Диссертация (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 6

При должном ихразвитии гипотетически упростится контроль и анализ данных (отпадетнеобходимость в онлайн моделировании). Однако останется необходимостьрассчитывать заранее как минимум в первом приближении необходимые дляобеспечения процедуры параметры оборудования.Теплофизическое прогнозирование (планирование) хода воздействия приконкретной его реализации может позволить с достаточной точностьюназначать параметры криовоздействия. Согласно [58] в будущем компьютерноемоделирование будет более широко использоваться для планированиявоздействия при определенном оптимальном расположении оборудования.Такжебудутиспользоватьсятехнологиивиртуальнойреальностидлясимулирования деятельности хирурга и проведения тренировок (в данномслучае тоже может применяться теплофизическое моделирование).

При этомдля совмещения визуализации, прогнозирования и процесса операцииперспективно применять и роботические системы, тем самым повышаетсястепень автоматизации криомедицины. Развитие технологий медицинскойвизуализации, вычислительных мощностей компьютеров и техническихсредств в дальнейшем могут позволить совершенствовать процесс обеспечения30криометодов, что может позволить в будущем криометодам остатьсяконкурентоспособными.С точки зрения видов моделирования необходимо оценивать степеньучета влияния факторов живого организма с необходимой точностью, чтобырешения задач адекватно и полно представляли реальные процессы. Самомоделирование может производиться in vivo, in vitro, in silico. Примоделировании in vivo (к примеру опыты на животных) наиболее полноучитывается влияние на теплообмен центральной нервной системы, системыкровообращения, неоднородностей структуры биоткани.

При физическихэкспериментах in vitro происходит использование реальных тканей безкровотока, теплоты метаболизма. При моделировании in silico процессызаменяютсятепловымиэквивалентами.Компьютерноемоделированиеразделяется на два направления – создание тяжелых с вычислительной точкизрения задач, которые требуют больших вычислительных мощностей имашинного времени, и с другой стороны упрощенных программ для экспрессанализа в том числе и во время воздействия (онлайн контроль). С точки зренияинженерногоподхода,сегоднянеобходимоисследоватьособенностикриовоздействия с точки зрения математического моделирования процессовохлаждения биоткани in silico с достаточной точностью, чтобы подготовитьбазовый подход к созданию средств, реализующих данное криовоздействие.Принимая во внимание описанное выше, необходимо учитывать, чторанее уже проводились исследования с целью расчета параметров и повышенияточности обеспечения дозирования медицинских криометодов.

Среди нихможно выделить работы В.В. Будрика [15,27,59], Д.И. Цыганова [26,28,29],А.Н. Антонова [13], Y. Rabin с соавторами [60-71], K. Kasza с соавторами[50,72-75].ВработеВ.В.Будрика[27]приведенырешениядлярасчетакриохирургических зондов и построения номограмм, связывающих динамикуроста замороженной зоны в живой ткани с геометрическими размерами зондови режимными параметрами криоагента. Основной целью работы являлось31системное исследование теплообменных процессов, сопровождающих работукриохирургических зондов, и создание метода расчета, позволяющего потребуемым размерам зоны промораживанияживой ткани ивремениохлаждения находить рациональные геометрические размеры инструмента.В работах [15,59] рассматривается динамика изотерм в биоткани идинамикадвиженияфронтазамораживания.Представленанаучнообоснованная база для криометодов в медицине (криотерапия, гипотермия,криохирургия и криоконсервация).

Подчеркивается, что сами методы могутбыть различными в зависимости от их назначения, подобно существующимотличиямвстандартныхметодахтерапииилихирургии.Однако,основополагающие физические процессы, сопровождающие криовоздействиена биоткань, в целом прогнозируемы и практически одинаковы. Такжепредставлена теплопередача с учетом реакции организма на охлаждение и еевлияниенарасчет.Методикаосновананапростомматематическомобеспечении без использования современных вычислительных методик имощностей. Причем современные вычислительные пакеты позволяют следитьза изменением температуры во всех точках измеряемой области, и ихиспользование может продвинуть вперед исследования в данном направлении.Для планирования в работах этого автора предлагается номограмма поизменениютемпературыполуограниченномтеле.приТакжезаданныхусловияхпредлагаетсятеплообменакомплектоватьвкаждыйсоздаваемый и применяемый криоаппарат удобными для практики базовымиграфиками, которые будут фактически выражать конкретную интенсивностьтеплоотвода в процессе криовоздействия на тот или иной участок биоткани.Такие базовые графики следует представлять в печатных трудах как исходныепараметры для применяемого криовоздействия на биоткань.Описанные работы В.В.

Будрика представляют практический интерес.Данное направление было бы перспективно развить до цепочки «оператор –результат»ииспользоватьдляанализапроцессакривыеизменениятемпературы в контрольных точках. Вместо номограмм возможно использовать32компьютерные программы теплофизического моделирования.В работе Д.И. Цыганова [26] отдельно указывается, что для успешногоприменения методов криохирургии на практике врачам, планирующимпроведение операции, а также инженерам, проектирующим эффективнодействующую криогенную медицинскую аппаратуру, необходимо не толькоправильнорассчитатьбиологическуюпараметрыткань,Подчеркиваетсяноилокальногоуметьнеобходимостьбиотеплофизическогопрогнозироватьсинтезамоделированиякриовоздействияприегодвухширокойнарезультаты.направлений:иобъективнойэкспериментальной проверке на реальных биологических объектах.

