Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена при многозондовом низкотемпературном воздействии на биоткани)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАНа правах рукописиПушкарев Александр ВасильевичТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕТЕПЛООБМЕНА ПРИ МНОГОЗОНДОВОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМВОЗДЕЙСТВИИ НА БИОТКАНИСпециальность 05.04.03 - Машины, аппараты и процессы холодильной икриогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., профессор Д.И. ЦыгановМосква, 20172СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………5ГЛАВА 1. Обзор литературы. Постановка задач исследования…………..171.1.

Сфера применения низкотемпературного воздействия на биоткани…171.2.Факторы,влияющиенаповреждениебиотканипринизкотемпературном воздействии……………………………………...191.3. Анализ существующего криохирургического оборудования…………281.4. Анализ подходов к исследованию процессов теплообмена вбиоткани при низкотемпературном воздействии……………………..381.5. Выводы из анализа предшествующих работ. Постановка цели изадач исследования………………………………………………………ГЛАВА2.Теоретическоеисследование53низкотемпературноговоздействия на биоткани………………………………………………..552.1. Исходные математические уравнения расчета теплообмена вбиоткани при низкотемпературного воздействии…………………….552.2. Анализ и выбор метода решения поставленной задачи……………….622.3.

Разработка компьютерной программы расчета температурных полейпри многозондовом низкотемпературном воздействии……………….662.4. Особенности теплофизических свойств биотканей……………………682.5. Анализ внутренних источников теплоты биотканей………………….682.6. Описание принципа работы малоинвазивного криохирургическогоинструмента……………………………………………………………..712.7. Расчет низкотемпературного воздействия на модельную среду……..712.7.1. Расчет низкотемпературного воздействия одного криозонда намодельную среду………………………………………………………..722.7.2.

Расчет низкотемпературного воздействия двух криозондов намодельную среду………………………………………………………..79ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование низкотемпературноговоздействия на биоткани……………………………………………….813Стр.3.1. Описание экспериментального стенда.

Методика проведенияэксперимента……………………………………………………………813.1.1. Экспериментальный модуль № 1…………………………………….813.1.2. Экспериментальный модуль № 2…………………………………….863.2. Расчет погрешности экспериментов…………………………………...883.2.1. Расчет погрешности эксперимента на модуле № 1…………………893.2.2. Расчет погрешности эксперимента на модуле № 2…………………903.3. Анализ результатов экспериментального исследования……………..923.3.1. Анализ результатов исследования на экспериментальном модуле№ 1………………………………………………………………………923.3.2.

Анализ результатов исследования на экспериментальном модуле№ 2………………………………………………………………………3.4.Описаниеэкспериментальноготеплофизическихсвойствстендабиотканей.дляизмеренияМетодикапроведенияэксперимента……………………………………………………………971033.5. Анализ экспериментальных данных по теплофизическим свойстваммодельной среды………………………………………………………..1073.6. Анализ экспериментальных данных по теплофизическим свойствампредстательной железы………………………………………………...1093.7. Экспериментальная верификация разработанной компьютернойпрограммы расчета……………………………………………………..ГЛАВА4.Моделированиемногозондовогонизкотемпературноговоздействия на биоткани……………………………………………….4.1.Вариантныерасчетымногозондового120123низкотемпературноговоздействия на биоткани предстательной железы…………………...1234.2.

Анализ полученных расчетных данных……………………………….1334.3. Практические рекомендации по организации многозондовогонизкотемпературного воздействия на биоткани……………………...1374Стр.4.4.Практическиерекомендациипопроектированиюкриохирургического инструмента …………………………………....139ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ……………………………………………….140СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………...142СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………...143ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………...1585ВВЕДЕНИЕАнализ перспективных направлений развития медицины показывает,что повышениекачествалечениянеразрывносвязаносвнедрениемв медицинскую практику достижений современной науки и техники [1].Использованиевклиническойпрактикелазерных,ультразвуковых,криогенных, робот-ассистированных хирургических комплексов и другихразновидностейсовременногомедицинскогооборудованияприводитк появлению и быстрому развитию новых более эффективных методовдиагностики и лечения.

К таким методам относится и хирургия, проводимаяс применением низкотемпературного воздействия на биологические ткани(криохирургия). Криохирургический метод лечения входит в переченьвысокотехнологичныхвидовмедицинскойпомощивсоответствиис частью 4 статьи 34 Федерального закона от 21 ноября 2011 года № 323 –ФЗ «Об основах охраны здоровья граждан в Российской Федерации».Криовоздействие обладает достоинствами по сравнению с другимибиофизическими воздействиями, используемыми в медицине. Среди них –бескровность, незначительная по сравнению с альтернативными методамиболезненность процедуры, краткий срок пребывания пациента в стационаре,сочетаемость с терапией и хирургическими вмешательствами, относительнобыстрая регенерация и хороший косметический эффект. Также необходимоотметить, что при криохирургии всегда в разной степени присутствуеткриостимуляция (криоиммунный эффект).

