автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и средств реализации управляемого локального криовоздействия на биологические ткани

ВСЕРССаЙСКИЙ НАУЧНО-КССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И И( ИНСТИТУТ ¿ЙДИВДНСКОЙ ТЕШ*КИ

РГО СП

На правах рукописи

..........УДК 615.47.03:615.832.9

615.47.03:615.-006

КОЛОБОВ Николай Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ШТ0Д03 И СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ УПРАВЛЯЕМОГО ЛОКАЛЬНОГО КЕИОВСЗДЕЙСТВИЯ НА ШОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИ

Специальность 05.11.17 - Медицинские приборы и

измерительные система

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательской и испытательном институте ыадицанской техники.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Блинов E.H.

- доктор технических наук, профессор Бродянский В.М.

- доктор медицинских наук Любаев В .Л.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение "Наука"

Защита диссертации состоится 2 " 1994 г.

в 10 часов на заседании специализированного совета Д 074.4S.0I во Всероссийском научно-исследовательском и испытательной институте медицинской техники по адресу: 129201, г. Москва, ул. Касаткина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНШЫХ.

Автореферат разослан * £ $ " Л^01 ^ 1994 г.

Ученый секретарь

Актуальность работа. Современный зтап развитая медицины характеризуется поиском новых методов лечения заболеваний. К одно;.^ из таких направлений относится метод локального криовоздействия (ЛКВ) нз биологические ткани. Выявлено дза основных направления эффективного применения ЛКЗ: первое - криохирургическое, используемое для лечения, онкологических заболеваний путем разрушения патологических новообразований, второе - криотерапевтическое, применяемое для лечекля различных воспалительных процессов посредством обратимых ни эко темпоратурянх воздействий.

Анализ данных заболеваемости населения страны патологвчосхи-..«к новообразованиями свидетельствует об увеличения частоты возникновения опухолей,- Существенную роль з лечении онкологическая заболеваний играют хирургические и лучевые методы лечения. В последние года при лечении онкологических заболеваний используются такке различные физические факторы: лазерное излучение, ыагнитныз поля, ультразвуковые колебания и др.

Однако достигнутые результаты лечения на а полной ыэрэ удовлетворяет специалистоз-онкологоз. И а первую очередь это связано с те«, что традиционные метода лечения часто вызывают тягелые ¿¡уягсционаяыше и косметические нарушения, а новые не всегда достаточно эффективны. Лечение ряда опухолевых локализаций нз-за сложностей в ранней диагностика к доступа к ним часто вообще затруднено. Так, например, ввиду трудности в диагностике рака поджелудочной железу подавляющее число больных (до 75 %) выявляются в запущенной стадии заболеваний, лечение таких больных ограничивается выполнением паллиативных хирургических операций или проведением лекарственной п лучевой терапии, которые не приносят существенного улучшения состояния больных. Кроме того, лечение онкологических заболеваний у детей и особенно'у лвдей старческого возраста из-за ослабленности общего состояния здоровья и часто тянелых сспутсг-вунлих заболеваний связана с большим лнзеэкным рзском.

Лечение ревматических заболеваний, сопровогдакецихся пораяени-ем суставов опорно-двигательного аппарата или связанных с улгко- . тканными патологиями такне является одной из . чрезвычайно ваягннх задач медицины. По данным БОЗ десятая часть нетрудоспособности в третья часть инвалидности приходится на ревматические заболевания, При этом значительный процент составляет люди работоспособного

возраста до 40-45 лаг.

Широко распространенный медикаментозный метод лечения ревматических заболеваний обладает рядом существенных недостатков, основными нз которых язякатся: побочные действия медикаментов, недостаточная эффективность лечения, развитие толлерантности к ле- ■ карствам, высокая их стоимость 2 недоступность наиболее эффективных зарубежных препаратов для отечественного потребителя.

Прогностическая оценка перспектив развития метода ЛКЗ позволяет заключить, что его роль в медицинской практике будет возрастать. Данное заключение подтворздается не только широкими возможностями метода, но и высокой экономической эффективность*), вызванной относительной простотой к доступностью метода, возможностей в большинстве случаев амбулаторного лечения больных. Лоэтоод уже в бл:шай-шеа будущей метод ЛКЗ будет расцениваться глк метод массового применения.

В связи с выпесказакным создание эффективной аппаратуры г методик её применения для лечения различных онкологических и ревматических заболеваний является важной н актуальной задачей.

Основной, неразрешенной до настоящего времени проблемой, возникавшей при разработке и применении криохирургической и криотерапевтической аппаратуры, является проблема уцравлекия ЖВ в ткани, т.е.- создание технических и методических средств гарантирующих достижение необходимого теплового раъяма а пани. Эмпирический подход при выборе и реализации воздействующих параметров приводит к достижении таких тепловых режимов в ткани, которые на обеспечивают веобходиыой-резухьтативности лечения и часто приводят к непредсказуемым результатам. Например, к возникновению рецидивов или пора-гении жизненно изнвх близлежащих' к зонэ воздействия органов.

Не менее важной задачей является установление корреляции мезг-ду тепловым режимом в биологической ткани и ответной реакцией организма, возводящей определить граница и уровень лечебного аффекта от действия низких температур.

Актуальной проблемой в создании криогенной медицинской аппаратуры к методик её применения является также разработка специальных приемов ЛЕВ, позволяющих усиливать степень действия низких температур и, таким образом,значительно расширить возможности метода ЛКВ и повысить эффективность его применения.

Наконец гляной проблемой з создании технических средств ¿КЗ является выработка научно-обоснозанннх требований и построение аппаратуры, обладающей необ-ходн-чами для широкого внедрения з условного применения з кедацинской практике оаткнальншя базозьШ характеристиками и функциональной полнотой выполняв;«« задач.

Комплексный характер проблем, стоящих при создании технических п методических средств для управляемого ЛКВ потребовал проведения многоплановых системных работ на основе теоретических, ннненерно-4*изаческих к медико-биологических исследований.

Цель у. задач! исследования. Цель работк состоит в разработка гксперименталъно-теоретическкх осноз построения и создание тизных технических и методических средстз управляемого локального криозоздейстзия для лечения патологических новообразований и воспалительных процессов различной этиологии з широкой иедацннской практике.

Для достижения поставленной цела ресались сдедующю основные задачи.

1. Определение взаимосвязи тепловых резиисз з ткана и лечебного Еффекта, достигаемого при ЛКЗ.

2. Разработка йазико-лгатематических моделей процессов охлзг-дйняя ткани при ЛКВ з ретчах криодеструкхда а криотерапии для определения и изучения закономерностей изменения тепловых регжзз в тканях.

3. Установление влияния воздействующее параметров на тепловые реаима биологической ткани с целью определения базовых характеристик для проектирования криогенной медицинской аппаратура.

4. Разработка методик внбора воздействующих параметров с цэ-льа достижения заданного теплозого режима з ткани для реализацш необходимого лечебного эфдйхта,

5. Разработка нозих т е ;:ко до шч а с них приемов криовоздействия для усиления степени действия низких тега ера тур с целью повнаения возмонности и эффективности котода £<3,

6. Обоскезание и разработка рекомендаций по проектированко криохирургических а зфиотерапевтических медицинских систем для

ЖВ ш биологические ткани.

7. Создание к внедрение в клиническую практику функционально полной н эффективной аппаратуры для криохирургических в криотерапевтических воздействий.

Научная новизна.

1. Разработаны физико-штеыатические модели процессов локального охлазденкя биологической ткаки дня различных технологических приемов криохирургического и криотерапевтического воздействия, позволяйте определять тепловые резсиш а ткана в зависимости от значений внешних параметров воздействия и типа ткаки.

