Диссертация (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 жизнеобеспеченияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор А.А. ЖердевМосква 20162СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………...………………..5ГЛАВА 1.

Литературный обзор. Постановка задач работы…………..…….12Использование1.1.низкихтемпературвмедицинскихцелях.Медицинские криометоды…………………………………...…...........1.1.1. Краткийисторическийочеркразвитиякриомедицины12икриомедицинской техники…………………………………….....…….121.1.2. Современное представление о медицинских криометодах…….……16Техническое1.2.обеспечениедозированиямедицинскихкриометодов………………………………………………………...……241.2.1. Проблема точности дозирования обеспечения медицинскихкриометодов………………………………………………………...……241.2.2. Имеющиеся подходы к обеспечению точности дозированиямедицинских криометодов………………….................................………281.3.

Температурные параметры для дозирования гипотермии и способыих технического обеспечения……………………….…..………..……..391.3.1. Целевая температура биоткани…………………………………..…….391.3.2. Скорость охлаждения, длительность термостатирования, скоростьнагрева биоткани………………………………………………..……….421.3.3. Способы организации отвода теплоты…………………………..……441.3.4. Классификация вариантов обеспечения гипотермии…………...……481.4. Местная гипотермия для робот-ассистированной хирургии…….…….491.4.1.Робот-ассистированнаялапароскопическаярадикальнаяпростатэктомия……………………………………………………..……501.4.2.

Варианты обеспечения местной гипотермии в урологии……..……..561.5.Общиевыводыполитературномуобзору.Задачиработы……...……………………………………………………………..613Стр.ГЛАВА2.Методопределениярациональныхрежимовработыкриомедицинского оборудования ……………………………………...652.1. Протокол температур целевой области воздействия (ПТО)…….. ……652.2.ОбеспечениеПТОспомощьюкриомедицинскогооборудования………………………………………………………..……762.3. Анализ исходных данных для обеспечения Малоинвазивнойполостной газовой гипотермии (МПГГ) при Робот-ассистированнойлапараскапической простатэктомии (РАЛП)………………………….84ГЛАВА 3. Экспериментальное и расчетное исследование теплообменапри моделировании робот-ассистированного криовоздействия……..903.1. Последовательность моделирования и анализа рассматриваемойбиотехнической системы………………………………………………..3.2.Математическоеописаниегазовойгипотермиидля90робот-ассистированной хирургии……………………………………………..913.3.

Базовая компьютерная программа теплофизического моделированияпроцессагазовойгипотермиидляробот-ассистированнойхирургии………………………………………..………..………..………973.4. Экспериментальная проверка адекватности базовой компьютернойпрограммы…………………………………………………..………..…..1073.4.1. Описание экспериментальной установки……………………….…….1073.4.2. Методика проведения эксперимента…………………………….…….1213.4.3. Расчет погрешностей эксперимента……………………………...……1223.5. Сравнение результатов вычислительного и физико-техническогоэксперимента………………………………………..………..………..…125ГЛАВА 4. Расчет обеспечения МПГГ при РАЛП. Выводы................……..1304.1. Модифицированная для условий РАЛП компьютерная программатеплофизического моделирования МПГГ…………...………..………..

1304Стр.4.2. Результаты вычислительных экспериментов …………….............…….4.3.АнализрезультатоврасчетаобеспеченияМПГГ132приРАЛП............................................................................................………...1414.4. Рекомендации по проектированию криомедицинского оборудованияс повышенной точностью обеспечения дозирования………………….148ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………..153ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ……………………………………………….155СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………...................……...156ПРИЛОЖЕНИЕ………..………..………..………..………..………..………..1665ВВЕДЕНИЕКриомедицинская техника – класс оборудования для реализациифизических криометодов в медицине. Для развития криометодов необходимосоздаватьтехнику,соответствующуюсовременнымтребованиям,невозможность реализации которых в ранее разработанном оборудованиисдерживает развитие криомедицины на практике.

