Автореферат (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 2

Рекомендации по проектированию криомедицинского оборудования дляповышения точности обеспечения дозирования криовоздействий.3Апробация работы:Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:III Международной конференции с элементами научной школы длямолодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низкихтемператур» (Москва, 2013).Научных семинарах «Медицинские, технические и технологическиеаспекты проблем роботохирургии» (Москва, 2013, 2014, 2015).Международной научно-практической конференции «Биотехнологии икачество жизни» (Москва, 2014).Международных научно-практических конференциях «Криотерапия вРоссии» (Санкт-Петербург, 2014-2015).VIII Всероссийской молодежной научной конференции "Мавлютовскиечтения" (Уфа, 2014).Шестой Российской национальной конференции по теплообмену(Москва, 2014).VIII Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние иперспективы развития» (Москва, 2015).XX Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководствомакадемика А.И.

Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена вэнергетических установках" (Московская область, 2015).VIIмеждународнойнаучно–техническойконференции"Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке" (Санкт-Петербург,2015).Личный вклад автора заключается в постановке проблемы точностиобеспечения дозирования, разработке методов расчета и определениярациональных режимов работы криомедицинского оборудования, впредложении и обосновании Малоинвазивной полостной газовой гипотермии,разработке экспериментального стенда и проведении исследований согласноданным методам.Публикации. Результаты диссертации отражены в 3 научных статьях, 3 изкоторых в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, получен патент РФ на полезнуюмодель, опубликованы тезисы 11 докладов.Структура и объем диссертации:Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы,приложения и содержит 165 страниц основного текста, 60 рисунков, 10 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе в разделе 1.1 представлен краткий исторический очеркразвития криомедицинской техники в РФ.

Дано краткое описание основныхразновидностей медицинских криометодов. Отмечается, что для их развитиянеобходимо создавать технику, соответствующую современным требованиям,4невозможность реализации которых в ранее разработанном оборудованиисдерживает развитие криомедицины на практике.В разделе 1.2 обоснована потребность провести повышение точностиобеспечения задаваемого дозирования криовоздействий. Проведен обзорисследований по расчету параметров и повышению точности обеспечениядозирования криовоздействий. В литературных источниках не обнаруженообобщенноепредставлениеобоценкеобеспеченияпараметровкриовоздействий. Анализ показал, что для определения необходимыхпараметров оборудования для обеспечения конкретного криовоздействияперспективно проводить расчеты теплообмена (проведены в разделе 4.2) ианализировать их результаты (проведено в разделе 4.3).

С точки зренияпроверки эффективности и безопасности криовоздействий перспективноиспользовать теплофизическое моделирование криовоздействия в целом(моделирование группы органов). Причем для этого часто необходимо решатьтрехмерную сопряженную задачу теплообмена. В связи с этим требуетсяпровести разработку современных методов расчета (глава 3) и методов анализарезультатов расчета криовоздействия для определения рациональных режимовработы криомедицинского оборудования (глава 2).Необходимо начинать с общего подхода с последующей проработкойчастных случаев. В качестве частного случая в данной работе предлагаетсягипотермия. Исходя из этого в разделе 1.3 проведен обзор теплофизическихпараметров гипотермии и способов её технического обеспечения.

В разделе 1.4описана актуальная реализация местной гипотермии – Робот-ассистированнаялапароскопическая простатэктомия (РАЛП, удаление рака предстательнойжелезы). Описаны варианты обеспечения местной гипотермии в урологии.Предложен оригинальный способ Малоинвазивной полостной газовойгипотермии (МПГГ). Предлагается рассчитать параметры хладоносителя дляприменения предложенного способа. Также результаты расчета будут служитьпримером для определения рациональных режимов работы криомедицинскогооборудования и расчета теплообмена с учетом группы органов.В конце главы, на основании собранной информации, формулируется цельработы и задачи, подлежащие решению для её достижения.Во второй главе в разделе 2.1 представлен метод определениярациональных режимов работы криомедицинского оборудования приобеспечении криовоздействия.

Рациональный выбор подразумевает системныйрасчет процесса локального криовоздействия на биоткань, и разработку на егооснове рекомендаций по организации процесса криовоздействия ипроектированию оборудования. Метод основан на протоколе температуробласти (ПТО). В рамках ПТО температуры в точках выделенной целевойобласти биоткани (ЦО) в каждый момент криовоздействия должны быть вопределенном диапазоне. Если полученное изменение температурсоответствует заданному ПТО, то криовоздействие обеспечено с достаточнойточностью. Данный подход может быть использован вне зависимости от целикриовоздействия, оборудования и области его приложения в организме.