2. Разработана методика проведения комплексных экспериментальных исследований на биологических тканях in vivo , позволяющая определить критические значения температур и скоростей охлая-декия ткаки различной гистологической структуры.

3. Установлены основные закономерности влияния внешних аппаратурных параметров на тепловые режимы схлаздения ткаки, предложены критзрли выбора этих параметров для обеспечения оптимальных тепловых режимов в ткани.

4. Обоснована необходимость к разработаны специальные технологические правда криовоздействия, позволяющие повысить эффективность действия низких температур при проведении криохирургических операций.

5. Предложены и разработаны методы локального воздействия на биогогичесют ткань с помоиыз кзазистатичной и идаульсной газовой струн, дающей возможность осузейтвлять более глубокое охлаждение ткани без повреждения её поверхностных структур.

7. Обоснованы и разработаны принципы построения и схемные решения криогенной медицинской техники для локальных криохирургическая к криотерапевтических воздействий.

7, Разработаны универсальные методики прогнозирования результатов ЖВ, пазволящке осуществлять выбор внешних параметров для достижения заданных тепловых режимов или, наоборот, по реализованным резнши прогнозировать результаты воздействия.

Практическая ценность к вкодоекяа результатов •работа. Проведенные исследования позволили создать базу для проектирования и разработки криохирургической и криотерапевтической аппаратура для локального воздействия на биологическую ткань.

Сйормул-лрованкые медицинские и технические требования к криогенной медицинской аппаратуре для целей. онкологии и для лечения ревматических заболевший позволяют создавать эффективную издащш-свдгв технику для различных областей медицины.

Разработанные физико-математические модели охлаждения биологической ткани дают возможность решать широкий круг задач по со- • зданию различных методик низкотемпературного воздействия на биологический ткань, оптимизировать регимные параметры л прогнозировать результата кряозоздойствия.

Полученные приближенные аналитические зависимости ^тематического моделирования процессов охлаждения позволяют без применения сложных вычислительных средств с достаточной для инзенерннх расчетов точностьо определить основные характеристики воздействия.

Предложенные математические зависимости мхактной низкотемпературной газовой струи позволяют производить расчёт -сё базовых характеристик - температуры по оси струи и коэффициента теплоотдачи з области критической точки на охлаждаемой поверхности ткаЕи.

Разработанные метода прогнозирования результатов шзхотеапе-ратурного воздействия даат воз:.:6:.таость осуществлять вра'гу выбор с помощь» специальных графиков или средств ЭВГЛ параметров охлазденая, позволяющих достичь необходимого теплового редима в ткани.

Предложенные и разработанные в работе специальные технологические приемы ЛКВ поззоляьт более эффективно применять низкотемпературный метод лечения в клинической практике, повысить его результативность и расширить область применения.

Установленные закономерности и полученнке количественные параметры тепловых ренимоз в биологической ткани (температурные поля, скорости охлаждения, динамика роста заморагявакия и некроза, жри-гнческле значения температур и скорости в ткани а др.) могут бить использованы как база исходных данных при создании номограш или прикладного математического обеспечения 2В.Л для разработка алгоритм мов управления, либо прогнозирования результатов криовоздействия.

Результаты исследования доведены до практических формул, графиков, комограш, программ для ЗВ.,1, структурных схем аппаратуры, что поззоляет непосредственно использовать результаты в разработке криомедицинской техники и метода; её применения.

Оценка клинической эффективности разработанных методик и аппаратуры для криохирургического и криотерапевтического воздействия показывает, что их использование позволяет достичь высокой результативности лечения онкологических и ревматологических больных.

Основные результаты работы внедрены при создании криохирургических аппаратов КПРК-01, КИРК-02, КРИ0-01, КА-ОЗ, КР-02 с хрио-инструментом для контактного воздействия, малогабаритного автоматизированного рабочего места врача-криохирурга, криотерапевтических аппаратов КРИ0РЕВ..Ю-ПТ, КРИ0-Т-01, криоаппарата хирургического и терапевтического действия СКА-'Л и криоультразвукового скальпеля КРУС-01. Аппараты КПРК-01, КПРК-02, КРИ0-О1, КР-02, КРИ0РЕ2Ш-ГГГ, КРУС-01 прошли технические и клинические испытания и рекомендованы Комитетом по новой медицинской технике ¿Минздрава РО к применению в медицинской практике и промышленному производству. Аппараты СКАЛ и КРИ0-Т-01 находятся в стадии технических испытаний. Выпуск установочной серии и опытных образцов аппаратов КПРК-01, КПРК-02, КРИ0-01 и КРИ0-Т-01 осуществлен ОЭЗ ВШШГ, аппарата КРУС-01 - ОЭЗ ВНИШЫГ совместно с СФГИ г.Томска, ааша-ратов КЕИОРШ'.Ю-ПТ и СКА/Л - ОЭЗ ВНЙШГ совместно с КПП "Наука". Аппараты КР-02 с набором кркоинструментов для контактного крио-воздействия выпускается ка 033 БНШ1Ш. Поставка малогабаритных автоматизированных рабочих мост врача-криохирурга осуществляется по заявкам клиник НПО "Экран".

С&зданную криогенную аппаратуру и методики применения используют различные клиники страны: Онкологический научшй центр РАМН, Центральная клиническая больница й 4 им. Н.А.Семашко, Московская городская больница Св .Владимира, Инсяиут ревматологии РАМН, Московский стоматологический медицинский институт им. Н.А.Семашко, областные и районные онкодаспансеры и больницы гг. Москвы, Пензы, Иванова, Саратова и др.

Разработанные рекомендации по проектированию криогенных медицинских аппаратов, научно-обоснованные иедико-технические требова-

кия предъявляемые к ним, используют в сзоой практической деятельности орг&чизац:га-разработчики криогенной лечебной техники: ШО "Экран", КПП "Наука", СЖГ им. В.Д.Кузнецова ери Томском государственном университете и др.

¿Материалы диссертационной работы использув-тся также в учебном процесса на кафедрах "Медицинская техника" и "Онкология" Российской медицинской академии последипломного образования.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены:

- на Международных симпозиумах "Достижения и перспективы в криобиологии и криомедицине", Харьков - 1988 г.; "Успехи современной криобиологии", Харьков - 1992 г.; "Криохирургия - применение низких то.жаратур" ЧСФР (Еенешев) - 1988 г., 1990 г.;

- на Всесоюзных конференциях с медпународанм участием: "Ультразвук я хирургия", г.Суздаль - 1990 г.;

- на Всесоюзных конференциях: "Развитие и применение криогенной техники в медицине", Москва - 1980 г.; "Съезд онкологов", Омск - 1980 г.; "Диагностика, лечение и организация онкологической помода больным опухолями головы и шеи", Вильнюс - 1987 г.; "Медицинская криогенная техника", Ыосхва - 1988 г.; "Актуальные вопросы создания и эксплуатации терапевтической и хирургической медицинской техники", Звенигород - 1989 г.; "Сизиотерапевтическая аппаратура,"примеиение и перспективы развития на современном этапе", ¿Лоскза - 1933 г.; "Здоровье и бояезш человека на рубеже

Ш века", Москва - 1993 г.

Образцы криоыедацинской техники экспонировались на Мездународ-ных выставках "Здравоохранение-85" (Москва), "Здравоохранение-ЭО" (Москва), п^едащша-88" (ПНР), неоднократно выставлялись на ВДНХ СССР "Новые изделия медицинской техники", "Рационализатор и изобретатель" и на других выставках медицинской аппаратуры.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 45 научных работ, в том числе подучено 10 авторских свидетельств ва изо- • бретания.

Структура к объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 317 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 24 таблицы, список литературы из 152 наименований, объем прилояе-шй включает 36 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы цель г задачи исследования.

