Диссертация (1026302), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В зарубежной литературе часто встречается метод, предложенныйУ. Перлом [142]. Согласно данному способу процесс выделения теплаописывается следующим образом:Q=qм+Скρкuк(Ta-T),(2.16)где qм – удельный теплоприток от метаболизма, Вт/м3;Ск – теплоемкость крови, Дж/(кг·ºС);ρк – плотность крови, кг/м3;uк – объемный расход крови через определенный объем биоткани,мл/(мл·с);Ta – температура поступающей крови в сосуды ткани, ºС;T – текущая температура ткани, ºС.Входящие в данное уравнение коэффициенты зависят от многихмалоизученных факторов.Специальный метод измерения расхода кровотока (перфузии) основан напогруженииконечности(предплечья)вводянуюванну,мгновенногоперекрытия центральной вены и измерения изменения уровня воды в ванне,который переводится в величину расхода крови.
Авторы приводят зависимостьперфузии крови в вене предплечья в зависимости от температуры окружающейсреды – в данном случае воды. Показывается значительная неопределенностьв величинах расхода кровотока (перфузии), которая может достигать разброса91 % для температуры окружающей среды 10 ºС [143].Shitzer и соавторы предположили, что максимально возможный кровотокможет дать тепловой эффект 40 кВт/(м3·ºС), который представляет из себяпроизведение расхода крови и объемной удельной теплоемкости [144].Chato и соавторы предполагают, что объемная теплоемкость крови2,5 кВт/(м3·ºС), теплоприток от метаболизма – 2,5 кВт/м3 [138].Зарубежные исследователи считают, что теплоприток от метаболизма0,67 Вт/кг при температуре больше 0 °С и отсутствует при температуре меньше0 °С [125,128,129].70Будрик В.В. отмечает, что при средней температуре 23 °С кровотокуменьшается вдвое, при 19 °С – втрое, а при 11 °С – практически прекращаетсясовсем [66].Marcello Osimani приводит данные, что скорость кровотока в нормальнойпредстательнойжелезе(20,32±4,53)мл/мин,приракепростаты(18,36 ± 6,30) мл/мин [145].Отмечается, что в настоящее время точная зависимость перфузии кровиоттемпературынеизвестна.Такаянеопределенностьможетпривестик погрешности в прогнозировании движения фронта замораживании внесколько процентов [125,146].Шафрановым В.В.
и соавторами было изучено влияние органногокровотока на криовоздействие на 12 кроликах породы шиншилла (2,8 кг).Определялось время транзита радиоактивного препарата ксенона (Хе 133) черезпечень. До криовоздействия и после окончания оно практически не отличалось.Полученные данные свидетельствуют о том, что действие низкой температурыносит строго локальный характер: это действие происходит на уровнемикроциркуляторногов гемодинамикуруслаоргана.инеТепловаявноситсущественныхизмененийреакцияокружающихбиотканей,обусловленная активацией метаболических процессов в организме, быстрокомпенсирует снижение температуры перифокально от области воздействия.Важно подчеркнуть, что стабильность кровотока при действии низкойтемпературы указывает на стабильность метаболических процессов, чтонеобходимоучитыватьприрасчетахтепловыхвзаимоотношенийкриоинструмента и биоткани [2].
Также было показано, что крупные сосудырезистентны к холоду. Исключительно устойчивыми к низким температурамоказались коллагеновые и эластичные волокна, структура которых нарушаетсянезначительно, вследствие чего стенки сосудов остаются неразрушенными [18].Следовательно, тепловыделения за счет метаболизма в незамороженной зонеусловно постоянны и в математической модели допускается использоватьисточниковый член.712.6 Описание принципа работы малоинвазивного криохирургическогоинструментаМалоинвазивныйвнутреннююкриохирургическийконструкциюиинструментпредставляетизсебяимеетсложнуюмикродроссельноекриогенное устройство.
Исследование процессов теплообмена и течениярабочего газа внутри зонда представляет из себя отдельную сложную работу,которую возможно провести в дальнейшем вне рамок данной диссертации.Большинствоисследователейпренебрегаютвнутреннейконструкциейкриоинструментов и принимают ее как цельную с заданием температурыв расчетах в виде граничного условия первого рода.Rabin отмечает, что типичный протокол охлаждения для криозондов,работающих на газообразном аргоне на эффекте Джоуля-Томсона следующий:понижение температуры от 37 до минус 145 ºС за 30 секунд, и далее постояннаятемпература минус 145 ºС [147].Данный протокол носит упрощающий характер, который не учитывает,во-первых, работу криозонда под нагрузкой, то есть в биоткани или модельнойсреде, во-вторых, не учитывает, градиент температур по длине рабочейповерхности криозонда, которая, в свою очередь, зависит от типа инструмента.Врамкахданногоисследованияпроведеноэкспериментальноеисследование распределения температуры вдоль длины рабочей поверхностикриозонда типа IceRod криохирургической установки типа Galil SeedNet.
Далеерассчитывалась холодопроизводительность инструмента (раздел 2.7.1).2.7 Расчет низкотемпературного воздействия на модельную средуПостановка задач осуществляется в программном комплексе Ansysв модуле нестационарного теплообмена Transient Thermal. Для расчетав компьютернойпрограммеиспользовалисьтеплофизическиесвойства72желатинового геля. Желатин – это белковый материал, получаемый кислотными щелочным гидролизом соединительных биотканей животного сырья споследующей экстракцией горячей водой. Наиболее важным технологическимсвойством желатина является его способность связывать воду и образовыватьбелковую объемную структуру.
