Диссертация (Исследование теплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов для проведения роботических операций), страница 7

Иными словами, данная компьютерная программа являетсяуниверсальной платформой для создания расчетных инженерных программ.По составу ANSYS в применяемой версии 14.5 Academic являетсясемейством взаимосвязанных компьютерных программ. В данных программахсперва обрабатывается твердотельная расчетная геометрическая модель(модуль Design Modeler), далее геометрическая модель разделяется насовокупность конечных элементов (модуль Meshing или аналоги). Впрограмме-препроцессоре задается физическая постановка задачи (в данномслучаеиспользуетсямодульCFX-pre).Далеепроисходитнастройкаприменяемых для решения уравнений и других характеристик расчета, и далеепроизводится непосредственно сам расчет.

В программе-постпроцессоревозможно проводить анализ полученного решения (в данном случаеприменяется модуль CFD-post). При этом возможно анализировать изменениямножества параметров как в отдельных точках, так и во всем пространстверасчетной геометрической модели [31].МКЭ сочетает в себе универсальность алгоритмов решения различныхкраевых задач с эффективностью компьютерной реализации вычислений[32,33]. Исходным объектом для применения МКЭ является материальное тело(в общем случае – область, занимаемая сплошной средой или полем), котороеразбивается на части – конечные элементы.36В результате разбивки создаётся сетка из границ элементов.

Точкипересечения этих границ образуют узлы. Ансамбль из всех конечных элементови узлов является основной конечно-элементной моделью тела. Причемдискретнаямодельдолжнамаксимальнополнопокрыватьобластьисследуемого объекта.Для целей расчета сопряженного конвективного теплообмена программаANSYS использует следующий базовый математический аппарат: уравненияпереноса вещества (уравнение неразрывности (1.1), уравнение сохраненияимпульса (1.2)) и уравнение теплопереноса (1.3), которые удовлетворяюттребованиям задачи данной работы, приведенным в разделе 3.2.Уравнение неразрывности:∂ρ+ U ∇ρ + ρ∇U =0 ,∂t(1.1)где ρ – плотность газа (жидкости);t – время;U – скорость течения газа (жидкости).Уравнение сохранения импульса (Уравнения Навье – Стокса):∂ ( ρU ) p + ∇τ + S M ,+ ∇ ( ρU • U ) =−∇∂t(1.2)∂∂∂++ρρρUUUUUU()()()xxxyxz ∂x∂y∂z∂∂∂∇(=ρU • U )  ( ρU yU x ) + ( ρU yU y ) + ( ρU yU z ) ∂y∂z ∂x, ∂∂∂++ρρρUUUUUU()()()z xz yz z ∂y∂z ∂x2Тτ= µ(∇U + ( ∇U ) − δ ⋅∇U ) ,3где p – давление;x, y, z – координаты;(1.3)(1.4)37SM – источник импульса;µ – динамическая вязкость;δ – дельта-функция Кронекера.Уравнения тепловой энергии (уравнение теплопереноса) текучей среды:∂( ρ K )+ ∇ ( ρUK ) = −U ∇p + U ( ∇τ ) + US M ,∂t(1.5)1 2где K = U .2∂ ( ρ h) ∂p− + ∇ ( ρUh ) = ∇ ( λ∇T ) + U ∇p + τ∇U + Se .∂t∂t(1.6)Уравнение состояния реального газа и жидкости (модель Пенг-Робинсона):=pгде v =RTa(T )− 2v − b v − 2bv + b 2 ,(1.7)1ρ;b = 0,0778RTc;pc2T a (T )= a0 ⋅ 1 + n 1 −  ;TcR 2Tc 2a0 = 0, 45724.pcУравнение сопряженного теплообмена (теплообмен между текучим инеподвижным веществами):∂ ( ρ h)+ ∇ ( ρU s h ) = ∇ ( λ∇T ) + S E ,∂t(1.8)где h – энтальпия;λ – теплопроводность;T – температура;US – скорость твердого тела (если твердое тело передвигается в38пространстве);SЕ – источник энергии.Болеесправочныхподробноматематическийматериалах,встроенныхаппарат ANSYS представленвпрограммуWorkbenchвданнойпрограммной системы.Подводя итоги, необходимо отметить, что в литературных источниках невыявлено четкого современного представления о обеспечении параметроввоздействия для криометодов в медицине.При этом для успешного применения криометодов на практикенеобходимо произвести повышение точности обеспечения дозированиякриовоздействий.Дляэтогомедицинскимработникам,планирующимпроведение операции, а также инженерам необходимо уметь прогнозироватьрезультаты локального воздействия на биологическую ткань и проводитьконтроль процесса во время его осуществления.

Также было бы перспективнооценивать качество проведения криовоздействия. Иначе говоря, существуетпотребность в организации планирования, контроля и впоследствии анализапроцессов теплообмена для криомедицины, объединяющей в одну цепочкуработу специалистов разных направлений, связанных с применением иразвитием криомедицины и криомедицинской техники в частности.Для расчета, прогноза хода криовоздействия при конкретной егореализации перспективно проведение вариантных расчетов (для определенияпараметров оборудования в заданной ситуации) с использованием методики,отражающей особенности протекающих процессов. Для этого перспективноиспользоватьтеплофизическоемоделированиепроцедурывцелом(моделирование группы органов), как в предоперационный период, так и вовремя операции в режиме реального времени (при контроле температуры припроцедуре).Насегодняшнийденьданнаяпотребностьреализуетсянедостаточно.

