Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена при многозондовом низкотемпературном воздействии на биоткани), страница 3

Первый предназначен для определениятемпературного распределения на рабочей поверхности криозондов приразличных режимах работы. Второй модуль предназначен для проведениямодельных экспериментов с целью верификации разработанной программырасчета. В разделе 3.2 рассчитаны погрешности эксперимента на первом(± 1,1 ºС) и втором экспериментальном модулях (± 3,1 ºС). В разделе 3.3проанализированырезультатыэкспериментальныхисследований.Сиспользованием первого экспериментального модуля определена длинарабочей поверхности криохирургического инструмента IceRod, котораясоставила 40 мм. В итоге обработки серии экспериментов определена динамикаизмененияповременииспользованиемтемпературывтороговдольрабочейэкспериментальногоповерхности.модуляСпроведеноэкспериментальное исследование низкотемпературного воздействия одного идвухкриозондовнамодельнуюсреду.Вразделе3.4описаныэкспериментальный стенд для измерения теплофизических свойств биотканей иметодикапроведенияэксперимента.Вразделе3.5приведеныэкспериментальные данные по теплофизическим свойствам модельной среды(желатиновыйгель,используемыйверификациикомпьютернойвфизическихпрограммырасчета).экспериментахдляЭкспериментальнополученная криоскопическая температура составляет – минус 0,1 ºС.

При этом15за температуру окончания фазового перехода принимается температура, прикоторой происходит скачок теплоемкости – минус 14,3 ºС. В итоге получается,чтоинтервалфазовогопереходамодельнойсредысоставляетотминус 0,1 до минус 14,3 ºС. Экспериментально полученная величина скрытойтеплоты фазового перехода составляет 301 кДж/кг. В разделе 3.6 приведеныэкспериментальные данные по теплофизическим свойствам предстательнойжелезы. Определена криоскопическая температура образцов тканей опухолипредстательной железы человека – минус 0,5±0,2 °С. Зависимость удельнойтеплоемкости может быть условно разделена на участки: I участок нижетемпературы замерзания свободной влаги (ниже минус 35±5 °С); II участокфазового перехода свободной влаги (от минус 35±5 °С до минус 0,5±0,2 °С); IIIучастоквышекриоскопическойтемпературы(от0,5±0,2°С).Низкотемпературный участок I в наибольшей степени близок к зависимостиудельной теплоемкости воды и отличается от нее для большинства образцов неболее чем на 5 %.

Высокотемпературный участок III повторяет характерзависимости удельной теплоемкости воды и отличается от нее на 10±1 %.Выявлено, что средняя энтальпия фазовых переходов образцов тканейпредстательной железы человека в среднем составляет 260 кДж/кг, и ееотклонение не превышает 3 %. Сравнение расчетных и экспериментальныхданных (раздел 3.7) по линейным размерам зоны замораживания показало, чтоотклонение не превысило 4,7 % и 3,0 % для случая с одним и двумякриозондамисоответственно,чтоявляетсядопустимым.Расхождениетемператур в контрольной точке не превышает 1,3 % и 1,5 %, что доказываетадекватность получаемых результатов при моделировании при использованиигруппы криозондов. Таким образом, разработана уточненная методика расчетатемпературных полей, включающая в себя компьютерную программу расчетатемпературных полей в биоткани при воздействии группой малоинвазивныхкриозондов(экспериментальноверифицирована),методопределениятеплофизических характеристик биотканей, метод получения уточненныххарактеристик криоинструментов.16В четвертой главе в разделе 4.1 описаны серии расчетов с двумя ичетырьмя криозондами при расстояниях между ними от 5 до 30 мм с шагом5 мм, а также расчет с 1 криозондом для сравнительного анализа.

Анализрезультатов проведенных расчетов (раздел 4.2) показал размеры объемов зонзамораживания и крионекроза при использовании одного, а также двух ичетырех криозондов на различном расстоянии между ними. Один криозондимеет возможность замораживания до 10,60 см3 биоткани предстательнойжелезы, два одновременно работающих от 22,28 до 25,46 см3 и четыре от 50,25до 62,48 см3 в зависимости от расстояния между ними. При этом объем зоныкрионекроза для одного криозонда составляет 0,98 см3, для двух от 2,01 до 5,58см3 и для четырех от 4,59 до 21,48 см3. Для рассмотренных случаев в рамкахпроведенной работы в среднем повышена точность моделирования для зонызамораживания на 19,7 % и для зоны крионекроза на 42,9 %. В разделе 4.3 поитогам исследования приведены практические рекомендации по организациимногозондового низкотемпературного воздействия на биоткани.

В разделе 4.4даны практические рекомендации по проектированию криохирургическихинструментов.17ГЛАВА1.ОБЗОРЛИТЕРАТУРЫ.ПОСТАНОВКАЗАДАЧИССЛЕДОВАНИЯ1.1 Сфера применения низкотемпературного воздействия на биотканиПрименение охлаждения в качестве эффективного средства ослабленияболи, лечения травм и воспалений было известно со времён античности,но получило признание как приемлемая медицинская методика лишь с 1960-хгодов. История развития и практические применения криохирургии описаныво множестве публикаций [4-7,73-77].Сфера применений низкотемпературного воздействия на биотканипостоянно расширялась и в настоящее время охватывает почти все областимедицины.Наиболееширокоеприменениеметоднашелвхирургиидоброкачественных и злокачественных новообразований, а также слизистыхоболочек и часто применяется в областях дерматологии и косметологии,детской хирургии.

