Диссертация (1025217), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Причем для решения описанной проблемынеобходимо решать трехмерную сопряженную задачу теплообмена.Для исследования данной проблемы предлагается сконцентрироватьвнимание на одном из рассматриваемых в разделе 1.1 криометодов вактуальной для проведения подробного расчета практической реализации. Вкачестве базового метода для расчета предлагается принять местнуюгипотермию при РАЛП, описанную в разделах 1.3, 1.4. Результаты расчетагазового охлаждения для местной гипотермии при РАЛП имеют актуальноеприменение в рамках робот-ассистированной хирургии. Вызывает интересвозможность реализации и условия успеха предложенного метода получениягипотермии.
Также результаты расчета могут служить примером для оценкиточности обеспечения дозирования охлаждения в медицинских криометодах.Исходя из этого в МГТУ им. Н.Э. Баумана была предпринята настоящаяработа, целью которой является разработка методики расчета и исследованиетеплообмена при охлаждении биоткани внутренних органов человека припроведении робот-ассистированных хирургических операций для обеспечениядозирования криовоздействия с повышенной точностью.Для достижения поставленной цели работы, основываясь на анализепредшествующих исследований, необходимо решить следующие задачи:1) разработать базовую компьютерную программу расчета и провести еёмодернизацию с точки зрения расчетной геометрической модели, граничныхусловий, свойств веществ для перехода непосредственно к моделированиюохлаждения при проведении РАЛП;2)провестисериювычислительныхэкспериментов.Определить64оптимальныевеличинырасходаитемпературыхладоносителейдляконкретных практически реализуемых вариантов охлаждения внутреннихорганов человека.
Провести сравнение результатов с точки зрения глубины имощности охлаждения;3) создать экспериментальный стенд и провести физико-техническиеэксперименты (при использовании моделирующего биоткань желатиновогогеля). Провести сравнительный анализ полученных результатов с расчетными;4) для повышения точности обеспечения дозирования криовоздействийразработатьметодопределениярациональныхрежимовработыкриомедицинского оборудования, основанный на анализе результатов расчетатеплообмена;5)сцельюопределениярежимовохлаждения,требуемыхдляобеспечения безопасности и эффективности Малоинвазивной полостнойгазовой гипотермии (МПГГ) при РАЛП, провести анализ выполненныхрасчетов и дать практические рекомендации по организации рассчитанногокриовоздействия;6) разработать рекомендации по проектированию криомедицинскогооборудования для повышения точности обеспечения дозирования.65ГЛАВА 2.
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВРАБОТЫ КРИОМЕДИЦИНСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ2.1. Протокол температур целевой области воздействия (ПТО)В разделе 1.2 был описан недостаток системного подхода в дозированиикриовоздействия, а также его обеспечении. В разделе 1.3 были рассмотренытеплофизические параметры гипотермии, которые могли бы стать базой дляболее точного обеспечения ее дозирования. Однако, единой системы егопоказателей как с точки зрения медицинских работников, так и с точки зренияинженеров в данном случае выявлено не было.
Также не было выявлено, чтобысоздание техники и технологий проводилось в единой системе с контролемвыполнения действительного процесса в конкретной его реализации.Ранее было указано, что для создания новой медицинской техникитребуется формирование обоснованных критериев построения аппаратуры,обеспечивающих ее эффективное функционирование (рациональных режимовработы). Определение требований к выбору параметров и характеристикаппаратуры связано с изучением процессов, происходящих при взаимодействиитехнических средств и живого организма. При разработке медицинскихизделий основной интерес представляет исследование условий передачивоздействия, сформированного техническими средствами, к биологическимтканям и органам, а также выбор формы, интенсивности, длительности идругихпараметроввоздействия,согласованныхсхарактеристикамифизиологических систем организма [41].Длядостижениявысокойточностиобеспечениядозированиякриовоздействия необходимо разработать инженерный системный подход ковсей цепочке взаимовлияющих частей, от которых зависит точностьобеспечения дозирования криопроцедур.
Такой подход может заключаться вформализации процесса теплообмена при процедуре с разбиением его на66базовые элементы с целью формирования целевой функции. Для этогопроцессы теплообмена в медицинских криометодах возможно представитьобобщенно, разделив на типичные элементы, параметры которых должныосуществляться в определенном допустимом диапазоне.Перед тем как описывать конкретные параметры формализации процессакриовоздействия в определенном диапазоне, необходимо выбрать уровеньрассмотрения механизма протекания процессов теплообмена для инженерногоподхода к данной проблеме, а также более подробно описать понятие целевойобласти криовоздействия (ЦО).Уровень рассмотрения протекания процессов теплообмена в биотканиможет быть микроскопическим (отдельные клетки) и макроскопическим(биологическая ткань).
