Введение к работе
Актуальность проблемы. Научно-техническая революция создала необходимые условия для внедрения в медицину; достижений науки и техники. С каждым годом лечебные учреядения оснащаются все более современными и эффективными техническими средствами. Ультразвуковая, лазерная и высокочастотная техника стали обычными явлениями в клинике. Широкое применение в медицина находят достижения электроники как основы создания совершенных диагностических и лечебных средств. Большие перспективы открывает использование в медицине низких температур.
Анализ состояния криогенных методов лечения показывает,что с созданием и внедрением в практику криохирургических инструментов, а танке разработкой на ях основе режимов криодеструхции но исчерпываются пути повышения эффективности криохирургии. Проблема применения низких температур требует решения сложных задач криобиологии, создания научно обоснованных рекомендаций относительно цели и области применения метода, разработки теоретических основ процесса локального замораживания, проведения широкого круга экспериментальных и исследовательских работ по изучению теплорзнческих характеристик биотканей, включая и новообразования, изучения и совершенствования криогенных систем для широкого использования в медицине.
Основным условием прогнозирования результатов криоЕоздей-ствия является применение по возможности более простых, но надежных схем. Б этом отношении наиболее оправданным является метод математического моделирования, который основан на точных математических решениях задачи Степана при наличии фазовых превращений. Он обеспечивает возможность получения наибольшего объема информации о динамике развития зоны замораживания, позволяет выработать рациональный подход к управлению процессом замораживания и прогнозированию результатов криовоздейстзия. Предлагаемый метод дает возможность по новому решать проблемы создания новых типов криогенных аппаратов.
Для отражения наиболее полной картины прогнозирования результатов криовоздействия при помощи математического моделирования одной из важнейших проблем является изучение теплофизиче-ских характеристик биологических тканей в широком диапазоне температур. Опыт показал, что именно исследование теплорзиче-ских характеристик позволят понять и уточнить механизм криоло-
4 вреадешя, разработать методики криодеструкции, наметить пути поиска новых эффективных режимов криовоздействия и разработать конструкции более совершенные криоашаратов.
Это вызвано-тем, что при криодеструкции больших по объему новообразований с большим кровотоком известными методами на удается достичь положительного эффекта, поэтому изучение и поиск новых возможностей усиления результатов криодеструкции является актуальной задачей криохирургии.
Совершенствованию криохирургических систем также посвящено" очень много исследований. Достаточно указать на решение таких сложных проблем, как подбор эффективных способов интенсификация процесса теплообмена, обеспечивающих высокие скорости замораживания. Однако эти методы, сыграв полозительную роль и исчерпав свой возможности, в настоящее время объективно сдергиваю? производство универсальных и дешевых криохирургических систем.
Вместе о тем трудности интенсификации процесса теплообмена в крионаконечниках могут быть прёодолены путем повышения эффективности теплообмена, например путем использования насадкв из свинцовых частиц различных диаметров. При этом требуется проведение углубленных теоретических и экспериментальных исследовании по определению процесса теплообмена в криохирургических наконечниках, определению оптимальных режимов криовоздействия, определению теплофизйческих характеристик биотканей. Потребуется разработка новых математических моделей по прогнозированию конечных результатов криовоздействия и на этой основе разработка и создание высокоэффективных универсальных криохирургических систем для воздействия на крупные органы с интенсивным КрОЕОТОКОМ.
Исследования в данном направлении проводились в соответствии с Координационным планом НИР РАН на 1987-2005 гг. по комплексной проблеме "Охрана здоровья населения". Программа направления - криогенная-медицинская техника.
Цели и задачи работа. Процессы, протекающие в биологических тканях, в результате локального замораживания чрезвычайно сложны по своей природе. Они являются результатом взаимосогласованности закономерностей теории кристаллизации из шдкой фазы, динамики температурных полей, теплофизики и физики процессов теплообмена, в криохирургических инструментах. Отсюда большое число разноплановых факторов, регламентирующих работу криохирургических систем, и невозможность предсказания характера развития температурного поля в биологической ткани с локальными источниками теплота.
Основная цель работы заключалась в разработке криогошшх аппаратов на основе математического прогнозирования температурно -времонных характеристик криовоздействия на патологические ткани заданных размеров.
Исходя из основной цели работ.ч, вытекают соответствующие задачи исследования. Важнейшие из них *- следующие: "
анализ особенностей применения криохирургических систем для локального замораяшваніїя биологических тканей со сг яшой структурой и методов прогнозирования результатов криовоздействля , вшвлеш~ условий и факторов, определяющих интенсивность теплообмена в зоне контакта крюинструмент-тканъ;
разработка методики оценки эффективности результатов криовоздействия на биоткани с локальними источниками теплоты;
определение коз.їфиїтиентов теплопроводности и эффективной теплоемкости ряда биологических тканей з шьроком диапазоно температур;
определение динамики температурного поля в тканях со сложной структурой и поиск путей усиления криодеструкции;
анализ теоретических подходов к оптимальним рекимам замораживания и дальнейшее их развитие;
исследоваїше влияния параметров процесса теплообмена на тепловые характеристики слоя замороженной зони;
оообщение полученных результатов исследований, разраб^'ка методики прогнозировашія результатов криовоздействия;
на основании полученных результатов работы разработать образцу новых криохирургических инструментов с поименной эффектна-иостью .ліяообмена.
