автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электронное устройство для высокотемпературного разрушения патологических образований ткани кости

На правах рукописи

ХУТОРНОЙ Александр Юрьевич

ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПАТОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ ТКАНИ КОСТИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Томск-2014

005554430

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники на кафедре Промышленной электроники.

доктор технических наук, профессор Кобзев Анатолий Васильевич

Брованов Сергей Викторович

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой вычислительной техники

Новосибирского государственного технического университета

Пеккер Яков Семенович

кандидат технических наук, профессор, академик РАМНТ, заведующий кафедрой медицинской и биологической кибернетики Сибирского государственного медицинского университета

Ведущая организация - Национальный исследовательский Томский

политехнический университет

Защита состоится «25» декабря 2014 года в 15:15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, д. 146

Автореферат разослан « 3 о» Л о_2014 года.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь ^

диссертационного совета ^/У^/уг Зыков Дмитрий Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А1сгуальность работы. Устройства, реализующие способ высокотемпературного разрушения живой ткани, широко известны и достаточно давно применяются в медицинской практике, например, ультразвуковая система «.1С», аппарат «Яхта-4». Костная ткань, помимо естественной системы термостабилизации, обладает защитным кортикальным слоем, являющимся непреодолимым барьером для большинства волн, используемых устройствами для бесконтактного прогревания биологической ткани. Несмотря на активную работу в этом направлении, высокотемпературное разрушение кости либо применяется с ограничениями, либо не применяется вовсе. Основные проблемы применения известных устройств для нагрева костной ткани связаны с вредными побочными эффектами при доставке тепла в пораженную область и с трудностями в обеспечении гарантированной равномерности нагрева этой области до температуры разрушения белка. Именно эти задачи поставлены и решены в предлагаемой работе.

Актуальность работы заключается в необходимости разработки и исследования нового способа высокотемпературного разрушения пораженной области костной ткани и устройства, реализующего данный способ.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства для высокотемпературного разрушения патологических образований кости для решения проблемы нагрева и стабилизации температуры в области воздействия.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение обзора, анализа и выявление сильных и слабых сторон известных на данный момент отечественных и зарубежных разработок в области нагрева биологических тканей до температуры разрушения.

2. Обоснование применения игольчатых нагревателей, позволяющих осуществлять нагрев костной ткани без побочных эффектов.

3. Обоснование применения структуры и схемы электронного устройства на основе моста Уитстона для нагрева и стабилизации температуры костной ткани.

4. Разработка методики применения устройства для высокотемпературного разрушения патологических тканей кости, для чего произведен анализ распределения температуры в зоне нагрева.

5. Получение формулы определения количества нагревателей, необходимых для равномерного прогрева пораженной опухолевым процессом области кости.

6. Экспериментальное подтверждение теоретических предположений и расчетов, а также выполнены лабораторные эксперименты на предмет практического применения разработанного устройства для высокотемпературного разрушения патологических тканей кости.

Объектом исследования в диссертации является электронное устройство для нагрева патологического участка кости до температуры разрушения белка.

Предметом исследования являются способы и устройства реализации метода высокотемпературного разрушения опухоли кости, их тепловые, точностные и динамические характеристики.

Для достижения цели и решения поставленных в диссертации задач применялись следующие методы исследования:

1. Теория расчета электрических цепей;

2. Теоретические методы исследования стационарных тепловых полей;

3. Методы моделирования тепловых полей на основе электротепловых аналогий;

4. Методы статического и динамического моделирования тепловых полей в программной среде технического анализа АЫЗУБ®.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается непротиворечивостью результатов и выводов с ранее полученными данными исследований, а также совпадением результатов численных расчетов с экспериментальными данными, включая лабораторные исследования на неживой костной ткани, а также положительными результатами внедрения материалов диссертации в исследовательскую практику Томского НИИ онкологии и в учебный процесс Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложенный способ реализации метода высокотемпературного разрушения опухоли кости с осуществлением нагрева в два этапа обеспечивает равномерность прогрева и уменьшает возможность метастазирования.

2. Устройство для реализации способа высокотемпературного разрушения костной ткани позволяет обеспечить воздействие на патологические ткани кости любой локализации без побочных отрицательных эффектов.

3. Предложенная конструкция нагревателя позволяет осуществлять нагрев до температуры термического разрушения участка кости, пораженного

патологическим процессом, без хирургического вмешательства и введения датчиков температуры в опухоль.