В первой главе рассмотрены медако-технические аспекты проблемы создания криогенной медицинской техники для локального воздействия, изучены возможности и механизм действия низких температур на биологическую ткань при различных условиях и режимах воздействия, рассмотрены математические модели процессов охлаждения и методы их решения, дан анализ аппаратурного обеспечения метода ЛКВ.

Многообразие ответных реакций организма на локальное охлаждение и положительные результаты лечения обусловили применение ЛКВ в различных дисциплинах медицины. Исходя из анализа использования холода з медицинской практике целесообразно выделить два основных направления применения ДКЗ:

- 1фиотэрапевтическое воздействие с охлаждением биологической ткани в интерзале температур ЗС + -1°С;

- криохирургическое воздействие с охлаждением биологической ткани ниге -1°С.

Такое деление является в определенной степени условным, однако позволяет выделить характерные температурные уровни, при которых реакция биологической ткани на низкотемпературное воздействие специфично. Так, криотерапевтическое охлаждение оказывает стрессовое воздействие на систему терморегуляции, вызывает выделение биологически активных веществ и интенсификацию периферийного кровотока. При криохирургических охлаждениях происходит практически полная внутри и межклеточная кристаллизация воды, нарушение межклеточных контактов и разрушение биологических структур. При этом степень выраженности реакции организма на локальное криовоздействие зависит " и от других факторов: скорости охлаждения и отогрева,

времени воздействия, пятна контакта, структуры ткани н других условий.'-

Все эти фактору влияют на тепловый регшм в ткани, вызывая ту или иную реакция организма. Поэтов исследование тепловых режимов з ткани и установление взаи:,:осаяз;; с воздействующими параметрами необходимо для определения исходных данных для разработал иедако-техначескях требований к аппаратуре и методик еэ применения, а такяе создаем методах прогнозирования и управления криовоздейст-вием,

Рассмотрение известных работ показывает, что исследование тепловых ренимоз осуществляется по двум направления:.'.: теоретическом на основании физико-математического моделирования локального охлаждения и экспериментальном - на основе непосредственного изучения влияния воздействующих параметров на биологические ткани 1«

Физико-математическое моделирование процесса ЛКВ для условий криодеструкпяи из-за наличия зоны заморализания основано ка решении задачи нестационарной теплопровод н-ости с подзияной границей раздела фаз - задачи типа Стефана - при различных краевых условиях. Применительно к рехоплу криотерапии физико-математическое моделирование целесообразно проводить на основе задачи нестационарной теплопроводности, теплообмен а которой ме;?ду тканью и низкотемяе-ратурши газовым потоком осуществляется по закону Ньютона.

Однако известные резенпя подоб:шх задач не полностью учитывают специфические особенности биологической ткани, как-объекта охлаждения, в частности, многосложность ткаки и наличие внутренних источников тепла, а также не затрагивает технологий охлаждения усилива;-зщих степень действия низких температур, например, шого-центричноо и направленное.

Другим подходом к опраделешш взаимосвязи воздействующих параметров и тепловых режимов биологической ткани является экспериментальный метод исследований. В отличие от математического моделирования только в эксперименте возможно определить такие ва^гныо параметры для проблем управления, как критические значения температуры и скорости охлаждения на градаце зоны криодострукцяп.

Известны экспериментальные данные (ЫееЕН, ЬеВеп Ц, Ке1сЬат Я.

и др.), полученные при изучении величины воздействующих параметров на результаты криовоздействия могут быть оценены только как качественные. Поскольку, во-первых, криовоздбйствие осуществлялось при несопоставимых температурно- временных режимах, зависящих от индивидуальных технических характеристик используемых аппаратов, а, во-вторых, основная масса экспериментов проведена на мелких кивот-ных - крысах или мышах, а это из-за возникающей гипотермии всего организма, искажает результаты особенно дри достижении больших зон охлаждения и, в-третьих, эти данные разрознены и не дают полной информации о взаимосвязи воздействующих параметров и тепловых режимов в ткани. Поэтому имеющиеся экспериментальные данные не могут быть использованы как количественные соотношения для решения проблем управления процессом охлаздения и прогнозирования результатов криовоздействия.

Анализ отечественной и зарубежной аппаратуры для ЛКВ показал, что её создание осуществляется на основе многообразных схемных и конструкторских решений с использование:.! различных источников охлаздения рабочего криоинструмента. Тем не менее, существующие образцы аппаратуры по своим технически;.! данным и функциональным зоз-ыоэкостяи не в полной мере удовлетворяют возросшим требованиям медицины. Так, установленные диапазоны и используемые принципы регулирования воздействующих параметров не гарантируют достияения оптимальных тепловых режмов в ткани' и не позволяют получить воспроизводимые результаты воздействия, в ней не предусмотрена возможность проведения различных технологических приемов охлаядения, усиливающих эффект действия низких температур, при этом выбор воздействующих параметров осуществляется эмпирически без согласования с необходимым тепловым режимом в ткани.

Вторая глава посвящена исследованию тепловых резшмов биологической ткани при криохирургическом воздействии, установлению взаимосвязи меаду аппаратурными параметрами к характеристиками криоде-струкпии, определешш исходных данных для проектирования криохирургических систем и для разработки методик прогнозирования результатов криовоздействия.

Проведенные исследования позволили определить основные закономерности изменения тепловых режимов биологической ткани и характеристик криодеструкции, получить количественные зависимости ыеа-ду воздействующими параметрами и размерами зон замораживания я некроза.

На основе разработанной методики экспериментальных исследований на биологической ткяни Ln vivo определены такие важные характеристики для управления процессом криовоздэйстзия, таг: критические значения температур и скоростей охлаждения для различных -типов ткани, т.е. значение максимальной величины температуры и минимальной скорости охлаждения, при которых еще возможна деструкция ткани. Исследования проводились на тканях печек:, языка, подаелу-дочной аелезы, когных покровах беспородных собак. Для рассмотренных типов ткани критическая скорость охлаздения составляет всего 0,01?Ю,050 °СУс. Величина se критической температуры Т„п опреде-

ftp л

ляется типом ткани и составляет: для ткани печени Т.._ = -3 +1,5 С, для ткани языка Ткр = -18 ± 1,5 С, для ткаки кояных покровов ТКр = -25 +1,50С, для хтани яодаедудочиой аелезы Ткр - -2 +1,5°С.

Сравнение критических параметров указывает на рззцуа толерантность тканей к криоразрушению. Наиболее высолю криочувстви-телькость имеет ткань поджелудочной аелезы. Для этой ткана наблюдается практическое совпадение визуально видимой зоны замораашз-ния и будущей зоны некроза. Другие ткаки обладают более низкой криочувствительностыэ, зоны замораживания а некроза у них не совпадают, поэтому размер будущего некроза моает быть определен только прогностически по корреляционным зависимостям или с помощью прямых измерений температурных полей.

По данным исследований тепловые рехимы з биологической ткани • определяются воздействующими температурно-зременными параметрами и свойствами самой биологической ткани. Однако детерминирующее влия-inie на характеристики оказывают температурно-временные параметры, реализуемые на криоинструменте. Понижение температуры щжовоздей-ствия пр:шодат к увеличению объема зоны криоразрушения и уменьшению разности зоны замораживания и некроза, что ваяно для уменьшения травматизацки окружшцих опухоль здоровых тканей. С увеличением времени криозоздейстзия эта разность, а такге объем зоны некроза увеличивается. С точки зрения получения максимальных зон разрушения и уменьшения травматизацки здоровых тканей оптимальное время криовоздействия долкно выбираться исходя из конкретных условий операции, отдавая предпочтение тому или другому резиму воздействия.