Вразличных приложениях меняются кривые максимальной и минимальной5разрешенной температуры.Для реализации различных заданных ПТО необходимо оцениватьвозможности конкретных образцов оборудования. В разделе 2.2 описанывопросы обеспечения ПТО согласно современным тенденциям. Современныйуровень техники и технологий позволяет проводить оценку как примоделировании (автоматически генерировать график температур), так иполучать данные с датчиков во время процедуры (также совмещать их скомпьютерным моделированием в режиме реального времени).В разделе 2.3 описана ЦО, представлен ПТО для обеспечения МПГГ приРАЛП (Рисунок 1).

Исходя из повышения точности обеспечения дозирования,описаны требования к функциональным блокам оборудования, точностиконтроля и прогнозирования процесса криовоздействия. Температура всехточек ЦО для обеспечения эффективности и безопасности криовоздействия недолжна выходить за пределы представленного ПТО.Рисунок 1.

ПТО для МПГГ при РАЛПВ третьей главе в разделе 3.1 описана последовательность моделированияи анализа рассматриваемой биотехнической системы. В разделе 3.2 составленаобщая математическая постановка задачи. Предложенное математическоеописание включает в себя общий случай теплообмена при газовом охлаждениибрюшной полости для робот-ассистированной медицины. Его ограничениянеобходимо учитывать при дальнейшем проведении расчетов.В разделе 3.3 описана компьютерная программа, разработанная уже дляполучения расчетных результатов при конкретных условиях. В работеиспользован ANSYS – современный универсальный программный комплексдля создания расчетных программ моделирования физических процессов.Применяется конечно-элементное численное моделирование (необходимоучитывать, что в каждом элементе сетки рассчитывается отдельная системауравнений).

Расчетная геометрическая модель состоит из двух тел (Рисунок 2).Верхнее тело представляет из себя область текучей среды (хладоносителя),материалом области «текучая среда» является CO2. Нижнее тело – область6моделирующей биоткань среды (желатиновый гель, состоящий из 95 % воды и5 % желатина – аналог биоткани соответствующего влагосодержания).

Врезультате расчета данной базовой расчетно-геометрической модели (РГМ) приусловияходнозначности,соответствующихпроведенномуфизикотехническому эксперименту были получены распределения температур пообъему тела при нестационарном процессе криовоздействия, примерраспределения температур представлен на Рисунке 2.Рисунок 2. Распределение температур по продольному среднему сечению РГМБыло проведено экспериментальное исследование процесса охлаждениямодельной среды, имитирующее условия хирургической операции навнутренних органах (раздел 3.4). Перед проведением эксперимента в камереимитации РАЛП формировались модельное вещество и пространство дляциркуляции газа, что с точки зрения теплообмена имитировало хирургическуюоперацию в брюшной полости.

Расход и температура газа, линейные размеры имодельное вещество в расчете и эксперименте идентичны.Экспериментальная установка (Рисунок 3, Рисунок 4) состоит из трехосновных частей: камеры имитации РАЛП, набора измерительногооборудования (система сбора данных), системы подачи газа. Основнымисоставляющими являются: емкость с крышкой (1) в которой находятсяжелатиновый гель и держатель для датчиков с закрепленными термометрамисопротивления (2), пирометр (3), программируемый контроллер ОвенПЛК150 (4), модуль ввода аналоговых сигналов Овен МВ110 (5),преобразователь интерфейсов Овен AС4 (6), ноутбук для сбора и архивацииданных (7), OPC-сервер MasterOPC (8), SCADA-программа MasterSCADA (9),баллон высокого давления СО2 (10) с регулятором расхода (11), шланг подводагаза диаметром 8 мм (12), шланг отвода газа (13), вентилятор (14).Принцип действия экспериментальной установки следующий: послевентиля баллона высокого давления (10) на регуляторе расхода (11)выставляется требуемый расход газа и происходит захолаживание регуляторарасхода (11) и теплоизолированного шланга (12) до получения стабильной7температуры газа на выходе из шланга.

После этого холодный (относительномодельного вещества) газ подается в камеру имитации РАЛП, где охлаждаетмодельное вещество в течение заданного промежутка времени. В емкости скрышкой (1) при этом поддерживается избыточное давление на уровне от 15 до25 мм ртутного столба (контроль проводится водяными манометрами). Отводпоступающего газа из емкости осуществляется через шланг отвода газа (13).Рисунок 3. Схема экспериментальной установкиСравнение расчетных и экспериментальных результатов (раздел 3.5) длянаиболее ответственной контрольной точки на глубине 5 мм по оси симметриикамеры имитации (Рисунок 5) показывает, что расхождение между ними весьмамало, максимальное расхождение получается в середине расчета и составляетоколо 10 %.