Диссертация (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 23

Рекомендации по проектированию криомедицинского оборудования сповышенной точностью обеспечения дозирования охлажденияОбобщив результаты данной работы возможно предложить алгоритмпроведения расчётов криовоздействия с повышенной точностью обеспечениядозирования охлаждения. Необходимо начинать с составления техническогозадания на разработку криомедицинского оборудования. Процесс разработкиТЗ возможно разделить на две части. Первая часть должна быть предоставленаинженеру в готовом виде, являясь своего рода начальным вариантом ТЗ собширными комментариями.

Она должна быть разработана биофизиками,медицинскими работниками и должна содержать аспекты необходимогодозирования охлаждения. Первая часть должна включать в себя:1) текстовое описание планируемой реализации криовоздействия иобщего ряда процедур, частью которого является криовоздействие (пример – вразделе 1.4.1);2) выделение и описание ЦО и ее окружения (или ряда подобных поформе ЦО) с точки зрения анатомии и физиологии организма (пример – вразделе 1.4.1);3) предварительный ПТО для данного криовоздействия, которыйопределяет температурные уровни и потребную точность их поддержания(пример – в разделе 2.3).

В том числе потребная глубина охлаждения,достижимая глубина охлаждения должна определяться после проведениярасчетов;4)другиемедико-техническиетребованиякразрабатываемомуоборудованию.Вторая часть должна описывать вопросы обеспечения заданного впервой части дозирования. Она должна основываться на первой части иявляться ее инженерно-техническим анализом. Ориентировочно вторая частьдолжна содержать (пример представлен в разделе 2.3):1) проверку того, что данное криовоздействие возможно рассчитывать на149макроскопическом уровне, применяя ТФС биотканей;2) анализ предложенной ЦО и ее окружения с точки зрения теплообмена,выделение контрольных точек;3) анализ и корректировка предварительного ПТО с точки зрениявозможностей его обеспечения с помощью современного оборудования;4) анализ возможных способов организации отвода теплоты (пример – вразделах 1.3.3, 1.4.2);5) предварительный состав функциональных блоков оборудования иварианты их реализации;6) выделение нужных для проведения расчетов аспектов описанияреализации криовоздействия, которые необходимо согласовать с исполнителемпервой части;7) учет других особенностей конкретного криовоздействия.Итогом разработки второй части ТЗ должно являться:1) решение о возможности обеспечения заданного ПТО определеннымитехническими средствами;2) выбранный способ организации отвода теплоты;3) решение о необходимом составе проведения расчетов;4) согласование результатов анализа с исполнителями первой части,заказчиком;5) утверждение ТЗ и решение о проведении расчетов выбранноговарианта реализации криовоздействия.В зависимости от необходимой точности возможны различные вариантыпроведения расчетов: от простого оценочного расчета параметров дотщательной серии вычислительных экспериментов.Для обеспечения дозирования криовоздействия с повышенной точностьюнеобходимо рассчитывать тепловые поля в пространстве биоткани по временикриовоздействия.

Для этого предлагается следующая методика. Для расчетакриовоздействия с повышенной точностью обеспечения дозирования врезультате анализа области теплообмена разрабатывается математическая150модель криовоздействия, которая должна быть реализована с помощьюкомпьютернойпрограммы,использующейчисленныеметодырасчетатеплообмена. Данный процесс итерационен и на каждом его этапе возможновозвращение на предыдущие этапы для доработки. Повышение точностиобеспечения дозирования достигается за счет учета неравномерности передачитеплоты в пространстве и времени процедуры (ввиду неоднородности формы иструктуры биоткани), и выполнения других рекомендаций.