При этом необходимоучитывать, что задача создания криомедицинской техники имеет явныймеждисциплинарный характер.Сегодня криомедицинская техника имеет актуальные применения ипотенциал к развитию, которые могут стимулировать ее дальнейшее развитие.Например, недостаточно раскрыт потенциал использования криоконсервациина практике [45], возможно снижение количества и степени большего числаосложнений при травмах головного мозга при использовании гипотермии ядра[46-48], криохирургия активно применяется в онкологии [1,2,49], общаягипотермияоболочкиимеетперспективуповыситьэффективностьпрофилактики заболеваний, став научно-обоснованной заменой традиционнымметодикам закаливания организма [3-7] и так далее.Точность обеспечения дозирования криовоздействия в медицинскихкриометодахсегоднянедостаточнаиограничиваетвозможностиихприменения.

Действительное распределение температур в точках областиохлаждения определяется возможностями оборудования, осуществляющегоохлаждение. Однако, разработанное оборудование не всегда способнореализовать необходимый процесс должным образом, например, в зависимостиот величины охлаждаемой области.

Необходимо заранее определять качествоисполнения процесса охлаждения. Методики расчета и оценки осуществленияпроцесса теплообмена для любой реализации медицинских криометодов,проверенные на конкретной актуальной базовой задаче позволят повыситьточность обеспечения дозирования, и тем самым расширить возможности дляразработки медицинских методик, использующих низкие температуры.6В качестве базовой задачи предлагается развивающееся перспективноенаправление робот-ассистированной медицины.

При робот-ассистированнойрадикальнойпростатэктомии(удалениеракапредстательнойжелезы)применяется газовый наддув брюшной полости, при этом температура газа неконтролируется и никаких специальных мер для поддержания наиболееблагоприятствующегодляцелейоперациитепловогорежиманепредпринимается. В то же время охлаждение используемого газа, можетобеспечить благоприятный режим, уменьшающий травмирующее воздействиена оперируемые ткани, в первую очередь нервные сплетения.Цель работы:Разработкаметодикирасчетаиисследованиетеплообменаприохлаждении биоткани 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, граничныхусловий, свойств веществ для перехода непосредственно к моделированиюохлаждения при проведении РАЛП;2)провестиоптимальныесериювеличинывычислительныхрасходаиэкспериментов.температурыОпределитьхладоносителейдляконкретных 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 криовоздействийразработатьметодопределениярациональныхрежимовработы7криомедицинского оборудования, основанный на анализе результатов расчетатеплообмена;5)сцельюопределениярежимовохлаждения,требуемыхдляобеспечения 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)разработанаметодикарасчетатеплообменаприпроведениикриовоздействий, 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 газоваягипотермия (МПГГ) – оригинальный способ обеспечения процесса охлажденияпри проведении полостных робот-ассистированных операций, предлагаемыйдля нервосбережения и снижения кровопотери;3)наосновеопределениярациональныхрежимовработыкриомедицинского оборудования на этапе его проектирования предложенорешение проблемы недостаточной по сравнению с современными медикотехническими требованиями точности обеспечения криовоздействий.Практическая значимость 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 диоксида8углерода 45±2,5 л/мин). Проведено сравнение МПГГ с вариантами жидкостногоохлаждения, выявлены области эффективного применения;3) показано, что протокол температур целевой области криовоздействия(ПТО) является основным критерием, позволяющим оценивать точностьобеспечениядозированиякриовоздействийнаразличныхэтапах: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 на полезную модель (№156346);5) предложены рекомендации по проектированию криомедицинскогооборудованиядляповышенияточностиобеспечениядозированиярасчетаобеспечениядозированиякриовоздействий.На защиту выносятся:1.Предложеннаяметодикакриовоздействий с повышенной точностью, включающая:- компьютерную программу расчета процессов теплообмена приобеспечениикриовоздействия,учитывающуюгруппуорганов,котораяпредставляет из себя целевую область криовоздействия и ее окружение.