Микроскопический уровень обуславливает эффекты иособенностипроцессов,протекающихнамакроуровне,накоторомрассматривают процессы как оператор оборудования, так и его разработчик. Вданном случае, исходя из необходимости обеспечения дозирования отводатеплоты на уровне биоткани, предлагается остановиться на рассмотрениибиологических тканей как отдельных материалов, имеющих специфическиетеплофизические свойства (обусловленные микроуровнем, но описанные намакроуровне), без рассмотрения процесса теплообмена на клеточном уровне.Для описания конкретного процесса изменения температуры необходимоопределить область пространства, в которой оно должно происходитьнадлежащим для получения целевого эффекта образом (зона распространениявоздействия). Целевая область (ЦО) – объем биоткани, который необходимоохлаждать строго в условиях допустимого диапазона изменения параметров(требования дозирования).
Вне ЦО, в соседствующих с ней тканях, должныобеспечиваться только требования безопасности (в первую очередь –отсутствие травмирования). То есть для расчета необходимо учитывать иближайшее окружение ЦО, но определяющие целевые процессы происходят вееграницах.ПричемЦОвовзаимодействиискриомедицинскимоборудованием является энергонасыщенной теплообменной системой с67тщательно описанным требуемым изменением тепловых полей в ее объеме втечение времени криовоздействия.Основными качественными сравнительными характеристиками для ЦОвозможно представить фактор энергоемкости и фактор динамики теплообмена.Фактор энергоемкости характеризует количество теплоты, которое в итогенужно отвести от охлаждаемого участка биоткани.
Он может описыватьсяобъемом, общей теплоемкостью, глубиной ЦО. Типичные диапазоны значенийобъема и глубины в авторской оценке представлены в Таблице 2. Причемглубина характеризуется максимальным расстоянием от оборудования до краевЦО (Рисунок 2.1).Рисунок 2.1. ЦО – обобщенный видТеплопроводящие свойства тканей и структурный состав ЦО влияют наинтенсивность процессов теплообмена. Иначе говоря, фактор динамикитеплообмена характеризует теплопроводящие свойства области биоткани,зависящиеформы,количестватиповитеплопроводящихсвойствсоставляющих ее тканей.
Основные теплопроводящие свойства отдельныхэлементов биоткани – это теплопроводность, теплоемкость, плотность,энтальпия в зависимости от температуры и других условий процесса(например,структурныхпревращенийвклетках).Атакжеимеютсядополнительные характеристики – влагосодержание, теплота метаболизма икровотока, индивидуальные характерные температуры (температура некроза,спазма сосудов), выражающие эффекты микроуровня на макроуровне,контактное сопротивление между слоями биоткани, поры, пустоты и так далее.68Более подробно используемые теплофизические свойства биоткани будутописаны в главе 3 и приложении.Таблица 2.Ориентировочные диапазоны значений глубины и общего объема ЦОКриометодЦООбъем, мл.Глубина, ммГипотермиятуловище2000 - 80000,3 - 3оболочки (общая)пациента в20 - 14005 - 4015 - 8010 - 300,5 - 10000,01 - 20воздушномбассейнеГипотермия ядра(местная)отдельныйорган, областьбиотканиКриохирургияотдельныйорган, областьбиоткани, взависимости отинструментаКриоконсервацияпакет скомпонентамикровиКроме того, биологические объекты состоят из множества тканей.
Всоставе конкретной ЦО могут быть различные элементы. Типичные примерыэлементного состава ЦО в авторской оценке для некоторых медицинскихкриометодов представлены в Таблице 3.Как было указано ранее в разделе 1.1, криотерапия включает методылечения, которые основываются на дозированном охлаждении тканей, органовили всего организма [21]. В текущем контексте основой дозированногоохлаждения биоткани является изменение температуры в точках ЦО. Причемдля каждой точки ЦО наблюдается своя последовательность изменениятемпературы во времени, определяемая теплообменом с оборудованием. При69этом необходимо учитывать, что данные условия теплообмена обеспечиваютсявсей цепочкой управления данным процессом вплоть до отвода теплоты вокружающую среду (рассмотрено в разделе 2.2).Таблица 3.Ориентировочные примеры элементного состава ЦОКриометодЦОПример элементногосоставаГипотермияпациент вКожа, жир, мышцыоболочки (общая)воздушном бассейнеГипотермия ядраотдельный орган,Почка, окружающие(местная)группа органов иорганы и соединительныеокружениеткани, сосуды, нервныесплетенияКриохирургияотдельный орган,Предстательная железа,группа органов иуретра, и их окружениеокружениеКриоконсервацияпакет сОдин из компонентовкомпонентами кровикрови либо их набор,криопротекторыВ каждой точке ЦО процесс изменения температуры должен быть вопределенных рамках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