Научная новизна. Предложенные технологические принципы разработки криогенных аппаратов на основе математического прогнозирсг<а-ния температурно-времэнных характерістш: криовоздействия на патоло-гичесгаїе ткани сложных органов с активнім кровотоком, могут быть квалифицированы как законченный научный труд, в котором на основании выполненных исследований осуществлено реяониа научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Основные положения, научная новизна которых защищаются автором диссертационной работы, являются:
- результаты теоретической модели процесса замораживания слож
ной биологической ткани с локальними источниками теплоты, основан
ные на представлениях о подвігшой границе раздела вода-лед;
новые данные результатов экспериментальных исследований эффективной теплоемкости и теплопроводности биологических тканей;
обоснование гемшратурно-временных режимов криовоздействия как показателя эффективности криохирургического оборудования, способного отводить большие тепловые потоки о локального участка органа; —
конструкции криохирургических аппаратов, позволяющие максимально интенсифицировать процеоо теплообмена в зоне контакта крло-инструмент-биоткань.
Птюктическая ценность и внедрение результатов. Новые подхода в прогнозировании результатов криовоздействия позволили разработать достаточно надежную методику инженерного расчета в смысле совпадения результатов расчета с данными наблюдений динамики температурных полей оиологпчесісих тканей со сложной структурой в процессе локального замораживания, которая позволяет отслеживать изменения скорости фронта замораживания во времени.
Особенность проведонного исследования заключается в его комплексном и завершенном характере. Основные идеи и технические решения, содержащиеся в работе, получили не только теоретическое обоснование, но прошли широкую и серьезную апробацию и получили подтверждение в практическом здравоохранении. Вопросы, относящиеся непосредственно, к і'єче диссертационной работы, доведены до практических ре-комендаций, методик расчета, конструкций аппаратов, конкретных технологических процессов, схем установок.
Новые подходы к прогнозированию результатов криовоздействия позволили разработать ряд криогонных аппаратов, обеспечивающих тем-пературно-временныв характеристики криовоздействия на патологические ткани сложних органов о активным кровотоком в процессе локального замораживания.
По всему комплексу решенных вопросов проведен тщательный патентный поиск и подано восемь заявок на изобретения, большая часть из которых защищена авторскими свидетельствами СССР и патентом Российской Федерациг.
Разработанное автором криохирургическое оборудование внедрено в йазовіос клиниках Омской государственной медицинской академии, городской больнице № 2 г. Тобольска Тюменской области, женской консультации У? 2 г. Барнаула Алтайского края, АО Санаторий "Дружба" Голенджіікісу}юртсершс Краснодарского края и др.
Аптобадая работы. Материалы исследований по темо диссертации докладывались и обсуиздались на ІУ Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике (Москва, 1987); 2-й итоговой научной сессии "Актуальные вопросы реконструктивной и восстановительной хирургии (г. Иркутск, 1984); Республиканской научно-технической конференции "Инженерные вопросы крио- и СВЧ техники в медицине (г. Киев, 1987); 4-й межреспубликанской нв-учной конференции студентов ВУЗов СССР "Холодильные и компрессорные машини и установки" (г. Казань, 1988); Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение" (Москва,1989); ІЬродской конференции аспирантов и соискателей (г.Омск, 1989); конференции "Заболевания поджелудочной железы" (г. Новосибирск,1992); научно-практической конференции КАЗ НИИ клинической и экспериментальной хирургии (г.Алма-Ата, 1993); XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава "Ресурсосберегащие технологии" (г.Омск, 1994); 2-й конференции хирургов-гепатологов "Очаговые поражения печени и гилгосныо опухоли печеночных протоков" (г. Киров, 1994); Всероссийское совещание. "Холодильная техника России. Соотояние и перспективы |Санкт-Петербург, I9S5) ; Ш - конференции хирургов - гепатоло-гов "Новые технологии в хирургической гепатологин (Санкт - Петербург, 1995).
Дуб/ика,ции. По теме диссертации опубликовано 28 работ. На новые аппараты и способы лечения получено 5 авторских свидетельств СССР на изобретения и пагент Р$ на промышленный образец.
Обг м и структура диссер лии. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и содержит 202 страницы машинописного текста, 9 таблиц, 79 рисунков, список использованной литературы из 200 наименований.