Диссертация (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 21

Трубкаподачи текучей среды зафиксирована, в реальной операции она может иметьразличное положение, однако следует удалять ее на расстояние от 5 до 10 мм отЦО.Домены идеальной РГМ должны иметь нестационарную границу (идетпроцессхирургическогорассечениятканей),однакопрогнозированиеохлаждения должно проводиться для определенного момента. То есть дляодного случая из ряда последовательных конфигураций либо для всего рядашаг за шагом. При этом задаются начальные и целевые (конечные) условия дляданной итерации при использовании заданной наиболее типичной формыданных областей текучей среды и биоткани. Поэтому программа расчетасоставлена для одного из шагов операции.Рисунок 4.1. Расчетная геометрическая модель для РАЛП и ее конечноэлементное разбиение132Геометрические размеры органов у каждого пациента индивидуальны.Для проведения индивидуализированных расчетов необходимо получатьданные непосредственно от средств медицинской визуализации.

В данномслучае же достаточно иметь размеры в приближении к средним возможным,чтобы позволить провести сравнение результатов расчета.В реальных условиях биологические ткани подвижны и имеют влажнуюповерхность серозной оболочки. В данном расчете предлагается пренебречьтепломассообменом при испарении влаги и изменением геометрии биоткани вокружении ЦО. Также не учитывается реакция центральной нервной системыпациента, эффекты теплообмена на клеточном уровне и неоднородностиструктуры биоткани. Эти процессы не учитываются с помощью предложеннойматематической модели.4.2.

Результаты вычислительных экспериментовВданномразделеописанырезультатыисследованияпроцессаохлаждения при определенной конструкции системы подачи и группывнутренних органов (описаны в разделе 4.1).Входепроведениявычислительныхэкспериментовпроисходилосравнение конкретных, практически реализуемых вариантов организацииохлаждения. Сравнение производилось с точки зрения эффективностидостижения состояния гипотермии при заданных начальной температуребиоткани и способе охлаждения.Основная цель проведения вычислительных экспериментов: получитьзакономерности изменения температурных полей в биоткани с точки зренияглубины охлаждения и мощности отвода теплоты, а также дать практическиерекомендации к организации криовоздействия.Задачи вычислительных экспериментов: 1) нахождение оптимальныхвеличин расхода и температуры текучих сред (приведено в разделе 4.2);2) сравнение вариантов с точки зрения глубины и мощности охлаждения133(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 9) характеризуется: составомтекучей среды (хладоносителя), ее температурой (минимально безопасная),расходом (окончательные расчеты ведутся при определенных оптимальныхрасходах) и организацией подачи ее в брюшную полость.Таблица 9.Характеристика вариантов расчетаСостав средыРасход, г/сек1CO2Тсреды, °С-51,582CO2-51,58предлохлаждение полых органов3Вода40,604Бинарный лед (БЛ)00,305CO2-51,58продолжение охлажденияОписаниевариантов.Оптимальныевеличинырасходаитемпературы текучих сред.Первый вариант - применение газа.

С точки зрения теплофизическихсвойств и стоимости было произведено сравнение основных медицинскихгазов: CO2, Ar, Xe, N2O. Ar по сравнению с CO2 имеет теплоемкость в 1,6 разаниже, при близких значениях теплопроводности и плотности. N2O имееттеплофизические свойства близкие к CO2 и замена одного другим не приведет кзначительным изменениям.

Xe имеет плотность и теплопроводность в 3 разавыше, чем у CO2, однако имеет меньшую теплоемкость и высокую стоимость.Следовательно, исходя из биосовместимости, стоимости и теплофизическихсвойств выбран CO2. Температура CO2 на входе в трубку предлагается минус1345°С (раздел 3.3, 3.4 как наименьшая безопасная для пациента температура).Программа расчета позволяет варьировать расход в широких пределах.Расчетный расход для CO2 – 1,581 г/сек (45 литров в минуту).

Он получен спомощью дополнительных расчетов, в которых изучалось изменение глубиныохлаждения от расхода CO2 (Рисунок 4.2). Предварительно, такого расходадостаточно для проведения МПГГ. Дальнейшее увеличение расхода не влечетза собой значительного повышения эффективности охлаждения. Используяданный график возможно в первом приближении делать поправку приизменении расхода газа.С точки зрения длительности охлаждения (Рисунок 4.3) наиболееинтенсивное охлаждение наблюдается в течение первых трех минут, далеенаступает плавный переход в стационарное состояние теплового поля.Начальная температура биоткани 37 °С. Организация подачи – прокачка(подача газа избыточна для пневмоперетониума, поэтому организуетсядополнительный отвод газа).

Охлаждение непрерывное, без предварительногоохлаждения. Общая сравнительная длительность охлаждения – 600 секунд(выбрана исходя из ПТО в зависимости от длительности при оптимальномрасходе – Рисунок 4.3), шаг расчета – 20 секунд. Глубина охлажденияконтрольных точек представлена в Таблице 10.Рисунок 4.2. Влияние расхода CO2 на эффективность охлаждения135Рисунок 4.3. Влияние длительности подачи CO2 на глубину охлажденияПрограмма расчета позволяет визуализировать процесс криовоздействияи оптимизировать поток теплоносителя.