Влагосодержание желатинового геля взято науровне 95 % аналогично используемому в экспериментальных исследованиях(подробно в разделах 3.1, 3.3), проводимых с целью верификации программырасчета.Теплофизические свойства данного материала, такие как теплоемкость,скрытая теплота фазового перехода, криоскопическая температура былиисследованы экспериментально (подробно представлены в разделах 3.4, 3.5).Теплопроводность желатиновогоиз литературы[148].геля принималась на основе данныхЭнтальпиярассчитываласьнаосноведанныхпо теплоемкости, интервалу фазового перехода, скрытой теплоты фазовогоперехода и плотности (Приложение).Технические характеристики оборудования в виде температурногораспределения вдоль рабочей поверхности криоинструментов исследовалисьэкспериментальноГеометрические(подробнопредставленыхарактеристикипринималисьвразделаханалогично3.1.1,3.3.1).проведенныммодельным экспериментам (подробно в разделе 3.3.2).
Теплоприток откровотока и метаболизма отсутствует ввиду проведения опыта на модельнойсреде in vitro.2.7.1 Расчет низкотемпературного воздействия одного криозонда намодельную средуПредставлен общий вид геометрической модели и ее разбиениена конечные элементы (Рисунок 2.8).Криозонд располагался в центре шаблонной решетке с координатой 7Dи вводился соответственно в центр емкости для желатинового геля, длина73рабочей поверхности зонда принималась 40 мм (будет показано нижеиз экспериментальной проверки), где задавалось граничное условие 1 родав зависимости от удаленности от конца зонда (экспериментально определенов разделе 3.3.1).Рисунок 2.8.
Общий вид и конечно-элементная сеткаНерабочая часть криозонда принималась идеально теплоизолированной.Параметры расчета: время – 600 сек; шаг расчета – 1 сек. Геометрическаямодель разбивалась более чем на 3,28 млн. элементов тетраэдральной формы.Представлены температурное поле на 600 секунде расчета (Рисунок 2.9), атакже график изменения температуры в контрольной точке на расстоянии 5 ммв радиальном направлении от поверхности зонда и в осевом на 4 мм вышеконца зонда (Рисунок 2.10).Карта расчета (разработанная автором в процессе работы в программномкомплексе Ansys) представлена в Приложении.74Рисунок 2.9.
Температурное поле на 600 секунде расчета30Температура, °С20100-100100200300400500-20-30-40Время, секРисунок 2.10. График изменения температуры в контрольной точке60075Зона заморозки по форме представляет из себя эллипсоид вращения,ограниченный криоскопической изотермой. Габаритные размеры составили23,6 мм, 23,6 мм и 55,1 мм. Если смотреть в плоскости, то 23,6 мм на 55,1 мм(Рисунок 2.9).Далее данная рассчитанная температурная зависимость сравниваетсяс экспериментальной(раздел 3.3.2, 3.7)ис расчетнойпризаданиихолодопроизводительности инструмента, что показано ниже.С использованием средств программного комплекса Ansys рассчитанарабочая холодопроизводительность криозонда в зависимости от времени,разделенная по участкам по длине криоинструмента (Таблица 8).
Началоотсчета – заостренный наконечник.Таблица 8.Холодопроизводительность криозонда (Вт)Время,Интервалы по длине криоинструмента, ммQ0,сек0-55-1010-1515-2020-2525-3030-3535-40Вт00,000,000,000,000,000,000,000,000,0051,091,291,650,711,981,780,540,289,32101,511,601,801,281,951,840,990,3011,27201,521,521,791,181,891,721,050,3611,02301,551,561,751,141,921,731,080,3611,08401,581,591,771,131,981,751,130,3711,31501,631,621,811,142,021,771,180,4011,57601,631,641,871,152,051,801,220,4211,79701,691,671,861,162,131,831,250,4512,05801,701,691,901,172,121,841,280,4712,17901,741,691,891,202,121,871,300,5012,301001,731,691,921,192,121,861,330,5112,351101,741,711,931,192,121,861,330,5312,411201,751,711,931,192,131,871,360,5412,4976Таблица 8 (продолжение)Время,Интервалы по длине криоинструмента, ммQ0,сек0-55-1010-1515-2020-2525-3030-3535-40Вт1301,771,721,941,192,121,871,370,5412,521601,781,701,951,212,111,901,380,5612,591901,791,751,951,202,111,921,400,5712,692201,791,731,961,212,121,921,400,6012,742501,801,731,951,212,111,941,420,6212,792801,821,731,971,222,121,941,420,6312,853101,841,741,981,232,121,931,440,6412,913401,821,751,961,212,111,941,450,6712,903701,821,741,971,212,101,951,440,6612,894001,831,741,981,242,101,971,460,6712,994301,831,761,981,232,111,971,470,6613,014601,831,761,991,242,111,961,470,6813,044901,851,761,991,252,121,971,480,6913,095201,841,772,011,242,121,981,490,6813,125501,841,751,981,232,091,961,470,6913,005801,841,761,991,232,101,971,490,6713,056001,851,771,991,232,101,981,480,6713,07Среднее суммарное значение холодопроизводительности составило11,95 Вт, при выходе на режим – 13,00 Вт.Далее с целью проверки полученных значений был произведен расчет,аналогичный предыдущему, отличающийся заданием в качестве граничногоусловиявместораспределениятемператур–рассчитанныхзначений77холодопроизводительности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