Распределение температур з зоне криовоздействия существенно зависит такзо от скорости охлаждения наконечника. Исследования

й. 14 -

показал»', что для получения оптимальных тепловых ратамоз в биологической Tr.2in: криогенная система до лага обеспечивать скорость охлаждения в пределах 3,3-5,0°С/с. Причем хриостатирование только температуры наконечника является недостаточным условием для достижения запланированной зоны хриодеструкции, поскольку объем её в значительной степени определяется величиной скорости охлаждения накокеч-ниха, некорректный учет которой мо^ет привести к ошибке, превышающей 100

Анализ проведенных экспериментальных исследований показал, что возшгности криогенных систем, способных реализовнвать температуру ка рабочем наконечнике в пределах-160*160°С в достижении максимальных размеров зон некроза практически ограничены размером t, * 3^» (где i. в 1. - р&дкуса зон некроза и рабочего наконечника). Для получения больскх размеров зон некроза была разработана технология многоцентричкого краовоздействия. Особегкость данной технологии захяэчается в тем, что охлаждение производятся одновременно из ^iyx или более центров, причем в отличив от традиционного одно-центричного способа криовоздойствия, здесь изменяются не только размера зон заиорзяизанкя и некроза,но е кх ¡рорла..В результате аппрокснмащш формы зоны завораживания были найдены три характерных параметра - ©0, в h , описывающих дана'лику её роста с погреикостьа, Ез превгслаацуа 2,5

Параметр £>0 на зависит от разима второго 'криоинструмента и для его определения могут быть использована зависимости одноцент-ричного криовоздействия. Параметр f> аппроксимируется с погреа-ностьэ не более £ % амшркчесхой зависимостью:

где коз^фщиен? К характеризует тип ткани, al, - расстояние мег-ду криоивструментами.

Параметр является функцией резамных характеристик не только собственного, но и другого криоинструмента, а также расстояния между ниш. Экспериме нгалькый подход к его определению из-за большего числа переменных параметров усложнен. Поэтов определение Фм проводилось ка основе расчета распределения температур на оси, .соединявшей центр приложения источников охлаждения в результате численного решения задач нестационарной тешюпроводимости с подвиг-

кой границей раздела фаз, задачи типа Стефана. Для решения задачи использовалась одномерная модель процесса замораживания биологической туя ну. /ленду двумя исто чинками охлахдекая.

казино-математическая модель построена при следующих допущениях: биологическая ткань имеет изотропкуи структуру; изменение плотности ткани при фазовом перехода пренебрежительно далы; геялопрлток из окружающей среды и тепловое сопротивление между источником охлаждения и тканьв пренебрежительно малы. Теплоемкость з замороген-ной зоне определялась с учетом растянутого з диапазоне температур фазового перехода воды, в качество внутреннего источника тепла учитывались тепловыделения за счет кровотока по уравнению, предложенному Перлом.

1Латемат2ческая формулировка задачи имеет вид:

т>о,цж>о, т>о, 1.>*>11-п),

Ы ^^ = + Ь о*): а>

При краезых условиях: 71оЛ)-ТМ 1(1,1)=Тт;

т< 1щ$=тг(1р„'х) -ът3 (шг,х},%

На подвижных границах раздела фаз выполняется условие Ст&фана:

г[Ч Эх ЬУ ' ^^Р^Г

Уравнения приводились к квазилинейному уравнению, а затем решались методом разностной аппроксимации. .

Большой практический интерес для инженерной практики представляют прибликенныа методы расчетоз основных характеристик кркозоз-

действия. Такие зависимости были получены при аналитическом реаении данной задачи, но при более строгих ограничениях, чем при численном решении, Рассматривалась осескл-летри^нал зацача, агшрокстлация кривой кез&черзшей воды принималась линейкой, температура криовоз-действия - постоянной, решение задачи прозодялось методом Гудмека и имеет шд:

- для первой фазы крновоздействня,

, (,-Л1 ]Г В, 1-'

Ыч>т ¡1М«-ц г г „/,/ Яг (/-\\}~ Ц *(<114- в,) ]

—»

- для второй фазы криовоздейстзия, £ > Ы ■б '¡^(1-ву) ГД1,

где К* - вреад промэрзания ткани,

тг-V I [Г' и< с,р ' 1 с>р>

Сравнение экспериментальных данных, полученных ка тканях печени беспородных собак к рагультагов расчетов показало, что расхождение для численного решения составляет 8 %, для аналитического - 17 %.

Как показали расчеты, мкогоцентричкые криовоздс-йствия позволяют сократить время проведения операции и достичь ббльших объемов зон криовоздействия, что происходит не только за счет использования большого числа криоинструментов, но и за счет перераспределения температурного поля в зоне взашдшго влияния двух источников охлаждения. Причем величина дополнительно разрушенной зоны биологической ткани эа счет перераспределения температурных полей критична по отношении к температурно-зреманкым режимам источников охлаждения, расстоянию малду ними 2 может достигать 20-40 % в.зависимости от количества используемых криоинструментов. Бажкнм преимущест-

вся многоцентричного криовоздействия. является такяе возможность получения широкого набора форм и размероз зон замораживания а некроза, что позволяет достичь необходимой зоны деструкции- за один цикл криовоздействия, подобрав соответствующую температуру, время, количество источников охлаждения и расстояние мезду ними.

Экспериментальные исследования другого технологического приема охлаждения - направленного криовоздействия от периферии опухоли к центру,.выполнялись ва модельной среда с помощью специализированных кольцевых наконечников. Сравнительный анализ подученных результатов показал, что динамика роста толщины зоны замораживания определяется не только температурой и временем криовоздействия, но н в большей степени размером наконечника, что на столь характерно при' криовоздействия обычным цилиндрическим наконечником. Так, разница в определении толщины зоны замораживания при криовоздействия кольцевали наконечниками радиусом м и 10-10 и макет

достичь 30 %, в то время как при криовоздейстзии обычными наконечниками наблюдается их практическое совпадение. Поэтому расчет геометрии кольцевых наконечников для достижения запланированной зош криодеструкции особенно важен.

Для осуществления расчетов основных характеристик направленного криовоздействия была регена аналитическая задача нестационарной теплопроводности с подвижной границей раздела фаз. Метод её разе-ния аналогичен методу, примененному для двухцентричного криовоздействия и имеет вид:

- для первой фазы криовоздействия, ?»£.?*

р - [ и'-зА/ 1 г зле, Т*

*Ч зечр») ЩтН-Ъ) Г" ШГГМ

- для второй фазы криовоздействия,

м Н-Ш'-^ехрЬбуШоЦГг-ъ*}]

Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что расхождение нэ превышает 18 %.

Третья глава посвящена исследовании тепловых ренинов биологической ткани при криотерапевтическом воздействии, выработка критерия для выбора оптимальных резшмоз охлаждения ткани, определению исходных данных для проектирования криотерапевтических систем, раз-

работки эффективных технологических приемов охлаждения ткани.

Для исследования тепловых рехимов в биологической ткани при охлавдешш низкотемпературным газонам потоком и установления корреляционных зависимостей была разработана физико-математическая модель цроцесса нестационарной теплопроводности в ткани. Ыатемата-ческая модель построена при следующих допущениях: охлаждение ткани осуществляется до температуры не нихе криоскопической температуры ткани; теплообмен мевду газом и поверхностью биоткани осуществляется по закону Ньютона; биологическая ткань рассиатркваатся как трехслойная структура; теплофизические характеристики ткани кусочно-постоянные и не зависят от температуры и пространственных координат в слов, в качестве внутреннего источника тепла учитывались тепловыделения за счет кровотока.