Для примера на Рисунке 4.4представлено поле температур в некоторый момент расчета.Рисунок 4.4. Поле температур136ВторойвариантохлажденияпредполагаетприменениеCO2ипредварительного охлаждения (предлагается использовать моделированиепредварительногоохлажденияпрямойкишки,мочевогопузыря).Рекомендуется длительность не менее 600 секунд (Рисунок 4.5). Рекомендуемаятемпература охлаждающей среды около 5 °С, также рассмотрены варианты 10,15 °С (Рисунок 4.7). Остальные параметры расчета идентичны первомуварианту.Предварительное охлаждение наиболее эффективно применять длямомента, когда ЦО находится вблизи внутренних полостей (Рисунок 4.6) прирассечении тканей между простатой и мочевым пузырем, прямой кишкой.Данные расчета показали, что для этих зон благодаря предварительномуохлаждению возможно добиться необходимых температур.

Однако на удаленииболее 10 мм значительного понижения температуры не наблюдается.Рисунок 4.5. Влияние длительности предварительного охлажденияТретийвариантпредполагаетиспользованиеохлажденнойводы(ирригация) и подачи газа только для поддержания пневмоперетониума.Охлажденные водяные растворы (температура воды на входе из соображенийбезопасности составляет 4 °С) имеют применение в практике гипотермии137[18,36,94]. По итогам предварительных расчетов расход – 0,6 грамм в секунду(Рисунок 4.8).

Организация подачи – непрерывные залив и отвод безпредварительного охлаждения. Начальная температура биоткани – 37 °С.Глубина охлаждения контрольных точек представлена в Таблице 10.Рисунок 4.6. Границы эффективности предварительного охлаждения мочевогопузыря для ПТО при РАЛПРисунок 4.7. Влияние температуры предварительного охлаждения на глубинуохлаждения138Рисунок 4.8. Влияние расхода воды на глубину охлажденияЧетвертый вариант предполагает использование бинарного льда (БЛ)вместо воды.

БЛ имеет экспериментальное применение в практике гипотермии[72,75]. Предлагается БЛ составом в 50 % воды, 50 % льда. Температура БЛ навходе при контакте с биотканью составляет 0 °С. По итогам предварительныхрасчетов расход – 0,3 грамм в секунду (Рисунок 4.9). Организация подачи –непрерывный залив и отвод без предварительного охлаждения. Глубинаохлаждения контрольных точек представлена в Таблице 10.Сравнение вариантов с точки зрения глубины и мощностиохлаждения.Исходя из проведенных расчетов с точки зрения глубины охлаждениеБЛ эффективнее охлаждения водой в ЦО на величину не менее 25 %(Таблица 10), по сравнению с CO2 на величину не менее 36 % (этодемонстрирует возможности локальной интенсификации теплообмена сиспользованием БЛ).

При использовании БЛ на поверхности наблюдается139охлаждение,близкоектемпературефазовогоперехода,однаконепосредственно фазовый переход воды в биоткани еще не развивается. Наглубине 1 мм использование БЛ дает значительный прирост охлаждения. Наглубине 3 мм, 5 мм ввиду низкой теплопроводности биоткани значительнойразницы между охлаждением водой и газом не наблюдается.Таблица 10.Сравнение глубины охлажденияТ,⁰С для контрольных точек на глубине0,1 мм1мм3 мм5 ммCO211.2416.2825.4729.46Вода7,8714,4825,0629,65Бинарный лед (БЛ)0,968,7621,3527,06Рисунок 4.9.

Влияние расхода бинарного льда на глубину охлаждения140Расчетыпоказалисреднеезначениемощностиохлаждениядляоптимальных расходов текучих сред. На промежутке 600 секунд для CO2 оносоставляет – 8,38 Вт; для воды – 9,95; для БЛ – 12,01 Вт, для смеси БЛ и CO2 –11,81 Вт. На Рисунке 4.10 показано распределение средней мощноститеплового потока при охлаждении для промежутков времени с шагом100 секунд.Рисунок 4.10. Сравнение интенсивности охлажденияИз распределения на Рисунке 4.10 можно сделать следующие выводы:1. Различные варианты охлаждения имеют различную мощность напромежутке не более 5 минут, далее ввиду низкой теплопроводности биотканиинтенсивность охлаждения сравнивается.2. Турбулизация потока газа и локализация струи у ЦО (при простотеотвода) позволили достичь небольшой разницы в мощности охлаждения междугазом и жидкостью.

При оптимальном расходе CO2 по отношению коптимальному расходу воды на промежутке, пока мощность охлаждения несравнялась, общий отвод теплоты меньше на 27,82 %, на всем сравнительномпромежутке на 18,71 %. Это демонстрирует то, что интенсивность газового141охлаждения в данном случае незначительно уступает охлаждению жидкостью.Также при охлаждении жидкостью необходим интенсивный ее отвод, инаблюдаются сложности в охлаждении вертикальных стенок, что ограничиваетпо сравнению с газом ее область применения.3. При повышении расхода БЛ в 2,5 раза (от 0,2 до 0,5 г/сек) общаяинтенсивность охлаждения растет незначительно.