Автореферат (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 3

Причем это расхождение уменьшается по мере приближения кстационарному состоянию. На 500 секунде расчета (характерное время дляМПГГ) оно составляет от 3,5 до 4 %.Рисунок 4. Общий вид экспериментальной установки8Рисунок 5. Сравнение экспериментальных и расчетных результатовПри сравнении показаний пирометра и значений температуры поверхностипри расчете расхождение более велико и составляет в среднем около 10,28 %,однако в абсолютном значении разница между показаниями около 0,66 ⁰С иимеет стабильный характер. В среднем погрешность вычислительногоэксперимента по сравнению с физико-техническим не превосходит 10 %, приэтом в абсолютном значении максимальное отклонение составляет не более1,5 ⁰С. В разделе 2.3 описаны требования к точности контроля и моделированиягазовой гипотермии для РАЛП.

Указано, что суммарная погрешностьрезультата измерения в данном случае не должна превышать 1,5 ⁰С. Из этогоследует, что компьютерная программа моделирования прошла проверкуадекватности и может быть использована для моделирования МПГГ.В четвертой главе в разделе 4.1 описано модифицирование расчетнойкомпьютерной программы для условий РАЛП с учетом моделирования группыорганов. Программа моделирует брюшную полость в целом, а не отдельную еечасть.

Она позволяет рассмотреть её как единый объект с точки зрения задачиохлаждения и при этом математически решить задачу обеспечениябезопасности. Для этого создана РГМ группы внутренних органов иохлаждающей среды с использованием известных действительныхтеплофизических свойств. В РГМ представлены следующие области:«простата», «уретра», «мочевой пузырь», «прямая кишка», «мочеполоваядиафрагма»,«тазоваякость»,«параверзикальнаяжироваяткань»,«соединительная жировая ткань» и «текучая среда».

Входная трубкаустановлена на расстоянии 10 мм от ЦО.9Рисунок 6. Расчетная геометрическая модель для РАЛП и ее конечноэлементное разбиениеНа основе данной программы была проведена серия вычислительныхэкспериментов по расчету МПГГ при РАЛП. В разделе 4.2 представлены ихрезультаты.

В ходе проведения вычислительных экспериментов происходилосравнение конкретных, практически реализуемых вариантов организацииохлаждения. Сравнение проводилось с точки зрения эффективностидостижения состояния гипотермии при заданных начальной температуребиоткани и способе охлаждения. Основная цель проведения вычислительныхэкспериментов: получить закономерности изменения температурных полей вбиоткани (дать описание глубины охлаждения) и оценить мощность отводатеплоты.Результаты вычислительных экспериментов: 1) нахождение оптимальныхвеличин расхода и температуры хладоносителей (приведено в разделе 4.2);2) сравнение вариантов с точки зрения глубины и мощности охлаждения(приведено в разделе 4.2); 3) получение данных для проверки безопасностинаиболее подходящего варианта криовоздействия (приведено в разделе 4.3);4) получение рекомендаций к применению различных вариантов охлаждения(приведено в разделе 4.3).Вариант реализации охлаждения (Таблица 1) характеризуется: составомхладоносителя, его температурой (минимально безопасная), расходом(окончательные расчеты ведутся при определенных оптимальных расходах) иорганизацией подачи (организация подачи подразумевает собой обеспечениепневмоперетониума и удобство подвода хирургического инструмента).Первый вариант – применение газа.

С точки зрения теплофизическихсвойств и стоимости было проведено сравнение следующих основныхмедицинских газов: CO2, Ar, Xe, N2O. Ar по сравнению с CO2 имееттеплоемкость в 1,6 раза ниже, при близких значениях теплопроводности иплотности. N2O имеет теплофизические свойства близкие к CO2 и заменаодного другим не приведет к значительным изменениям. Xe имеет плотность и10теплопроводность в 3 раза выше, чем у CO2, однако имеет меньшуютеплоемкостьивысокуюстоимость.Следовательно,исходяизбиосовместимости, стоимости и теплофизических свойств выбран CO2.Температура CO2 на входе в трубку предлагается минус 5 °С (по итогамразделов 3.3, 3.4 как наименьшая безопасная для пациента температура).Расчетный расход для CO2 – 1,58 г/сек (45 литров в минуту).

Рекомендуемыеданные получены с помощью дополнительных расчетов, в которых изучалосьизменение глубины охлаждения от расхода подаваемого газа. Сформированграфик влияния расхода CO2 на глубину охлаждения (Рисунок 7). Дальнейшееувеличение расхода не влечет за собой значительного повышения глубиныохлаждения.Таблица 1.Характеристика вариантов расчетаСостав средыТсреды, °С Расход, г/секТнач. биоткани, °C1CO2-51,58372CO2-51,5837предохлаждение3Вода40,60374 Бинарный лед (БЛ)00,30375CO2-51,5825Второй вариант охлаждения – применение CO2 и предварительногоохлаждения через полые органы (предлагается использовать моделированиепредварительногоохлажденияпрямойкишки,мочевогопузыря).Рекомендуется длительность не менее 600 секунд.

Рекомендуемая температураохлаждающей среды около 5 °С, также рассмотрены варианты 10, 15 °С.Предварительное охлаждение наиболее эффективно применять для момента,когда ЦО находится вблизи внутренних полостей. На удалении более 20 мм отних значительного понижения температуры не наблюдается.Рисунок 7. Влияние расхода CO2 на глубину охлажденияТретий вариант – использование охлажденной воды и подачи газа толькодля поддержания пневмоперетониума.