4. Использованные модели нагрева костной ткани в среде АЫЗУБ® позволяют получить достоверные данные о процессе передачи тепла от нагревателей в нагреваемую область кости.

Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, связанных с разработкой и реализацией электронного устройства для осуществления способа высокотемпературного разрушения костной ткани:

1. Предложен и разработан способ высокотемпературного разрушения опухоли кости, обеспечивающий равномерный прогрев области воздействия до температуры разрушения белка и не требующий хирургического вмешательства при его реализации.

2. Для реализации разработанного способа предложено использовать устройство для реализации локальной гипертермии, изменив температурные режимы работы этого устройства.

3. Предложена и исследована конструкция нагревателей для высокотемпературного разрушения костной ткани, обеспечивающая возможность его введения в кость без необходимости хирургического вмешательства, а особенность нагревателя выступать в роли датчика температуры исключает необходимость введения дополнительных термодатчиков в область нагрева.

4. Разработана и проанализирована тепловая модель процесса нагрева области кости пораженной патологическим процессом.

5. Получена и проверена формула определения количества нагревателей в зависимости от линейных размеров опухоли кости.

Практическая ценность работы заключается в применении устройства для высокотемпературного разрушения опухоли кости в лечении онкологических заболеваний в онкологических клиниках, НИИ онкологии, онкологических отделениях стационаров и онкологических центрах. А так же применение устройства для научных исследований в сфере воздействия высоких температур на патологические ткани кости.

Реализация результатов работы осуществлена путем внедрения экспериментального образца устройства управления температурой в незамкнутом объеме живой ткани для возможности проведения лабораторных испытаний в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Томский научно-исследовательский институт онкологии» (акт внедрения от 15.09.2014), а также путем внедрения в учебный процесс Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 10.09.2014).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных и научно-практических конференциях различного уровня, в числе которых:

1. Ежегодная научно-практическая конференция студентов 1-4 курсов кафедры Промышленной электроники (Томск, 2009);

2. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2010" (Томск, 2010);

3. Выставка научных достижений молодых ученых ТУ СУР (Томск, 2011);

4. Региональная выставка научных достижений молодых ученых «СибНова-2012» (Томск, 2012);

5. XXV Международная научно-практическая конференция «Инновации в науке». Диплом лауреата (Новосибирск, 2013);

6. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2013" (Томск, 2013);

7. II международная научно-практическая конференция "Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований" (Москва, 2013);

8. Открытая выставка научных достижений молодых ученых ТУСУР "Рост.ир!" (Томск, 2013);

9. Программа «УМНИК-2013» (Томск, 2013);

10. Международный форум «Фармацевтика и медицинские изделия» (Томск, 2014).

Личный вклад автора:

Работы, выполненные в коллективе:

1. Разработка структуры устройства для высокотемпературного разрушения опухоли кости.

2. Создание экспериментального образца устройства для нагрева и стабилизации температуры в биологической ткани.

3. Постановка целей и задач для экспериментального исследования.

4. Способ высокотемпературного разрушения опухоли кости предложен в соавторстве, исследования и подготовка к публикации полученных результатов проводилось диссертантом, причем вклад был определяющим.

Работы, выполненные лично автором:

1. Разработка конструкции нагревателя, изготовление опытных образцов нагревателей.

2. Разработка тепловой модели процесса нагрева области кости пораженной патологическим процессом.

3. Экспериментальное исследование процесса нагрева неживой костной ткани и анализ полученных результатов.

4. Получение формулы для определения количества нагревателей в зависимости от линейных размеров опухоли.

Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе две - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получено два патента на полезные модели и два патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 106 страницах основного текста, содержат 51 иллюстрацию, 8 таблиц, 2 приложения. Библиографический список включает в себя 60 наименований.

Автор выражает благодарность за помощь в работе над диссертацией:

Семенову Валерию Дмитриевичу, к.т.н., профессору кафедры промышленной электроники ТУСУР;

Пахмурину Денису Олеговичу, к.т.н., доценту кафедры промышленной электроники ТУСУР;

Жеравину Александру Александровичу, к.м.н., старшему научному сотруднику Томского НИИ онкологии;

Климову Игорю Александровичу, к.м.н., научному сотруднику Томского НИИ онкологии;

А так же коллегам из лаборатории биомедицинских технологий кафедры промышленной электроники ТУСУР и ООО «ПромЭл», осуществлявшим разработку устройства для реализации локальной гипертермии опухолей мягких тканей.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели, задачи и методы исследования, отражена практическая значимость работы, ее новизна, раскрыты положения, выносимые на защиту, отражены сведения о практическом внедрении системы нагрева и автоматической стабилизации температуры, а также о публикациях автора и апробации работы.