Механизм специфической иммуннойстимуляции основан на том, что при криодеструкции нет денатурациипатологическихбелковинуклеиновыхкислот.Послевоздействияна патологический опухолевый или воспаленный участок биоткани запускаетсямеханизм стимуляции специфического противоопухолевого, противовирусного,антимикробного, противомикозного иммунитета [1-3].Реальная практика проектирования и использования криоаппаратов6выдвигает вопросы повышения эффективности применения низких температурпри удалении различных по формам, размерам и локализации новообразованийвнутренних органов и расширения области применения данного метода.Наиболееперспективнымивэтомнаправленииявляютсятехнологиииспользования многозондовых малоинвазивных криохирургических аппаратов.В отличие от применения одиночного криоинструмента они позволяютформировать внутри организма различные объемные зоны деструкциипатологически измененных биотканей.

Также они позволяют избежать какоткрытого, так и лапароскопического хирургического вмешательства.Для правильного выбора количества и расположения криоинструментовв каждом конкретном случае, а также в связи с отсутствием надежныхдостаточно точных средств контроля результатов воздействия имеетсяпотребность в повышении точности прогнозирования низкотемпературноговоздействия. Правильный выбор подразумевает применение такого наборакриоинструментов, который обеспечивает разрушение заданного объемабиоткани и необходимую скорость протекания процесса замораживанияс заданной точностью. Отсутствие достаточно точных средств контроля иметодов прогнозирования результатов криовоздействия не позволяет хирургубыть уверенным в успешном исходе операции.

Существует реальная опасностькакповреждения здоровыхбиотканей,окружающихцелевуюобластьвоздействия, так и недостижения температуры крионекроза патологическойбиоткани. Эффективность низкотемпературного воздействия при этом вомногом зависит от опыта и подготовки врача, соблюдения техники проведенияпроцедуры на всех этапах операции, а также динамического контролятемпературы в зоне операции и окружающих тканях. Все это значительноограничивает область применения данного метода.Сегодняприпланированиимногозондовогонизкотемпературноговоздействия на биоткани, как правило, применяется так называемый«бабл-пакингметод»(«bubble-packingmethod»).Оноснованнапрогнозировании формы и размеров области воздействия группой криозондов7суммированием зон замораживания, получаемых отдельными криозондами,которые рассчитываются независимо друг от друга [71-72].

Данный подход неучитывает взаимное влияние криоинструментов, что является его слабымместом. В связи с этим он имеет недостаточную точность для решения задачиповышения эффективности криовоздействий.Следовательно,отсутствиемразвитиенадежныхмногозондовыхметодикрасчета,технологийсдерживаетсяпрогнозированиярезультатовмногозондового низкотемпературного воздействия на биологический объект.Для разработки таких методик необходимо получить достаточно точные знанияотеплофизическихсвойствахпатологическихбиоматериалов,охарактеристиках применяемых криоинструментов (длина рабочей поверхностималоинвазивныхкриозондов,распределениетемпературпоней,холодопроизводительность и др.).Разработкадостоверныхметодикрасчетатепловыхполейвбиологических объектах при многозондовом низкотемпературном воздействиисцельюповышенияточностипрогнозированияявляетсяактуальнойпроблемой, решение которой позволит обоснованно выбирать параметры ирежимы криовоздействия, что расширит возможности и повысит качествомедицинского обслуживания.Актуальность данного исследования подтверждается и тем, что внастоящее время одной из основных задач, входящих в перечень критическихтехнологий Российской Федерации является развитие технологий сниженияпотерьотсоциальноновообразований),азначимыхтакжезаболеванийстатистикой(злокачественныхВсемирнойОрганизацииЗдравоохранения, по данным которой в 2012 году произошло около14 миллионов новых случаев заболевания и 8,2 миллиона случаев смерти,связанных с раком.

Ожидается, что за ближайшие 20 лет число новых случаевзаболевания возрастет примерно на 70 %. Это вторая причина смертности послесердечно-сосудистых заболеваний в развитых странах, и общая причина 10 %всех случаев смерти в мире. Показатели заболеваемости и смертности при8онкологическихзаболеванияхпревышаюттаковыепритакихраспространенных заболеваниях, как туберкулез, малярия и СПИД вместевзятые. Среди мужского населения России в структуре заболеваемостизлокачественными новообразованиями наиболее распространены опухолитрахеи,бронхов,лёгкогопредстательной(18,4 %),железы(12,9 %)и кожи (10,0 %). Значимую по удельному весу группу у мужчин формируютзлокачественные опухоли органов мочеполовой системы, составляя 22,9 % всехзлокачественных новообразований.Цельповышениеработы:точностипрогнозированиянизкотемпературного воздействия на биоткани группой малоинвазивныхкриозондов для получения положительного результата лечения.Основные задачи работы:1.Разработатьметодикурасчета,включающуюкомпьютернуюпрограмму расчета трехмерных температурных полей в биоткани принизкотемпературномвоздействиигруппоймалоинвазивныхкриозондов,учитывающую реальные теплофизические свойства биоткани и действительныехарактеристики малоинвазивных криозондов (распределение температур вдольрабочей поверхности, холодопроизводительность).2.

Получить экспериментальные данные по теплофизическим свойствамобразцов биоткани и среды, моделирующей биоткань (желатинового геля)в широком диапазоне температур с применением метода дифференциальнойсканирующей калориметрии.3. Разработать экспериментальный стенд для получения распределениятемпературвдольрабочейповерхностималоинвазивногокриозондаи визуализации зоны замораживания.4. Верифицировать компьютерную программу расчета сравнениемс экспериментальнымиданными,полученныминаразработанномэкспериментальном стенде.5.