¡Дагаматкчбская формулировка задач имеет вид:

- для первого слоя (Х>о; о<

дт,(*,г) _ а дгТ,(х,г) чт, .

' a*2 C'Pt '

- для второго слоя I?о* t<t>)

ÍMiíL n д'Ъ(*,г) trt . Ьх ~ г дх' * ТТ,'

- для третьего слоя {Т?0; 0<rX¿oeJ

дг . дх> c,Pj

При краевых условиях:

Г,Т, (X.Оi-- 7, (х,о]«Ti; Т,(lut) = Т,(о, х) •

= л ¿mil . * fTr.Tt (0j rJ^Q

Sí г дх ' л* ~ТГ~)

hii^úi-о дх "

Представленная система уравнений решалась методами интегральных преобразования Лапласа, относительно переменной Т .

На первом этапе решения данной задачи биологическая ткань рассматривалась как однослойная структура, т.е. решалась упрощенная модель, представляющая ткань в виде одномерного полубесконечного тела. Данная модель позволяет получить более простое решение и.таким образом, значительно упростить расчеты гемперазурных полей а биологической ткани при её конвективном охлавдении.

Выражение для расчета температуры ткани, как одаослойкой структуры получено в следующем виде:

ехр(£1+ ¿¡3) ¿Г-0

-(Т-'Ф ехр(.ак)ег/с(^) * ± ехР[^ - (аб-^)т] •

+ *ехР(-а!т)}*т.,

где Ь *

Полученное выражение позволяет без сложных вычислений осуществлять экспресс-оценку результатов охлавдения биологической ткани. Однако оно не учитывает влияние тепло|изических свойстз различных слоев ткани, их толщин и интенсивность внутренних тепловыделений, что характерно для биологических структур. Для их учета решалась задача нестационарной теплопроводамости в её пдозой постановке.

В ходе решения данной задачи полагали, что на грашцах слоев имеем контактную температуру Т^, которая удовлетворяет следу шин условиям:

- для первой границы: 17* (т)-Т, (1иг) = Тг(о,г}

- для второй граница: ТгкМ=Тг(1г^) =Т,(о,т)

При этом характер изменения контактных температур на границах слоев подчиняется параболическому закону.

Решение задачи было получено в следующем виде:

- для первого слоя (с * ^ М а первой фазе охлаждения ( Т < Т }, где *£ - зремя достижения температурного возмущения до первой граница, температурное поле рассчитывается по зависимости полученной для однослсйзаЗ модели ткани, во второй фазе охлаждения (X >Х) , расчетная зависимость имеет вид:

({Га) ]

М 1 М ' *

<*т<£<тщн ]*

где и Н *[/■!!£-}'

«•АиЯи^г-Ц+ьс«^);

'А - корна уравнения

- для второго слоя [о * в перзой фазе охлаждения

(Т<Ъ с5 ), Где £ - время достижения температурного возмуцекия до второй граница:

т, им -УмЛ^ЛГК

* ехр(хЯ1) ег/с *У ^(%-7)')] с/ Г +

где 1г = ; г,*т-г _ зрекя охдадцения.

- во второй фазе охлаждения (Т :

Т,М = 1[| " (Г)ехр[-р(г-71} в] +

[£ ^^ ^ , ^рс-р^нП-л,^} «рДрщД, Та ,

где р * а, йг I

- для третьего слоя (о*х при

где ^ «

Л

Большой практический интерес представляет режим стационарного распределения температуры э биоткани, который наступает пря е§ длительном охлаждении, например, с цедьа получения пролонгированного анальгезирунцего эффекта.

Решение стационарной модели получено в следующем виде:

- для первого слоя

- для второго слоя

+ • Тгх

т

Shf^tJ

- для третьего слоя

где

ЪШ = ЪгехР(-{Г3х) * T,[l-expf-fáx)],

Анализ результатов расчета позволил выделить два основных воздействующих параметра, оказывающих существенное влияние на тепловые режимы биологической ткани при её охлаждении. Зто коэффициент теплоотдачи н температура газовой струи. Однако изменение коэффициента теплоотдачи не приводит к быстрому изменению температура в глубине ткани. В то ice время его увеличение, например, за счет возрастания скорости струи, даже без изменения таят ературы воздействия, может привести к резкому понижению температуры на поверхности ткани и вызвать её деструкцию.

Поэтому для избежания деструктивных процессов в ткани, а также для её максимально глубокого охлаждения, режим низкотемпературного воздействия должен обеспечивать, как показали расчеты, киз-iaie до 50 t 60 Вт/м2*К значения коэффициентов теплоотдачи, т.е. должен осуществляться режим квазистатичного газового потока. При этом температура газовой струи может варьироваться в пределах -100 * -160°С. Причем, более шзкой теьгпературе должен соответствовать меньпкй коэффициент теплоотдачи. В то не время стационарный режим охлаждения, характеризующийся большой длительностью воздействия (600 с и более) должен осуществляться газовым потоком с более низким коэффициентом.теплоотдачи (10 + 25 Вх/ы^-К) в сочетании с относительно высоким температурным уровнем воздействия (04- -20°С).

Существенное влияние на процесс охлаждения ткани оказывает структура ткани и интенсивность кровотока. Увеличение кровотока приводит к более медленное снижении температуры ткани. Поэтому при охлаждении ткани с большой интенсивностью кровотока, например шиечной,требуется более длительное время экспозиции. Аналогичная

тенденвдя наблюдается и при увеличения толщина слоя ткани, ииеэде-го болээ низкую теплопроводность, по сравнению- с остальными, например, мировую ткань. В этом случае таете необходимо увеличивать время охлаждения, используя при этом более щадоций рапш воздействия за счет уменьшения коэффициента теплоотдачи.

Экспериментальная проверка результатоз Аатематнческого моделирования прозодилась на кроликах породы "шиншилла" тссой 3-5 кг при различных режимах охлаждения. Сразнизая соответствие результатов эксперимента с данными расчета для многослойной стационарной н нестационарной модели, можно заключить, что величина расхождения не превышает 15 %. Что касается упрощенной модели для однослойной структуры ткани, то расхождение достигает 20 %. Это объясняется тем, что однослойная модель не учитывает индивидуальных особенностей охладдаегггх слоез биологической ткани - теплофизических характеристик и интенсивности кровотока.

Ванным этапом э экспериментальных исследованиях явилось исследование новой технологии охлазде;шя ткани - импульсное воздействие. Данный технологический прием позволяет осуществлять пролонгированное воздействие экстремально низкида темперазураш (-100 * -180°С) без повреждения поверхностных структур ткани.

Практическая реализация импульсного режима воздействия молет осуществляться с целью долговременного подавления болевых ощущений у пациента или в других случаях, где необходимо длительное время (более 300 с) поддержания те;,шерагуры ткана в окрестностях крио-скопического уровня. При этом оптимальный интервал мезду импуяьс-ными охлаждениями долзен находиться з пределах Зг-20 с.

Новизна разработанных способов охлаждения биологической ткана - кзазистатичного и импульсного охлаждения - подтверждена положительным решением на выдачу патента по заявке й 5050743/14 от 30.06.92 г.

Четвертая глава посвящена разарботке методик прогнозирования и выборов режимов охлаздзная при криохирургическом и криотзрапев-тическом воздействия, исследованию базовых характеристик низкотемпературной газовой струи.

Обеспечение высокой результативности лечения в значительной степени определяется возможностью правильного выбора воздействую-

еег аппаратурных параметров, необходимых для достижения требуемого разима в ткани. Выбор таких параметров доляен осуществляться на основе специальных методик прогнозирования, устанавкзанакх взаиш-связь воздействую::^ параметров и ответной реакции биологической ткани и представленных в удобной для пользования форме.