В первой главе проведен анализ истории развития способа высокотемпературного воздействия на костную ткань, вкратце рассмотрено влияние высокой температуры на организм больного, приведена классификация способов высокотемпературного разрушения опухолей кости с указанием в ней

места предлагаемого способа высокотемпературного разрушения опухоли путем непосредственного нагрева.

В результате проведенного обзора литературы, а также по итогам консультаций со специалистами Томского НИИ онкологии систематизированы и сформулированы условия к устройствам, реализующим способ высокотемпературного разрушения опухоли кости, которые необходимо выполнить, чтобы лечение было успешным:

1. Температура в опухоли должна достигать температуры свыше 65 °С, так как при этой температуре белок подвергается разрушению.

2. Время выхода на заданную температуру должно быть не более 10 минут. Это необходимо, чтобы как можно быстрее пройти температурный интервал, способствующий ускорению роста опухоли.

3. Длительность процедуры нагрева должна составлять 1 час.

4. Высокотемпературное разрушение проводится однократно, гибель опухоли достигается после первой процедуры.

5. В первую очередь должно осуществляться условие изоляции опухоли разрушенной костной тканью в пределах здоровых тканей для уменьшения метастазирования.

6. Распределение температуры в области нагрева должно быть максимально равномерным, без недостаточно нагретых участков.

7. Должна быть обеспечена безопасность пациента и персонала, осуществляющего процедуру лечения.

8. Область нагрева должна быть минимизирована и затрагивать только опухоль и непосредственно примыкающую к ней здоровую ткань.

Указанные условия положены в основу разработанного способа высокотемпературного разрушения опухоли кости путем непосредственного нагрева. Предлагаемый способ заключается в том, что после определения локализации опухоли осуществляется введение нагревателей вокруг и равномерно внутри опухоли, разогрев пораженной области до температуры свыше 65 "С и поддержание этой температуры в течение 60 минут. Согласно способу нагрев опухоли производится в два этапа. На первом этапе проводится первичное разрушение белка вокруг опухоли в пределах здоровой ткани, для этого вокруг опухоли под воздействием ультразвуковых колебаний вводятся нагреватели внешнего круга и осуществляется нагрев при температуре стабилизации нагревателей 95 °С в течение 30 минут, при этом заданная температура стабилизируется в течение всего времени воздействия. Благодаря этому воздействию появляется разрушенная цилиндрическая область, внутри

которой расположена опухоль, не позволяя метастазировать через кровоток. На втором этапе проводится полное разрушение всего объема кости, заключенного между нагревателями внешнего круга и включающего как здоровые, так и опухолевые ткани. Для этого в область кости, заключенную между нагревателями внешнего круга, в намеченные точки под воздействием ультразвуковых колебаний вводятся дополнительные нагреватели равномерно по всему объему опухоли. После этого осуществляется высокотемпературное разрушение при температуре всех нагревателей 95 °С в течение 25-30 минут со стабилизацией заданной температуры всех нагревателей в течение всего времени воздействия.

Нагрев осуществляется с помощью резистивных игольчатых нагревателей. Применение нагревателей игольчатой формы обеспечивает нагрев опухоли кости, расположенной на любой глубине. Длина игольчатых нагревателей подбирается индивидуально в каждом случае, чтобы обеспечить равномерный нагрев опухоли.

Длина нагревательного элемента нагревателя должна быть больше на 20 мм (не менее чем на 10 мм вверх и 10 мм вниз) максимального линейного размера опухоли в вертикальной плоскости. Наличие этого запаса по высоте обеспечит равномерный прогрев необходимого размера области. Такие границы определены в ходе моделирования распределения тепловых полей в главе III и подтверждены экспериментально.

Фокусировка нафева в опухолевой ткани решается при помощи особого расположения игольчатых нагревателей (рисунок 1) по окружности вокруг опухоли в пределах здоровых тканей и равномерно внутри нее. При этом форма опухоли может быть любой.