Перспективны исследования по пошаговому обеспечениюэффективности локального воздействия с применением компьютерногоподхода.39Также существует возможность создания автоматических систем,выполняющих функции планирования, контроля, выполнения криовоздействияпод контролем квалифицированного медицинского работника. По полученнымпосле осуществления процедуры данным возможно проводить анализ качестваеепроведения.Такойанализдолжензаключатьсявсравнениизапланированного и реализованного процессов.Перспективным является совмещение имеющихся подходов на основесовременных вычислительных систем и средств автоматики. При этомнеобходимоучитывать,чтодляопределенияконкретныхпараметровкриовоздействия необходимо проведение вариантных расчетов, а такжепроведение анализа качества криовоздействия.

Причем для обеспеченияиндивидуализации процедуры необходимо решить трехмерную сопряженнуюзадачу теплообмена, что невозможно сделать, используя общие методическиерекомендации по проведению криовоздействия.1.3. Необходимые для гипотермии теплофизические параметры и способыих технического обеспечения1.3.1. Целевая температура биотканиВ разделе 1.1 описаны основные направления криометодов в медицине. Вразделе 1.2 поставлена проблема обеспечения точности дозирования и невыявлено общей системы для ее повышения. Чтобы ее разработать необходимоначинать с общего подхода с последующим изучением частных случаев еереализации.

В данной работе в качестве частного случая обеспечениякриометода предлагается рассматривать гипотермию ядра. Исходя из этого, вданном разделе проведен обзор теплофизических параметров гипотермическогоохлаждения и способов их технического обеспечения.С точки зрения теплофизики основным параметром гипотермическогоохлаждения является количество теплоты, которое отводится от биоткани в40процессе криовоздействия в каждый момент времени ее проведения. Однакоколичественно на сегодняшний день его удобно выражать косвенно череззначения температуры контрольных точек и параметры ее изменения (такие какскорость изменения, допустимая точность отклонения значений от заданных).Исходя из этого, на практике основным теплофизическим параметромгипотермии можно представить целевую температуру (другими словамистепень, глубину гипотермии) области биоткани.

Температура источникахолода вторична по сравнению с температурой биоткани, то есть внезависимости от температуры источника холода необходимо должным образомобеспечивать именно изменение температуры биоткани. Однако при этомнеобходимо соблюдать требования динамики и безопасности охлаждениябиоткани. Также необходимо учитывать, что во время процесса поддержаниядостигнутогогипотермическогосостояниятемпературанеявляетсяпостоянной. Она неравномерна как в пространстве охлаждаемого объёма, так ивовремени.Допустимыезначенияэтойнеравномерностидолжныограничиваться исходя из требований каждого конкретного случая охлаждения(по медицинским показаниям).На текущий момент в классификациях глубины общей гипотермии (потемпературе) нет единства.

Согласно литературе [24,52] выделяется умереннаягипотермия – с охлаждением ядра тела до диапазона от 32 до 35 °С, средняягипотермия – от 24 до 32 °С, глубокая – ниже 24 °С. По мнению В.И. Грищенко[18], в зависимости от степени охлаждения тела, о которой обычно судят поректальной температуре, различают следующие виды общей гипотермии:поверхностную (от 35 до 32 °С), при которой обычно используется легкаянейровегетативная фармакологическая блокада; умеренную (от 32 до 27 °С), ссовременным многокомпонентным интубационным наркозом, с искусственнойаппаратной вентиляцией легких, релаксацией, нейровегетативной блокадой;глубокую (ниже 27 °С), при которой, как правило, в кардиохирургиииспользуетсяещеиэкстракорпоральноекровообращение,холодоваякардиоплегия.

Согласно Л.А. Сумбатову [19] к умеренной гипотермии относят41охлаждение в пределах от 32 до 30 °С, а иногда до 29 °С и даже до 28 °С.Глубокой гипотермией считают охлаждение ниже 28 или 27 °С, причемиспользуют охлаждение организма и до уровня от 25 до 18 °С. Такжеохлаждение организма в пределах от 35 до 32 °С называют клиническойглубиной, в пределах от 32 до 25 °С – хирургической, в пределах 25 °С –глубокой, и от 0 °С до минус 8 °С – сверхглубокой, которая присуща скорееестественной гипотермии. По данным других авторов [47,53,76,77], умереннаягипотермия – при температуре выше 30 °C (обычно от 32 до 34 °C).Критический характер гипотермии на уровне 25 °С обусловливаетсяперестройкой метаболических процессов в сердечной мышце.

Это позволяетсчитать, что если применять деление степеней глубины гипотермии наумеренную и глубокую, то биологическая граница между этими градациямиглубины гипотермии для миокарда проходит на уровне 26 °С, т.е. гипотермиядо 26 °С является умеренной, а начиная с 25 °С и ниже – глубокой [19].Каков же оптимальный диапазон температур для общей гипотермии? Вработе А.А. Аврамченко с соавторами [24] предлагается определить его какразумный компромисс между вероятной пользой и осложнениями.