпроцессов теплообмена при охлаждении внутренних органов человека,позволившие получить данные о потребных параметрах подачи хладоносителядля обеспечения МПГГ при РАЛП.3.