В результате проз еденных исследований предложен новый метод прогнозирования результатов криохирургического воздействия, основанный на использовании среднеинтегральной температуры криовоздей-ствия. Данная методика универсальна, поскольку позволяет осуществлять прогнозирование для криохирургических аппаратов с различными температурно-временнымн режимами.

На основе предложенной метода® разработаны номограшы для различных структур ткани (пбчэни, подкеяудочной делезы, кожных покровов, тканей языка), которые связывают такие ваБкые параметры, как размеры зон замораживания к некроза со среднеинтегральной температурой и временем криовоздайствия.

Разработке номограмм для криотерапевтического воздействия предшествовало изучение характеристик однофазной низкотемпературной газовой струи, поскольку установленные в результате ыатематя-ческих расчетов оптимальные значения воздействующих параметров в свою очередь являются функцией таких характеристик криотерапевтического аппарата, как расход газа, диаметр проходного сечения сопла, расстояния от среза сопла до поверхности ткани, температуры газа на срезе сопла и др.

Экспериментальные исследования температурных и тзплообменных характеристик криогешюй импактной струг проводились на специально разработанном стенде при температурах газа -60 * -180°С и скорости газового потока 0,04 « 1,5 м/с.

Как показали исследования,температурные характеристики биогенной газовой струи определяются процессом образования и развития её турбулентности. В пределах начального участка струи равного примерно 4 ¿о осевая температура остается постоянной и равной, температуре истечения из сопла. С увеличением расстояния от среза сопла происходит развитие пограничного слоя, который к окончанию начального и началу основного участка занимает все поперечное сечение струи. Это приводит не только к увеличению самого поперечного сечения, но тайге к падению скорости и увеличению температуры по её

оси.

Для определения температуры в ochoehom участке струи 'была получена полузмпирлческая зависимость.

ъ^ГоРЩтй1,

we 0,2^-Тег}

vf - коэффициент сопла (для цилиндрического иг = 1,20, для конического «Г е I,04S, h - расстояние от среза сопла радиусом Re до охлаждаемой поверхности.

. Особенность» полученной зависимости является то, что ока учитывает специфику криогенных струй, а именно изменение плотности холодного газа по отноиениа к окрукгадэЗ ерзде.

Исследование легального коэффициента теплоотдачи а области критической точки осесимметричноГх струи показало, что на интенсивность теплоотдачи оказывззт существенное влияние расстояние мегду срезом сопла и преградой, интенсивность турбулентности, геометрические размеры сопла, а такзэ расход газа. Взаимосвязь этих параметров устанавливается по полученным з результате исследований зависимостям, позволяющим определять коэффидаент теплоотдачи в диапазоне 5>103¿ Re £ 5*10^, характерном для малоскоростных газовых потокоз.

• i - -АГ JÍ 7 е,ч t. ri

Mu =0,3 Re Pí h H+£jj

- для 6< h<0

- для 8 < 15

где h = hfdo » j3 - эмпирический коэффициент, учитывающий возрастание теплоотдачи из-за неравномерности профиля скорости (для конического сопла Ji = 1,2, для цилиндрического fi *> 1,6*1,8), £ - интенсивность турбулентности. •

Сразнение экспериментальных и расчетных данных показало, что уравнение, описывающее осезуа температуру з основном участке струи, дает расхождение не презыщаыцее 10 а уравнения для определения коэффициента теплоотдачи - 12 %.

Подученные результаты экспериментальных исследований, а. такке данные математического моделирования процесса нестационарной теплопровод н остя биологической ткани, легли в основу разработки номограмм для выбора режимов криотерапевтического воздействия. Данные вомограшы устанавливают связь между основными параметрами охлаждающего воздействия на биологическую ткань - температурой газа на срезе сопла и в месте его контакта с биологической тканью, коэффициентом теплоотдачи, временем охлаждения, расходом газа, диаметром сопла е расстоянием от среза сопла до поверхности ткани. Использование разработанных номограмм позволяет установить наиболее эффективный режим низкотемпературной газовой струи, обеспечивающий, исходя из медицинских показаний, температуру кожного покрова в пределах 0*2°С или &*12°С.

В пятой глазе сфоргдулированы основные принципы построения 1фиохирургических и криотерапевтических систем для локального воздействия на биологическую ткани, разработаны медико-техкические ребования, определяющие их конструктивное и схематическое решение, исследованы основные технические характеристики созданных образцов криогенной медицинской аппаратуры»

На основе разработанной гипотетической модели криохирургического аппарата показано, что наиболее полно удовлетворяют требованиям техники, технологии, медицины, эргономики криохирургические системы, работающие по разомкнутому циклу с использованием жидких криогенов.

Предложена версия построения автоматических программных криохирургических аппаратов. Показано, что перспективным направлением развития криохирургической техники является переход к динамическому управлению режимом криовоздействия по отклику ткани с целью достижения требуемой зоны криоразрушения.

На основе полученных требований создана серия криохирургических аппаратов с различными функциональными возможностями.

Криохирургические аппараты КПЕК-01, КПЕК-02 и КЕИ0-О1 представляют собой автоматические системы, осуществляющие трапецеидальный режим криовоздействия по заранее заданной программе, включающей реализацию следующих параметров: температуру к время 1сриовоздейст-еия, скорости охлаждения 2 отогрева.

Для обеспечения эффективного регулирования темпера турно-вре-

метами параметрами в криогенном блоке имеются два релейных рогу-лируэдих органа - электромагнитный клапан, расположенный на линии, обратного потока криоагенга, и электронагреватель в наконечника инструмента, работа которых осуществляется в противофазе.

В аппаратах предусмотрена возможность одновременного или раздельного упразления параматра'/д криовоздействия на двух криоинст-рументах. При подключении ПЭВМ к аппарату КРИ0-01 возможно автоматизировать процесс выбора регнмных параметров с учетом оптимизационных критериев, например, мпкимизирозать вре/.м криовоздействия или уменьшить повреждение окрунавдах опухоль здоровых тканей. По команде с 33.4 осуществляется автоматическое упразлекие регзала-л! криовоздействия. При произвольных ренимах алгоритм системы позволяет прогнозировать объем требуемого некроза.

Для разрушения небольших по объему, доступных для контроля и леасащкх далеко от жизненно важных органов опухолей, разработаю! малогабаритные ручные криохирургические аппараты КА-ОЗ, КР-02. Управление в таких аппаратах зоной деструкции осуществляется за счет варьирования временем охлаждения и размером наконечника по специально разработанным методикам.

Для проведения различных технологических приемов криовоздействия криохирургическая аппаратура снабаена специальными криоинстру-ментами и наконечника-ли.

На базе малогабаритных ручных аппаратов созданы малогабаритные автоматизированные рабочие места (..!АР.<1) врача-криохирурга различного профиля. ;,1АР.Л, помимо криохирургического аппарата, комплектуются ПЗЗ.Д со специальными программами для прогнозирования результатов криовоздействия, а также набором крионаконечникоз адаптированных . для требуемой области применения (онкологии, дерматологии, гинекологии и др.).

На базе криогенных систем аппаратов КПРК и КРИО совместно с Сибирским $кзико-техническим институтом разработан криоультразвухо-вой скальпель КРУС-01, позволяющий снизить'кровспотери при операциях на паренхиматозных органах до 80 % по сравнению с применением обычного скальпеля. Дашшй эффект'достигается за счет совместного действия ультразвука и низких температур.

На основе проведенных исследований разработана тахжэ требования к криотерапевтической аппаратуре, обоснованы схемные решения е§

построения.

Показано, что наиболее перспективное направление создания такой аппаратура основано ка использовании схемы с отбором газа над зеркалом криоагента, а также схема с испарительной системой жидкого криоагента, установленной нз линии его подачи к криоинст-румэнту.