Нагреватели внешнею круга

Нагреватели внутреннего круг а

Граница опухоли

Рисунок 1 - Схема расположения игольчатых нагревателей относительно опухоли (вид сверху)

Во второй главе представлены структура комплекса и функциональная схема одного канала стабилизации температуры нагревателя, а также результаты моделирования процесса нагрева кости с наиболее распространенными локализациями опухоли. В главе подробно рассматривается система для нагрева и автоматической стабилизации температуры. Функциональная схема одного канала стабилизации температуры представлена на рисунке 2.

ВИП — вторичный источник питания; Кл — ключевой элемент;

ПД - пропорциональный делитель; ЗС - задатчик сопротивления;

К - усилитель

Рисунок 2 - Функциональная схема канала стабилизации температуры

Использование измерительного моста Уитстона для обеспечения стабилизации температуры является особенностью схемы. При изменении температуры нагревательного элемента меняется его сопротивление, тем самым, меняя сигнал ошибки, снимаемый с плеч моста (рисунок 3).

В основе стабилизации температуры лежит свойство материала изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. При увеличении температуры сопротивление нагревателя увеличивается и появляется разность потенциалов, которую с помощью операционных усилителей схема выводит на нужный уровень. Уровень этого сигнала использует система управления для формирования длительности открытого состояния ключа. При температуре 95 °С плечи измерительного моста выравниваются и разность потенциалов становиться равной нулю.

С использованием теплофизических свойств биологических тканей были построены и рассчитаны тепловые модели процесса нагрева опухоли кости двух наиболее распространенных мест локализации. Первая модель создана для опухолей, расположенных на поверхности кости и частично или полностью разрушающих ее кортикальный слой, вторая модель отображает процесс нагрева опухоли, расположенной внутри кости, не выходя за ее пределы. Моделирование проводилось в среде А^УБ® - универсальной программной системе конечно-элементного анализа. Результаты моделирования представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 - Модель процесса нагрева кости с опухолью, расположенной

На рисунке 4,а приведена ЗО модель кости с опухолью, расположенной на поверхности кости. Вокруг опухоли и равномерно по ее объему расположены нагреватели, температура стабилизации которых составляет 95 °С. В модели реализовано поэтапное включение нагревателей согласно способа высокотемпературного разрушения опухоли кости путем

а

б

на поверхности кости

непосредственного нагрева. Результат моделирования процесса нагрева приведен на рисунке 4,6.

На рисунке 5 приведена зависимость температуры для узла одного из конечных элементов, расположенных вблизи центра опухоли.

100,00 95,00 90,00 85,00 80,00

0 75,00

го

р 70,00

(О

& 65,00

1

,2 60,00 55,00 50,00 45,00 40,00 35,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Время, мин

Рисунок 5 - График зависимости температуры в центре опухоли

от времени

На модели отчетливо видно, что опухоль полностью и равномерно прогревается до температуры свыше температуры разрушения белка. Из графика зависимости температуры центра опухоли от времени видно, что после включения всех нагревателей область около центра опухоли прогревается за 2 минуты до температуры свыше температуры разрушения белка.

Моделирование процесса нагрева опухоли, находящейся в пределах кортикального слоя (внутри кости), не выходящей за пределы кости, происходило по известной схеме. Всем частям модели были заданы теплофизические свойства, соответствующие реальным биологическим объектам. На модели опухоль располагается в костном мозге, затрагивая губчатое вещество кости, (рисунок 6,а)

а б

Рисунок 6 - Модель процесса нагрева кости с опухолью, расположенной

на внутри кости

По графику зависимости температуры одного из узлов конечного элемента вблизи центра опухолевой ткани от времени нагрева (рисунке 7) видно, что до температуры разрушения (свыше 65 °С) центральная область опухолевой ткани прогревается через 12,5 минут.

100,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Время, мин

Рисунок 7 - График зависимости температуры в центре опухоли

от времени

В третьей главе рассмотрены конструктивные особенности нагревателей, даны рекомендации по изготовлению нагревателей, проведено моделирование процесса передачи тепла от нагревательного элемента к

поверхности нагревателя при интенсивном охлаждении поверхности. С использованием электротепловой аналогии получены кривые нагрева каждого составного элемента нагревателя.