Также низкотемпературное воздействие используется вгинекологии, нейрохирургии, офтальмологии, отоларингологии, стоматологии,ветеринарии, проктологии и других областях медицины, когда требуетсяпровести деструкцию некоторого объема биоткани [8-12, 76,78,79].Существуетрядконкурирующихскриохирургиейтехнологийрадиочастотной, микроволновой, лазерной, ультразвуковой, открытой аблациии их комбинаций [80].

Все эти методы не лишены недостатков и находятпреимущественное применение в различных частных случаях, являясьметодами выбора. Со временем технологии совершенствуются: исследуются сфизической и биологической стороны процессы проведения процедур,обобщается опыт практического применения, вырабатываются рекомендации,внедряются новые материалы и информационные технологии, осваиваютсяновые образцы оборудования.

Исходя из этого, изменяется их диспозиция вобластях практического применения.18Сегодня низкотемпературное воздействие на биоткани перспективнов качествеальтернативногометодасминимальнымповреждениемокружающих опухоль здоровых тканей [74]. Имеются значительные успехив применениикриохирургиивсочетанииспредварительнымсверхвысокочастотным нагревом при лечении гемангиом [13-15,81], а такжев урологии, где в Российской Федерации в настоящее время внедряютсятехнологии многозондовой малоинвазивной криохирургии [16,74,82,83].Среди преимуществ криохирургии: простота исполнения, сочетаемостьс терапиейихирургическимибезболезненность,косметическийотносительноэффект,вмешательствами,быстраярегенерацияиммуностимулирующеедействие,бескровность,ихорошийпотенциальновозможен большой диапазон объемов воздействия, применимость для больныхпреклонного возраста и при наличии сопутствующих заболеваний, краткийсрок пребывания в стационаре [2,3].Недостатки данного метода: сложность прогнозирования и контроляграницы замораживания и крионекроза, перифокальный отек, необходимостьподдержания запасов криоагента, малое количество методической информациии обобщающихпрактическихрекомендаций,таккаквосновномрассматриваются частные клинические случаи.Кроме того, криодеструкция часто более затратный во временномотношении метод, чем, например, электрокоагуляция или хирургическоеиссечение той же опухоли.

Криохирургическое оборудование требуетподдержания запасов криоагента, что не всегда является удобным в условияхмедицинского учреждения.Нельзя не обратить внимание на стоимость операций, которая сегоднясильно зависит от применяемых криохирургических аппаратов (КХА), обзори анализ которых приведен ниже в разделе 1.3.191.2Факторы,влияющиенаповреждениебиотканипринизкотемпературном воздействииПовреждение биоткани при низкотемпературном воздействии можноразделить на первичное, связанное с непосредственной деструкцией клеток поддействием низких температур и вторичное, появляющееся в результатенарушения гемодинамики и в ходе асептического воспаления целевойобласти [2].Основнымифакторами,оказывающимивлияниенапервичноеповреждение и разрушение биотканей, являются достигаемая температурав целевой области, скорость охлаждения, скорость оттаивания, время выдержкидостигнутой температуры, механические напряжения в объеме биоткани,возникающие вследствие разницы удельных объемов жидкой и твердой фаз.Следует выделить отдельные факторы, которые относятся к способам усилениякриогенного воздействия – многократные циклы замораживания-оттаивания,введениевзонувоздействиясверхвысокочастотное(СВЧ)различныхилирастворов,ультразвуковоепредварительное(УЗ)воздействие,многозондовое воздействие и др.

[1,2,13,15].В большинстве случаев в качестве индикатора температуры некроза(необходимая температура для разрушения биоткани) используют значениеминус 40 °С [84-87]. Были проведены испытания на крысах, в которыхподвергали криовоздействию биоткани колоректального рака в печени. Повсему объему зоны была достигнута температура не менее минус 38 °Си впоследствии не было рецидивов [88]. Это дало основание выдвинутьгипотезу о том, что для достижения некроза достаточна температураминус 40 °С. Для биотканей предстательной железы также температуройкрионекроза принята температура минус 40 °С [1]. По биотканям легкогоу исследователей данные расходятся.

Так в [17,89] приводится температураминус 30 °С, тогда как в [90] – минус 50 °С. Клетки биоткани почекподвергаются крионекрозу при температуре минус 20 °С [1], для печени20рекомендуют минус 50 °С [91]. Некоторые исследователи приводят значениеминус 20 °С как температуру, при которой погибают клетки биоткании комплекс капилляров ней, при этом не ссылаясь на определенный тип [18].Cooper I.S. в 1964 году заявил, что для гарантированной гибели опухоли,надо выдержать ее при температуре минус 20 ºС не менее 1 мин [92].Как утверждает Hayes L.R.