Первая схема реализована в криотерапевтическом аппарате КШ0-Т-01, вторая - в совместно разработанных с НШ "Наука" • аппаратах КРИОРЕаХ-ПТ и СШ1. Аппарат КШ0-Т-01 состоит из криогенного блока с системой подъема давления и контроля уровня криоагента, теплоизолированного арубоцрозода для подачи газообразного криоагента к блока управления и контроля за режимом работы аппарата.

В аппаратах КШОРШШ-ПТ и СКА'Л кидкий криоагент газойицк-руется в специальном теплообменнике, установленном на выходе из криогенного блока, а затем подается в трубопровод. Аппарат ¿-.ИОРШШ-ПТ является переносным и для его работы не требуется электропитание. Аппарат СКАЛ снабяен системой регулирования и контроля температуры газового потока. Кроме того, з конструкции аппарата предусмотрена возмоеность работы в' режиме криодеструкции благодаря введению дополнительного трубопровода с криоинструмен-том и системы подвода и отвода гадкого криоагента к рабочему наконечнику.

Параметры газозого потока, реализованные в данных криотерапевтических аппаратах позволяют получить широкий диапазон режимов охлаждения локальных участков ткани. Изменяя температуру и расход газа, а также время воздействия, модно достичь различной интенсивности и глубины охлаждения ткани.

Основные технические параметры разработанной криохирургической и криотерапевтической аппаратуры приведены в таблице I.

Новизна технического решения разработанных образцов криомеда-цинской техники подтверждена 9 авторскими свидетельствами на изобретения. Проведенные технические и медицинские испытания подтвердили их высокие функциональные и технические характеристики.

В шестой главе даны оценки клинической эффективности применения разработанных криохирургических и криотерапевтических аппаратов н .методов локального низкотемпературного воздействия.

Таблица I

Основные характеристики криохирургической а криотерапавтической аппаратура

Наименование аппарата

Метод воздействия на ткань

Минимальная ; Диапазон рогулирусмых: :Вреш вы- :Вро'.'л :Вромя •гемпоттура :тоыпоратур:скоростои :хода ас :экстрен-:работы воздействия, :охлаадонид,»хлаадеш1Я :миним,том-:ного ото<от одной

но «дао, ос

отопхзва, °С/мин

пора туру :грова, не: заправки, ":охлаадешш;болсо, с: но моноо, :но болоз.с: : шп

КПРК-01

КПРК-02

КВЮ-01

КА-03

КР-02 {с

крпоинстру-

ыонтами)

СШ

Контактный, расгшло-ние жидкого крло-агента

Контактный, распылв-шю жидкого крио-агоита

Контактный, распыление жидкого крио-агеита

Контактный, распыло-1шо жидкого крио-агонта

Контактный, распыло-шш жидкого крио-агента

Контактный, обдув . газовой струей крио-агента

КРИ0-Т-01 Обдув газовой струей криоагонта

КИВДЕНШЮтПТ Обдув газовой струей криоагеита

1СРУС-01 Рассочонпо ткани крио-ульхразцукошм ножом

-170 -180 -160 -175 -175

-170

-160 -160

-160

-180

О -180 25 »400 5 * 240

37 * -180 I + 600 I * 150

3? * -180 I » 600 I * 150

О * -170 -1004-160 -20 * -100

-1оо аш

40

40

40

15

10

40 360 120

480

40

40

40

40

40

120 180

I

.¿20 й I

20

15

120 30 60

10 120

- so -

Оценка клинической эффективности проводилась:

- криохирургической ашаратуры и методик её применения на базе ЦКБ Я 4 им. Н.А.Семашко Ж РФ под руководством к.м.н. зав.центром криохирургии Дорофеевой В.И. к на базе ОВД РАлН под руководством профессора, д.м.н. зав.отделением опухолей головы и шей

Шенталя В.В., а таю?.е под руководством профессора, д.м.н. зав. клиникой абдоминальной онкология ОКЦ РА.М Клименкова A.A.,и к.м.н., ассистента кафедра онкологии Вишнякова A.A.;

- криотерапевтической аппаратуры ц методик её применения на базе ИР РАйН под руководством к.м.н., с.н.с. Бурдейного А.П.

В клиниках решались все медицинские вопросы, включающие составление плана и проведение операций, медицинское использование и испытание образцов аппаратуры, выработку медицинских показаний к применении, ведение больных.

Криохирургическое воздействие, проведе}шое на группах больных с. злокачественными и доброкачественными опухолями слизистой полости рта, губы, гортани, кожных покровов, печени, поджелудочной хе-лезы, осуществлялось с радикальной и паллиатпзной целью. Гистологическая структура новообразований включала рак, базалиомы, гемангио-ш, лейкоплакии, невусы и прочее.

Многие болькыо находилась з возрасте более 60 лет, имели тя-келые сопутствуюодш заболевания к подвергались ранее безуспешному лечению с помощью лучевой-, химиотерапии.■

Эффективность лечения зависела от размера опухоли, т.е. её стадии развития и локализации. При радикальной криодеструкцаи злокачественных опухолей наружных органов средняя результативность лечения составила 97,1 % для ограниченных опухолей и 68 % для распространенных. Основной категорией неудачных операций на распространенных опухолях явились рецидивные распространенные образования с локализацией в трудно доступных местах. При радикальной криоде-струкцип опухолей внутренних органов, излечиваемость составила 89 %. При паллиативном лечении обезболивающий эффект был достигнут у 75 % больных, что связано с большими размерами опухолей и ограни-чеи-ыми возможностями в криодеструкции на большую глубину. Криохирургическое лечение доброкачественных образований дало 100 % результат. Во многих случаях благодаря точным методикам прогнозиро-

зания," сохранены близлежаще к опухолям органы и кх фук-ода.

Криотерапевтическое воздействие при лечения такого тяжелого заболевания сустазоз, как ревматоидный артрит, привело за 20 сеансов к уменьшению <5оли и выраженности скованности в суставах более чем на 1/3, длительности скованности - более чем в 2 раза, числа болезненных суставов на 1/3 г суставного индекса на 1/2.

Креме того, значительно увеличилась сила стлтия пораженных костей, а также уменьшилась величина окружности проксимзлькых меж-фаланговых суставов. Причем важно отметить, что положительный клинический аффект наблюдается нэ только со стороны суставов, непосредственно подвергшихся криотерапевтическому воздействию, но и в суставах, которые нз охлаждались, т.е. имеет место так называемый резорбтивный эффект.

Анализируя результаты криохирургического и криотерапевтического лечения более чем на 1650 больных, можно сделать вывод о высокой эффективности разработанных аппаратов и методик их применения.

заводы

Основным итогом проведенных исследований явилась разработка экспериментально-теоретических основ построения и создание эффективных методов а аппаратуры низкотемпературного локального воздействия для лечения патологических новообразований и воспалительных процессов в различных областях медицины.

При этом получены следующие основные результата.

I. Показано, что разработанный в работе комплексный подход проведения системных теор-этическо-экспернменталы-ых исследований позволяет определить детериинирувщиэ характеристики тепловых режимов в ткани во взаимосвязи с многофакторным влиянием внешних параметров для различных режимов охлаздения и структур ткани. Разработаны методики проведения исследований на биологических тканях in vivo при низкотемпературных воздействиях.

2.. Установлена количественная взаимосвязь влияния воздействующих параметров: температуры, скорости охлаждения, времена криовоздействия, размера криоинструмента на характеристики зон охлаждения. Определены значения базовых характеристик крионекроза - •

критические значения температур и скоростей охлаздения для различ- ' ккх типоз ткани.