Для передачи тепла от системы нагрева и автоматической стабилизации температуры в нагреваемую область костной ткани необходимы нагреватели. Кость достаточна тверда для обычного прокола, поэтому потребуется проработка конструкции нагревателей, которая позволит проходить самый плотный, кортикальный слой кости. Нагреватели должны иметь форму иглы и возможность введения в организм под действием ультразвуковых колебаний -это облегчит введение нагревателей в кость и дополнительно обработает канал введения высокой температурой, что будет препятствовать кровотечению за счет прижигания кровеносных сосудов. Согласно конструкторским и техническим требованиям, а также рекомендациям онкологов была разработана конструкция, представленная на рисунке 8.

Рисунок 8 - Составной нагреватель (в разрезе)

Кожух нагревателя 1 представляет собой трубку. С одной стороны трубки приварено цилиндрическое основание, с другой стороны трубки вставлен и приварен острый наконечник. Все соединения за счет сварки составных частей выдерживают ультразвуковые колебания. В результате кожух нагревателя может беспрепятственно проникать через кортикальный слой кости. Нагреватель 2 представляет собой нержавеющую трубку с нагревательным элементом 3 внутри в виде обмотки медного провода. Для улучшения теплопередачи между составными частями нагревателя полость между обмоткой и трубкой нагревателя заполнена теплопроводящей пастой.

Нагревательный элемент - основной функциональный узел игольчатого нагревателя (рисунок 9).

Рисунок 9 - Трехмерная модель нагревательного элемента

По конструктивным требованиям нагревательный элемент должен быть помещен в нержавеющую трубку с внутренним диаметром 0,5 мм, для обеспечения устойчивости к внешним механическим повреждениям. Для увеличения площади теплоотдачи необходимо расположить нагревательный элемент как можно ближе к внутренней поверхности трубки. Этого можно добиться путем намотки нагревательного элемента на стержень. Один вывод нагревательного элемента - центральный стержень, второй — провод обмотки.

Воспользовавшись электротепловой аналогией, процесс теплообмена между слоями нагревателя был представлен в виде электрической схемы, при условии соответствия параметров теплообмена Q, Д Т электрическим параметрам I, Аср. Численные величины тепловой емкости и сопротивления составных частей нагревателя были рассчитаны в соответствии с их массогабаритными показателями (рисунок 10).

95 В

Трубка «е^амкнца«

Трубка «еожамкхогж

36,6 в

О

га_

-о-

-о-

О» -

Рисунок 10 - Схема замещения электрическая принципиальная

Для построения модели выбрана среда моделирования ЬТБрюе IV. В этой программе была разработана модель в соответствии с электротепловой аналогией, где эквивалентом теплоемкости является электрическая емкость конденсатора, а мощность, подаваемая в обмотку нагревателя - ток, втекающий в конденсатор. Далее, в зависимости от температуры обмотки нагревателя (напряжения на конденсаторе), вычисляется его сопротивление. На рисунке 11 приведена модель канала стабилизации температуры в программной среде ЬТБрюе IV. Задающим воздействием для устройства является номинал регулируемого сопротивления.

э

в программной среде ЬТБрюе IV С помощью модели канала стабилизации температуры с нагревателем были получены графики процесса нагрева на границах составных частей нагревателя (рисунок 12).

1 — обмотка нагревательного элемента; 2 - граница термопаста -внутренняя часть нагревателя; 3 - поверхность нагревателя; 4 - граница термопасты и внутренней части кожуха нагревателя; 5 - поверхность кожуха

нагревателя

Рисунок 12 - Результаты моделирования в программной среде ЬТ8рюе IV

Анализ распределения температуры был проведен с помощью моделирования в системе ANSYS®. В ходе моделирования было создано большое количество пространственных моделей. Модели отличались размером опухолевого узла и количеством нагревателей. В качестве исходных параметров задавались тепловое сопротивление, тепловая емкость, плотность материала игольчатых нагревателей и окружающей ткани, а также геометрические размеры области нагрева. В результате был получен целый ряд статических и динамических картин распределения температуры в области нагрева.

В ходе анализа всех тепловых моделей, их статических и динамических картин распределения температуры в области нагрева, автором была получена формула расчета необходимого количества нагревателей внешнего круга в зависимости от диаметра опухоли (1):

N„ > Tfcw • (^оп + Доп)1. О)

где Nu - количество нагревателей внешнего круга, шт;

£)оп — максимальный размер опухоли в горизонтально плоскости, мм;

Доп — отступ от границы опухолевой ткани, для введения нагревателей;

kN - поправочный коэффициент (kN = 0.3 мм-1).