Причем методикарасчета должна обеспечивать индивидуализацию процедур и контрольтеплофизических параметров при имеющемся диапазоне регулирования дляпроведения одним образцом оборудования серии индивидуализированныхпроцедур.Алгоритм предлагаемой методики расчета охлаждения с повышеннойточностью выглядит следующим образом:1) составление общей математической постановки задачи (раздел 3.2);2) разработка базовой расчетной геометрической модели, разделенной наконечные элементы. Она служит для экспериментальной оценки точностиматематической модели и должна быть с одной стороны адаптирована кпроведению модельного физико-технического эксперимента, с другой – бытьблизкойпоконфигурациикбиотканивпроцессерассчитываемогокриовоздействия.

Также она должна быть разделена на домены, имеющие своисобственные свойства (раздел 3.3.2);3) наложение необходимых физических условий, например, присвоениетеплофизическихсвойствдоменам.Желательноиметьзависимоститеплофизических свойств от температуры (раздел 3.3.2);4) подготовка физико-технического эксперимента, имеющего областьтеплообмена, моделирующую расчетную геометрическую модель (раздел 3.4);5) проведение физико-технического и вычислительного эксперимента приодинаковых условиях.

Анализ полученных данных, расчет погрешностей. Витоге итерационного процесса должна быть получена заданная точностьмоделирования. После этого возможно переходить к разработке программы151расчета для конкретного криовоздействия (раздел 3.5);6) разработка РГМ криовоздействия (раздел 4.1);7) дополнение недостающих ТФС и условий расчета.

При этомнеобходимо удостовериться, что собраны все необходимые для расчета данные(раздел 4.1);8) проведение поиска необходимых для удовлетворения требований ТЗпараметров криомедицинского оборудования. При этом каждому наборупараметров должен соответствовать свой собственный вариант рассчитаннойтемпературной истории ЦО, совмещенный с ПТО на одном графике (раздел4.2).

Проводятся серии расчетов по проверке выдвигаемых гипотез. Далеепроводится анализ проведенных расчетов, делаются выводы, формируютсяновые гипотезы. На основе выводов вносятся изменения в РГМ, условияоднозначности. После модификации условий расчета следует новая сериярасчетов.Результаты расчетов следует анализировать с помощью методикиопределения рациональных режимов работы криомедицинского оборудованияна основе расчета обеспечения заданного дозирования криовоздействия. Врамках данной работы предлагается оригинальная методика оценки. Онапозволяет оценить качество процесса обеспечения дозирования на этапепроектирования оборудования. Алгоритм поэтапного анализа данных расчетавыглядит следующим образом (раздел 4.2):1) анализ хода расчета, начиная с выдачи ТЗ и заканчивая полученнымконкретнымнаборомкриовоздействии.Впараметровходедляанализаобеспечениянеобходимотеплообменаудостоверитьсяпривнепротиворечивости цепочки расчета и полном удовлетворении требований ТЗ.В результате этого этапа анализа необходимо принять решение о достаточнойполноте математической модели и о адекватности полученных результатов;2) проверка результатов расчета согласно требованиям ПТО.

Для этонеобходимо для каждого расчета:- совместить графики температурной истории и ПТО;152- удостовериться о том, что точность расчета соответствует точностизаданной ТЗ;- сделать вывод о применимости данного набора параметров длякриовоздействия;Повторить для остальных вариантов. В итоге необходимо выбратьконкретные параметры обеспечения процесса криовоздействия из рядаполученных при расчете;3) далее необходимо предложить организационные и конструктивныерешения для обеспечения выбранных рассчитанных параметров обеспечениядозирования криовоздействия, а именно:- предложить состав и реализацию функциональных блоков, причемработа всех функциональных блоков должна быть согласована так кактребуемые условия теплообмена обеспечиваются всей цепочкой управленияданным процессом вплоть до отвода теплоты в окружающую среду;- предложить необходимый набор средств достижения точностиобеспечениядозирования(методическиеуказания,обратнаясвязьпотемпературе, средства прогнозирования);- предложить средства обеспечения семейства диапазонов параметров дляразличных случаев реализации криовоздействия (например, при различных, ноподобных ЦО), необходимый состав этапов по уточнению параметров идостижению точности, средства расчета из ряда возможных, средствауправления процессом конкретного криовоздействия и т.д.Витогедолжнабытьпредварительнопроверенавозможностьпрактической реализации криовоздействия при заданном наборе параметров сзаданной точностью и предварительно описан механизм его реализации.