Охлажденные водяные растворы11(температура воды на входе из соображений безопасности составляет 4 °С)имеют применение в практике гипотермии. По итогам предварительныхрасчетов расход воды – 0,6 грамм в секунду.Четвертый вариант – использование бинарного льда (БЛ) вместо воды. БЛимеет экспериментальное применение в практике гипотермии. Предлагается БЛсоставом в 50 % воды, 50 % льда. Температура БЛ на входе при контакте сбиотканью составляет 0 °С. По итогам предварительных расчетов расход –0,3 грамм в секунду.Исходя из проведенных расчетов с точки зрения глубины охлаждения БЛинтенсивнее охлаждения водой в ЦО на величину не менее 25 % (Таблица 2),по сравнению с CO2 на величину не менее 36 % (это демонстрируетвозможности локальной интенсификации теплообмена с использованием БЛ).Таблица 2.Сравнение глубины охлажденияТ,⁰С для контрольных точек на глубине0,1 мм1 мм3 мм5 ммCO211,2416,2825,4729,46Вода7,8714,4825,0629,65Бинарный лед (БЛ)0,968,7621,3527,06На глубине 1 мм использование БЛ дает значительный приростохлаждения.

На глубине 3 мм, 5 мм ввиду низкой теплопроводности биотканизначительной разницы между охлаждением водой и газом не наблюдается.При использовании БЛ на поверхности наблюдается охлаждение, близкоек температуре фазового перехода, однако непосредственно фазовый переходводы в биоткани во времени расчета не наблюдается. Также при охлаждениижидкостью необходимы её принудительный отвод и специальноорганизованная ирригация вертикальных стенок, что ограничиваетвозможности применения воды и БЛ.Расчеты показали среднее значение мощности охлаждения длярассчитанных оптимальных расходов текучих сред.

На промежутке 600 секунддля CO2 оно составляет – 8,38 Вт; для воды – 9,95 Вт; для БЛ – 12,01 Вт, длясмеси БЛ и CO2 – 11,81 Вт. На Рисунке 8 показано распределение среднеймощности охлаждения для промежутков времени с шагом 100 секунд, изкоторого можно сделать следующие выводы:1) Различные варианты охлаждения имеют различную мощность напромежутке не более 5 минут, далее ввиду низкой теплопроводности биотканимощность охлаждения сравнивается.2) Турбулизация потока газа и локализация струи у ЦО позволили достичьнебольшой разницы в мощности охлаждения между газом и жидкостью. Приоптимальном расходе CO2 по отношению к оптимальному расходу воды напромежутке, пока мощность охлаждения не сравнялась, общий отвод теплотыменьше на 27,82 %, на всем сравнительном промежутке на 18,71 %.

Этодемонстрирует то, что мощность газового охлаждения в данном случаенезначительно уступает охлаждению жидкостью. Также при охлаждении12жидкостью необходим интенсивный ее отвод, и наблюдаются сложности вохлаждении вертикальных стенок, что ограничивает по сравнению с газом ееобласть применения.3) При повышении расхода БЛ в 2,5 раза (от 0,2 до 0,5 г/сек) общаямощность охлаждения растет незначительно. Для первых 200 секунд она вышена 15 %. То есть, увеличение расхода БЛ позволяет получить некоторыйприрост скорости охлаждения только в начале криовоздействия.Рисунок 8. Сравнение мощности охлаждения4) При необходимости для получения конкретных требуемых скоростейохлаждения в течение первых нескольких минут охлаждения (замедляя илиускоряя процесс) возможно применять БЛ с различной концентрацией частичекльда и различным расходом, а также охлажденную воду и газ с различнымирасходами.

Приведенный график показывает границы эффективности каждогоиз вариантов в отдельности.5) Применение смеси охлажденного CO2 и БЛ позволит сконцентрироватьотвод теплоты с помощью БЛ в нижней части полости, а с помощью CO2 навертикальных стенках. При этом значения мощности отвода теплоты будутсуммироваться.Пятый вариант – применение охлажденного CO2 в ситуации с точки зренияначальной температуры приближенной к РАЛП. В данном случае принимаетсяусловие начала охлаждения после проведения одного из хирургическихразрезов. На Рисунке 9 представлены примеры полученных в вычислительныхэкспериментах температурных историй крайних точек, для которыхвыполняется ПТО.

На Рисунке 10 представлена зона выполнения требованийПТО (выделен диапазон от 5 до 15 °С). На Рисунке 11 представлена проверкабезопасности рассчитанного криовоздействия. На нем не наблюдаетсятемператур ниже 0 °С, значит криовоздействие согласно расчету безопасно. Изэтого следует, что анализ результатов численного исследования согласно ПТО13показал, что криовоздействие достаточно эффективно в объеме ЦО и являетсябезопасным для проведения при выбранных параметрах подачи хладоносителя.Способ МПГГ при расходе CO2 45 литров в минуту и температуре минус 5 °Спозволяет достичь заданной эффективности охлаждения в ЦО.Рисунок 9.

Температурные истории точек, совмещенные с ПТОРисунок 10. Область выполнениятребований ПТО при МПГГРисунок 11. Проверка безопасностирассчитанного криовоздействияДля подачи газа при операциях используются аппараты-инсуфляторы. Дляпроведения робот-ассистированных операций – хирургические роботическиесистемы. Для МПГГ их предлагается дополнить. В качестве трубки подачитекучей среды в данной работе используется запатентованная авторомконструкция (Рисунок 12, патент РФ на полезную модель № 156346).Инструмент для инсуфляции при проведении внутриполостной хирургическойоперации содержит источник инсуфляционного газа (1), средство охлажденияинсуфляционного газа (2), систему для подвода и отвода инсуфляционного14газа (3), бесконтактный датчик температуры поверхности биоткани (4).Система для подвода и отвода инсуфляционного газа выполнена в виде гибкогошланга, имеющего разделенную на два канала трубку.