Для полных методических рекомендаций применения устройства для реализации способа высокотемпературного разрушения опухоли кости необходимо знать количество нагревателей внутренней области, а также их расположение. Для решения этой задачи область, ограниченная внешним кругом нагревателей, разбивалась на равносторонние треугольники, размер которых соответствует максимальному размеру треугольника, обеспечивающего прогрев до температуры разрушения белка (сторона треугольника не более 1,5 см). На основании результатов моделирования была выведена формула расчета необходимого количества нагревателей, расположенных внутри области нагрева (2).

NB > \kN1 ■ (Don + Aon)2 - kN2 • (Don + Доп) + П. (2)

где NB - количество нагревателей внутри зоны нагрева, шт;

Don — максимальный размер опухоли в горизонтально плоскости, мм;

Доп - отступ от границы опухолевой ткани, для введения нагревателей, мм;

^ni, kN2 - поправочные коэффициенты (kNl = 6 ■ 10_3 мм-2, kN2 = = 9,5 • Ю-2 мм"1).

Согласно предложенной формуле для расчета необходимого количества нагревателей внутри зоны нагрева и методике применения устройства внутренняя область нагрева должна быть равномерно заполнена элементарными ячейками, представляющими собой равносторонние треугольники. В случае невозможности равномерно разбить нагреваемую область на элементарные ячейки (наличие в предполагаемом месте ввода крупных кровеносных сосудов и нервных окончаний) необходимо обеспечить расстояние между нагревателями не более 15 мм и по возможности располагать в вершинах равностороннего треугольника.

В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки, описана методика проведения экспериментов, поставлены цели и задачи экспериментального исследования, а также приведены результаты экспериментов, подтверждающие теоретические и расчетные данные. В частности, были проведены эксперименты по определению степени нагрева тканей в результате суммирования тепловых полей от игольчатых нагревателей, расположенных вокруг опухоли и равномерно по ее объему. Также в процессе экспериментов была подобрана температура стабилизации нагревателей.

Все приведенные в главе результаты экспериментов свидетельствуют о правильности проведенных расчетов, подтверждают корректность полученных автором формул, а также об эффективности применения предлагаемого устройства в лечении онкологических заболеваний при соблюдении следующих технических параметров:

- температура стабилизации 95 °С;

- продолжительность сеанса нагрева 60 минут;

- конструкция нагревателя соответствует рисунку 8.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен новый способ высокотемпературного разрушения опухоли кости методом непосредственного нагрева и обосновано применение электронного устройства на основе моста Уитстона для реализации способа.

2. Проведено моделирование процесса нагрева кости, пораженной патологическим процессом.

3. Получена формулы для расчета количества нагревателей внешнего и внутреннего круга для обеспечения равномерного нагрева опухоли.

4. Предложена конструкция нагревателей, обеспечивающих возможность ввода в кость под действием ультразвуковых колебаний.

5. Проведено моделирование процесса передачи тепла между составными частями нагревателя.

6. Проведены эксперименты, подтверждающие теоретические расчеты и правильность вывода формул.

По материалам диссертации автором опубликовано 14 работ, в том числе:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Управление электронными игольчатыми нагревателями при реализации метода локальной гипертермии и его экспериментальная проверка /

A.B. Кобзев, В.Д. Семенов, Д.О. Пахмурин, A.B. Литвинов, А.Ю. Хуторной,

B.Н. Учаев // Доклады ТУСУР. - 2010. - № 2 (22), 4.2. - С. 300-302.

2. Методика расчета температуры в произвольной точке зоны нагрева при реализаци метода локальной гипертермии A.B. Кобзев, В.Д. Семенов, Д.О. Пахмурин, А.Ю. Хуторной // Доклады ТУСУР. - 2013. - № 4 (30), 4.4. -

C. 120-122.

Публикации в других изданиях:

3. Устройство локальной гипертермии для нагрева мягких тканей живого организма / А.Ю. Хуторной, В.Н. Учаев, Д.О. Пахмурин,

A.В.Литвинов, В.А. Федотов // Итоги научно-исследовательских работ и курсового проектирования студентов 1-4 курсов кафедры промышленной электроники: материалы ежегодной научно-практической конференции, Томск, 26-27 февраля 2009 г. - Томск: ТУСУР, 2009. - Вып. 3. - С. 124-129.