На основепроведенных исследований составлен атлас прогнозирования результатовкриовоздействия (для нужд криохирургии) на нормальные и патологическиизмененные биоткани человека. Также в работе подчеркивается многообразие исложность биологических объектов и вариантов криовоздействия.В работе А.Н. Антонова [13] указывается, что более широкое внедрениекриометодов в практическую медицину сдерживается, в частности, отсутствиемнадежных методов расчета криогенных хирургических инструментов, а такжеметодов прогнозирования результатов воздействия на биологический объект.Потребностьврациональногосозданиивыбораненадёжностьютакихметодовоборудованиясредствконтроляввызванакаждомрезультатовнеобходимостьюконкретномслучае,криовоздействиянабиологический объект.

Рациональный выбор подразумевает создание методасистемного расчета процесса локального криовоздействия на биологическийматериал и другие материалы сложной структуры, содержащие влагу, иразработкенаегоосноверекомендацийпоорганизациипроцессакриовоздействия и проектированию оборудования. Практическое отсутствиесредствконтроляинадёжныхметодовпрогнозированиярезультатовкриовоздействия не позволяет хирургу быть уверенным в результате операции,атакжеможетпривестикнесчастнымслучаямприприменениикриохирургического метода. Несмотря на то, что данная работа произведена33около тридцати лет назад, проблема со средствами контроля и планирования вкриомедицине с того момента кардинально не изменилась.

Однако, общийуровень развития техники за это время открывает значительные потенциалыдля развития средств планирования и контроля.Y. Rabin с соавторами [60,61,63-71] в связи со сложностью полноценногоэкспресс моделирования теплофизических процессов при операции проводятисследованияипредлагаютразличныеподходыкупрощенномумоделированию с целью оптимизации процессов при операции, проведениякомпьютерного планирования операций и обучения хирургов. Указываетсяважность моделирования теплообмена, планирования, совмещения расчета иданных от контрольных датчиков температуры в режиме реального времени, атакже совмещения температурных полей, полученных в результате расчета иизмерения с данными медицинской визуализации.

Отмечается, что в итогерасширение применения измерения температуры в совокупности с специальноподготовленнымиалгоритмамирасчетамогутповыситькачествопрогнозирования результата криовоздействия на более высокий уровень посравнению с их обособленным применением, что может дать возможностьдозировать воздействие с более высокой точностью.

Перспективным являетсясоздание технических систем для упрощения прогнозирования воздействия иконтроля его хода. При этом существует возможность создания автоматическихсистем, выполняющих функции планирования, контроля и выполнениякриовоздействия под контролем хирурга.ВработахK.Kasza[50,72-74]теплофизическоемоделированиеприменяется для расчета гипотермического охлаждения почки с помощьюбинарного льда (БЛ). По тематике местной гипотермии в таком направлениибыло проведено несколько работ, так в [72] с использованием программногокомплекса ABAQUS разработана трехмерная компьютерная модель, служащаядляпрогнозированияохлажденияпочкиспомощьюБЛвовремямалоинвазивной лапароскопической хирургической операции. В публикацияхприведены графики изменения температур во времени воздействия, а также34проведеносравнениесохлаждениемжидкостью.Сиспользованиемпрограммного обеспечения NEK5000 CFD code было проведено моделированиетечения потока крови в сосуде при разделении сосудов надвое.

При этом былиподчеркнуты важность и необходимость использования сопряженного расчетатеплообмена движущихся сред с биотканью.В работе [75] проведен расчет теплообмена методом конечных элементовпри охлаждении почки пакетом, содержащим охлаждающую среду (БЛ).Приведены данные о полученном поле температур и изменении его по времени,проведен модельный эксперимент. В результате работы даны параметрыконечной температуры, скорости ее достижения в конкретном случае.Согласно [30] для развития криохирургии и криомедицины в общемнеобходимаработанадсовершенствованиемкриохирургическихаппаратов,способныхкриохирургическоевоздействиенаиизготовлениемобеспечиватьбиологическиеновыхуправляемоеткани,котороеподтверждалось бы как эмпирическим путем, так и методом математическогомоделирования.Необходимоиспользоватьсовременныекомпьютерныепрограммы в целях определения теплофизических свойств различныхбиоматериалов как при патологии, так и без нее.

При условии создания научнойэкспериментально-практическойбазыдлявнедрениякриохирургическихметодов в полном объеме в практическую медицину с формулированиемпротоколов лечения для практических врачей возможно дальнейшее развитиекриохирургии. Подчеркивается, что пора переходить от «искусства врачевания»к прагматической науке с элементами доказательной медицины.Современный расчет процессов теплообмена в биоткани подразумеваетсоздание компьютерной программы расчета для конкретной геометрическойобластисконкретнымиусловиямиоднозначности,сиспользованиемуниверсальных программных пакетов, реализующих численные методы.Компьютерная программа проходит проверку адекватности с помощьюэкспериментов на модельных средах или животных.

В дальнейшем результатымоделирования используют для прогнозирования процессов теплообмена в35реальных условиях.В данной работе предлагается использовать ANSYS. Это универсальнаяпрограммная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, являющаяся однойиз основных и наиболее известных такого рода программных систем.

Системаприменяется для конечно-элементного решения линейных и нелинейных,стационарныхдеформируемогоинестационарныхтвёрдоготела,пространственныхмеханикизадачмеханикиконструкций(включаянестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактноговзаимодействияэлементовконструкций),механикижидкостиигаза,теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механикисвязанных полей.