Послеэтого дается вывод о применимости результатов расчета к требованиям ТЗ.Такжевозможнавыдачарекомендацийкразработкеэкспериментального образца криомедицинского оборудования.макетаили153ЗАКЛЮЧЕНИЕ1) с целью разработки методики расчета параметров криовоздействия сповышенной точностью разработаны экспериментальный стенд и базоваякомпьютернаяпрограммачисленногомоделированиядляробот-ассистированной хирургии в общем случае. Сравнение экспериментальных ирасчетных результатов показало, что погрешность в абсолютном значении неболее 1,5 ⁰С. Это доказывает допустимую точность расчетов с использованиемсозданной программы;2) проведена модернизация разработанной компьютерной программы сточки зрения расчетно-геометрической модели (CAD-модель), граничныхусловий, свойств биотканей и хладоносителей для перехода к моделированиюРАЛП.

В программе расчета учитывается моделирование группы органов,кровоток, теплота метаболизма, сопряженный теплообмен;3)разработаннаяметодикарасчетаобеспечениядозированиякриовоздействий (в том числе РАЛП), в качестве научно-методической базыполезна для создания нового поколения криомедицинского оборудования иразработки специализированных программ экспресс-анализа, позволяющихпроводитьрасчетыврежимереальноговременикриовоздействиясвозможностью индивидуализации РГМ для конкретного пациента припроведении РАЛП;4) проведено исследование различных вариантов охлаждения. Онопозволило установить степень влияния на процесс криовоздействия состава,температуры,расходаразличныххладоносителей.Сиспользованиемполученных характеристик глубины и мощности охлаждения возможнообоснованно планировать криовоздействие, а также контролировать егопроведение.

Также рассчитаны возможности локальной интенсификациитеплообмена при использовании бинарного льда, по сравнению с CO2мощность охлаждения возрастает на величину не менее 36%;1545) разработан метод определения рациональных режимов работыкриомедицинского оборудования на основе расчета обеспечения дозирования.Он основан на выделении ЦО и определении ПТО для нее. Данный методприменим для всех видов медицинских криовоздействий, а также для другихслучаев, когда необходимо в определенных рамках контролировать изменениетемпературных полей во времени и пространстве;6) проведен анализ результатов расчета МПГГ при РАЛП. Показано, чтоМПГГ при расходе CO2 45±2,5 литра в минуту и температуре минус 5±1,5 °Спозволяет достичь заданной эффективности охлаждения ЦО и обеспечитьбезопасность криовоздействия. По итогам работы получен патент на полезнуюмодель № 156346;7)даныкриомедицинскогопрактическиеоборудованиярекомендациииорганизацииповышенной точностью обеспечения дозирования.попроектированиюкриовоздействийс155ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯin vivo–эксперимент на живом организме (на человеке или наживотной модели)in vitro–технология выполнения экспериментов, когда опытыпроводятся «в пробирке» — вне живого организмаin silico–компьютерное моделирование (симуляцию)эксперимента, чаще биологическогоМПГГ–малоинвазивная полостная газовая гипотермияПТО–протокол температур областиРАЛП–робот-ассистированная лапараскопическая радикальнаяпростатэктомияРГМ–расчетная геометрическая модельТЗ–техническое заданиеТФС–теплофизические свойстваЦО–целевая область криовоздействияБЛ–бинарный лед156СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Кешишев Н.Г., Шадеркин И.А., Корякин А.В., Щербинин С.Н.Криоабляциялокализованногоракапредстательнойжелезы//Экспериментальная и клиническая урология, № 2, 2010.