4. Электротепловая аналогия при стабилизации температуры нагревателя в области живой ткани / А.Ю. Хуторной, A.B. Литвинов,

B.Н. Учаев, Д.О. Пахмурин, В.Д. Семенов//Научная сессия ТУСУР-2010: материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4—7 мая 2010 г. — Томск: ТУСУР, 2010,-4.4.-С. 149-152.

5. Аппаратно-программный комплекс для реализации локальной гипертермии в лечении онкологических заболеваний / Д.О. Пахмурин, А.В.Литвинов, А.Ю. Хуторной, В.Н. Учаев // Медицинские приборы и технологии: Международный сборник научных статей / под общ. ред.

A.З. Гусейнова и В.В. Савельева - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - Вып. 4. - 286 с. -С. 219-222.

6. Ультразвуковое устройство для введения игольчатых нагревателей в биологическую ткань / В.Н. Учаев, А.Ю. Хуторной, A.B. Литвинов,

B.Д. Семенов, Д.О. Пахмурин //Научная сессия ТУСУР-2013: Материалы

докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-17 мая 2013 г. - Томск: ТУ СУР, 2013. -Ч. 2.-С. 218-220.

7. Способ высокотемпературной деструкции опухолей костной ткани / А.Ю. Хуторной, А.В. Кобзев, В.Д. Семенов, Д.О. Пахмурин, А.А. Жеравин, А.В. Литвинов, В.Н. Учаев // Инновации в науке: сборник статей по материалам XXV международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд-во "СибАК", 2013. - № 9 (22). - 244 с. - С. 72-78.

8. Микропроцессорная система управления устройства стабилизации температуры для реализации метода локальной гипертермии / А.В. Литвинов, А.В. Кобзев, В.Д. Семенов, Д.О. Пахмурин, В.Н. Учаев, А.Ю. Хуторной // Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований: материалы II международной научно-практической конференции, Москва, 1011 октября 2013 г. - М., 2013. - 212 с. - С. 139-142.

9. A Temperature Stabilization Device for Local Hyperthermia in Cancer Treatment / D.O. Pakhmurin, A.V. Kobzev, V.D. Semenov, A.V. Litvinov, V.N. Uchaev, A.U. Khutornoy // Middle-East Journal of Scientific Research. -2014. - Vol. 20 (12). - P. 1940-1945.

10. A Method of Controlled Local Hyperthermia / / D.O. Pakhmurin, A.V. Kobzev, V.D. Semenov, A.V. Litvinov, V.N. Uchaev, A.U. Khutornoy // World Applied Sciences Journal. - 2014. - Vol. 30 (9). - P. 1182-1187.

Патенты на полезную модель:

11. Пат. 98116 Российская Федерация, МПК А61В 18/12. Установка для локального нагрева биологической ткани / Кобзев А.В., Семенов В.Д., Пахмурин Д.О., Свиридов А.А., Федотов В.А., Литвинов А.В., Хуторной А.Ю., Учаев В.Н. -№2010118885/14; заявл. 11.05.2010; опубл. 10.10.2010, Бюл. № 28. -6 с.

12. Пат. 110968 Российская Федерация, МПК А61В 18/14. Инструмент для реализации локальной гипертермии / Кобзев А.В., Пахмурин Д.О., Учаев В.Н., Семенов В.Д., Свиридов А.А., Литвинов А.В., Хуторной А.Ю. -№ 2011127982/14; заявл. 07.07.2011; опубл. 10.12.2011, Бюл. № 34. - 6 с.

Патенты на изобретение:

13. Пат. 2467720 Российская Федерация, МПК А61В 18/12. Способ реализации локальной гипертермии / Кобзев А.В., Пахмурин Д.О., Учаев В.Н., Семенов В.Д., Свиридов А.А., Литвинов А.В., Хуторной А.Ю. -№ 2011132247/14; заявл. 29.07.2011; опубл. 27.11.2012, Бюл. № 33.-10 с.

14. Пат. 2527363 Российская Федерация, МПК А61В18/12. Способ реализации термоабляции опухолей костей / Кобзев А.В, Хуторной А.Ю., Семенов В.Д. Пахмурин Д.О., Свиридов A.A., Литвинов A.B., Учаев В.Н., Жеравин A.A., Жамгарян Г.С. - № 2013127554/14; заявл. 17.06.2013; опубл. 27.08.2014.

Тираж 100 экз. Заказ 838. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.