Диссертация (Теоретическое и экспериментальное исследование теплообмена при многозондовом низкотемпературном воздействии на биоткани), страница 2

Провести серию численных расчетов. На их основе выработатьпрактическиерекомендацииповыполнениюмногозондового9низкотемпературногомалоинвазивноговоздействияипроектированиюкриоинструментов.6.Сиспользованием расчетаопределитьстепеньтрехмерныхповышениятемпературных полейточностипрогнозированиянизкотемпературного воздействия на биоткани группой малоинвазивныхкриозондов по сравнению с применяемым сегодня подходом.Научная новизна:1. Разработана методика расчета трехмерных температурных полейв биотканиприпроведениинизкотемпературногоиспользованиявоздействия.реальныхмногозондовогоДостоверностьтеплофизическихмалоинвазивногодостигаетсясвойствзасчетбиотканейи действительных характеристик применяемых криоинструментов.2.

Впервые получены экспериментальные данные по теплофизическимсвойствам (теплоемкость в диапазоне температур от минус 140 до плюс 40 ºС,скрытая теплота фазового перехода, криоскопическая температура) по тканямопухолей предстательной железы, а также уточнены данные по модельнойсреде – желатиновому гелю.3. Впервые получены данные по характеристикам малоинвазивныхкриоинструментов – распределению температуры вдоль рабочей поверхностималоинвазивныхкриозондоввзависимостиотвремени,атакжехолодопроизводительность криозондов.Практическая значимость работы:1. Разработаны алгоритм и компьютерная программа моделирования ивизуализациитрехмерныхтемпературныхполейвбиотканипримногозондовом малоинвазивном низкотемпературном воздействии.2.

Получены экспериментальные данные по расходу газообразного аргонав криохирургическом аппарате. С их использованием рассчитаны интервалывремени работы установки в зависимости от начального давления газа вбаллонеи количестваодновременноиспользуемыхкриозондов.Также рассчитано снижение давления газа в баллоне в зависимости от10количества одновременно используемых криозондов и времени.3.

Предложена схема конструкции малоинвазивного криоинструментас повышенноймощностьюохлаждения(холодопроизводительностью),защищенная патентом на полезную модель №154699 от 09.04.2015.4.Предложенырекомендациипоорганизациимногозондовогонизкотемпературного малоинвазивного воздействия на биоткани.На защиту выносятся:1. Методика расчета трехмерных температурных полей в биотканипри проведениимногозондовогомалоинвазивногонизкотемпературноговоздействия. Она включает в себя компьютерную программу моделированиятрехмерныхтемпературныхполейвбиоткани,учитывающуюреальные теплофизические свойства биоткани, а также характеристикииспользуемыхмалоинвазивныхосуществлятькриозондов.Программапозволяетдостоверное прогнозирование положительного результатакриовоздействия.2.Результатытеоретическихиэкспериментальныхисследованийтеплообмена в моделирующей биологическую ткань среде – желатиновом геле,позволившие доказать адекватность результатов разработанной компьютернойпрограммы моделирования.3.Практическиемногозондовогорекомендациинизкотемпературногопоорганизациивоздействияипроведенияпроектированиюкриохирургических инструментов.Апробация работы:Основныеобсуждалисьположенияна следующихирезультатыроссийскихидокладывалисьмеждународныхинаучныхмероприятиях:- Третья Международная конференция с элементами научной школы«Инновационные разработки в области техники и физики низких температур»(г.

Москва, 2013 г.).- Научные семинары «Медицинские, технические и технологические11аспекты фундаментальных проблем роботохирургии» (г. Москва, 2013 г.;2014 г.; 2015 г.).- Международная научно-практическая конференция «Биотехнологияи качество жизни» (г. Москва, 2014 г.).- V Конференция молодых ученых РМАПО «Актуальные вопросыфундаментальной и клинической медицины» (г. Москва, 2014 г.).- VII международная научно-практическая конференции «Криотерапияв России» (г.

Санкт-Петербург, 2014 г.).- XVI международная научно-техническая конференция «Медикотехнические технологии на страже здоровья» (Греция, о. Кефалония,2014 г.).- VIII Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовскиечтения» (г. Уфа, 2014 г.).- Шестая российская национальная конференция по теплообмену(г. Москва, 2014 г.).- VII международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективыразвития» (г.

Москва, 2015 г.).- Международная научно-практическая конференция «Биотехнологиив комплексном развитии регионов» (г. Москва, 2016 г.).- Вторая всероссийская конференция с международным участием «Новыетехнологии в хирургии» (г. Москва, 2016 г.).Публикации: результаты диссертации отражены в 6 научных статьях вжурналах, рекомендуемых ВАК РФ, в том числе 1 в журнале из базыиндексирования Scopus, получен патент РФ на полезную модель, опубликованытезисы 13 докладов.Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, спискалитературы, приложения.

Работа изложена на 157 страницах основного текста,содержит88рисунков,149 наименований.15таблицисписоклитературыиз12Впервойглавевразделе1.1показанасфераприменениянизкотемпературного воздействия на биоткани при проведении хирургическихопераций, которая в настоящее время охватывает почти все области медицины.Приводятся преимущества и недостатки данного метода, отмечается сложностьпрогнозирования границы замораживания и крионекроза. В разделе 1.2проанализированы физические и медико-биологические факторы, влияющие наповреждение биоткани при низкотемпературном воздействии. В разделе 1.3проведены анализ и классификация существующих криохирургическихаппаратов. Сделан вывод о том, что у большинства аппаратов отсутствуютдостаточно точные средства контроля температуры в целевой области,в некоторых имеются попытки реализации данной опции, но отсутствуетполноценный модуль прогнозирования и контроля.

В разделе 1.4 выполненанализ подходов к исследованию процессов теплообмена в биоткани принизкотемпературномтеоретические,воздействии.экспериментальные,Всеподходыможноразделитьнатеоретическо-экспериментальные,вкоторых проводится экспериментальная проверка расчетных моделей иклинические исследования-наблюдения. Экспериментальные методы можноразделить на опыты на животных in vivo, опыты на биологическом материале invitro, а также эксперименты на модельных средах, таких как желатиновый гельили агар-агар. Исследования сводились к определению температурного поля вовсей области при теоретическом моделировании и в контрольных точках приэкспериментальныхработах,сравнениирезультатовтеориииопытапри теоретическо-экспериментальном исследовании. Все авторы принималите или иные допущения, наиболее часто встречающееся у всех – это отсутствиеучета реальных теплофизических свойств биотканей, а также рабочиххарактеристик используемого криохирургического оборудования, что влечетза собой неточность расчетов.

Наиболее рациональным подходом к созданиюспособапрогнозированиярезультатовкриовоздействиясзаданнойточностью является совокупность математического моделирования с широкойи объективной экспериментальной проверкой на реальных биологических13объектах или модельных средах. Описаны подходы и методы математическогомоделирования для данной задачи и сделан вывод о целесообразностииспользования численных методов. В конце главы на основе проведенногоанализа сформулированы цель работы и задачи, которые необходимо решитьдля её достижения.Во второй главе в разделе 2.1 представлены исходные математическиеуравнениярасчетатеплообменавбиотканипринизкотемпературномвоздействии. Они описываются уравнением теплопроводности.

В разделе 2.2сделан вывод о целесообразности использования программного комплексаAnsys для решения поставленной задачи. В разделе 2.3 приведено описаниеразработанной компьютерной программы моделирования температурных полейв исследуемом объекте с использованием группы криозондов. За базовуюоперацию при создании компьютерной программы была взята малоинвазивнаякриоаблация (удаление) предстательной железы.

В разделе 2.4 описаныособенности теплофизических свойств биологических тканей. В разделе 2.5проведен анализ внутренних источников теплоты, которые возникают откровотока и метаболизма. В разделе 2.6 показана необходимость учетаградиента температур по длине рабочей поверхности криозонда, зависящей отконструкцииинструмента.Врамкахданнойработыпроведеноэкспериментальное исследование распределения температуры вдоль длинырабочей поверхности криозонда типа IceRod криохирургической установкитипа Galil SeedNet. В разделе 2.7 проведено теоретическое исследованиенизкотемпературноговоздействияодногоидвухмалоинвазивныхкриоинструментов на модельную среду – желатиновый гель (влагосодержание95 %) аналогично проведенным физическим экспериментам (раздел 3.3.2).Расчеты осуществлены в модуле нестационарного теплообмена Ansys TransientThermal.

В результате моделирования низкотемпературного воздействия одногокриозонда на модельную среду получены температурное поле в течение 600секунд расчета, а также график изменения температуры от времени вконтрольной точке на расстоянии 5 мм в радиальном направлении от14поверхности криозонда и в осевом на 4 мм выше конца криозонда. Рассчитанарабочая холодопроизводительность криозонда в зависимости от времени,разделенная по участкам по длине криоинструмента. Среднее значениехолодопроизводительности составило 11,95 Вт, при выходе на режим –13,00 Вт.Полученныезначениядаливозможностькорректнозадатьхарактеристики криоинструментов в качестве граничного условия 2 рода прирасчете низкотемпературного воздействия двух криозондов на модельнуюсреду, в результате были получены температурное поле в течение 600 секундрасчета и зависимость температуры от времени в контрольной точке.В третьей главе в разделе 3.1 описан экспериментальный стенд,состоящий из двух модулей.