3. Доказано, что предложенный в работе принцип регулирования воздействующих параметров, основанный на трапецеидальной форме изменения температурно-временного ранима позволяет получить воспроизводимые результаты криовоздействия. Определены оптимальные границы телшературно-временных рекимоэ для достижения эффективного охлаждения.

4. Разработаны §нзико-математические модели процессов локального охлаадения при криохирургическом и криотерапевтическом воздействии, позволяющие исследовать влияние аппаратурных параметров на температурный реним в ткани.

Все модели адаптированы к биологической ткани, как объекту охлаадения и основаны на реиении задач нестационарной теплопроводности с условиями, характерными для криохирургических и криотерапевтических операций. На основе проведенных расчетов разработаны методики для усложненных технологий криовоздействия - ыногоцентрич-ного и направленного криовоздействия от периферии к центру. Предложены и разработаны новые методики воздействия с помощью квазисга-тичной и импульсной газовой струи при криотерапевтическом воздействии, исходя из критерия максимально глубокого охлаждения ткани без необратимых повреждений ее поверхностных структур.

Для осуществления экспресс-сценок результатов криовоздействия получены упрощенные аналитические зависимости, позволяющие без ■ слоаных вычислений с достаточной для инженерной практики точностью определять параметры тепловых реядаоз биологической тканл при ее охлавденпи.

5. Предложены полуэмпирические зависимости для определения базовых параметров импактной газовой криогенной струи. Данные зависимости учитывают особенности криогенных газовых струй и позволяют проводить расчет осевой температуры и коэффициента теплоотдачи в критической точке в зависимости от геометрических размеров сопла, расстояния от среза сопла до поверхности охлаадения, структурных и теплофизических характеристик струи.

6. Разработаны методики прогнозирования результатов 1фиоэоз-.действия в зависимости от воздействующих режимов. Методики прогнозирования при криохирургическом воздействии основаны на использо-

ваша средкеинтегральнсй температуры криовоздействия, что обеспечивает их универсальность по отнесению к любам формам температур-но-врс.\:егаюго резпгма. Для криотерапевтического воздействия разработанная методика устанавливает оптимальный диапазон величин воз-действухщих параметров, что дает возможность более широкого маневра при их выборе, обеспечивая при этом эффективность воздействия.

7, Предложен принцип построения криохирургической аппаратуры для управления режимом криодеструкции в ткани, основанный на последовательной реализации всех необходимых этапов криохирургической операции и включающий криогенный блок, блок управления и контроля, блок динамического контроля за криозоздействием а блок планирования операций, что позволяет перейти от управления воздействующими параметрами, к управлению по параметру, характеризующее процесс криовоздействия непосредственно в ткани.

На основа разработанной гипотетической модели криохирургического аппарата показано, что наиболее полно удовлетворяют требованиям техники, технологии, медицины, эргономики криохирургические системы, работающие по разомкнутому циклу с использованием жидких криоагентов.

Обоснована и предложена схема построения криотерапевтических аппаратов, основанных на принципе отбора газа над зеркалом криоагента и с испарительной системой, расположенной на линии подачи криоагента. Определены основные технические характеристика таких криотерапевтических систем, обеспечивающие эффективность охлаждения ткани.

Разработаны медико-технические требования к криомедацинской аппаратуре для локального воздействия в реяимах криодеструкции и криотерапии.

8. Созданы и внедрены в клиническую практику медицинские аппараты, предназначенные для локальных криохирургических и криотерапевтических воздействий в различных областях медицины. Для криозсирургпческих опершей разработаны аппараты КПРК-01, КПРК-02, КРИ0-01, КА-03 и КР-02 о набором инструментов для контактного криовоздействия, а также малогабаритные автоматизированные рабочие места врача-криохирурга различных специальностей, для криотерапевтических операций - аппараты КРИОРЕ&ЮЧП и КГИ0-Т-01, для крио-

хирургических и криотерапевтических- воздействий - CKAAí, для бескровной резекции паренхиматозных органов - криоультразвуковой скальпель КРУС-01.

9. На основе анализа результатов применения разработанных аппаратов и методов низкотемпературного воздействия, полученных более, чем на 1650 больных подтверждена их высокая эффективность.

Криодеструкцкя, проведенная на группах болыз:х злокачественными и доброкачественными опухолями конных покровов тела, слизистой полости рта, губы, печени, подаелудочной яелезы и других локализаций, осуществлялась с радикальной или паллиативной целью. При радикальной криодесгрукц/л злокачоствеишх опухолей наруяшых органов результативность лечения составила 97,1 % для ограниченных опухолей и 68 % - для распространенных. При радикальной крио-деструкции опухолей внутренних органов кзлзчиваемость составила 89 %. Криохирургическое лечение доброкачественных образований дало 100 % результат со стойким косметическим эффектом. При палли-ивном лечешш обезболивающий эффект был достигнут у 75 % больных.

Криотерапевтическое воздействие, осуществленное для лечешш ревматоидного артрита привело к уменьшении боли и выраженности скованности в суставах более чем на 1/3, длительности скованности - более чем з 2 раза, числа болезненных суставов на 1/3 и суставного индекса на 1/2. Кромо того значительно увеличилась сила сяатия пораженных кистей, а также уменьшилась величина окружности проксимальных ыонфаланговых суставоз.

Перечень основные работ, опубликованных по теме диссертации

1. Стационарная криогенная установка для леченая больных с опухолями головы и шеи/ Т.П.Птуха, В.В.Шентаяь, Н.И.Жолобов и др./У Опухоли головы и шеи. Сб.научн.трудоз ОНЦ АШ СССР. Ташкент: Медицина - 1977. -выл. 2 - С.143^-144.

2. Экспериментальное обоснование применения криогенного лечения в онкологии/ В.В.Шенталь, Т.П.Птуха, Н.Ц.Колобов и др.//0пухоли головы и шеи. Сб. нгучн. трудов ОНЦ кШ СССР. Ташкент: Медицина. -1979. -вып.З -C.II2-II8.

3. Криогенная универсальная установка с программным заданием ре-жг.-юз криовоздействия КПРК-01/Т.П.Пг/хп, В.Ь.Шенталь, Н.И.Еолобов и др.У/Раззигие к применен;« криогенной техники в медицине: Материалы Всос. конф. -IS80. -С. 9-II.

4. Экспериментальное определение параметров криовоздействия в биоткани/Т.П.Птуха, В.З.Шенталь, Н.И.Еолобов и др.//Там.же. -С. 36-37.

5. Локальное хриогешое воздействие на печень в эксперимента/ А.А.Клименков, Т.П.Птуха, Н.И.Еолобов и др.//Тезисы доклада П Всерос. съезда онкологов. -Омск. -1980. -G. 133-135.

6. Результаты криогенного воздействия на ткань печени в эксперименте/А. А.Клпменксв, Т.П.Птуха, Н.И.Еолобов и др.//2урнал экспериментальной и клинической медицины АН Арм.ССР. -1981.

-T. XXI. -Л I. -С. 44-49.

7. Птуха Т.П., Еолобов Н.И., Луняков С.А. Метод выбора режимных параметров криовоздействия средствами 3Bi,У/Диагностика, лечение и организация онкологической помощи больным опухолями: Тез.докл.научн.конш. -Вильнюс. -1986. -С. 143-144.

8. Еолобов Н.И. й1етод прогнозирования характеристик криоразруше-ния для различных температурно-временных режимов криовоздзй-ствия/УТруда ВШ§Ш ¡.3 СССР. -1<1. -1987. -Вып. 3. -С. 72-77.

9. Еолобов Н.И. Влияние скорости охлаждения кркоинструиента на результаты криозоздейстзля//Там же. -С. 84-38.

10. Еолобов Н.И., Птуха Т.П. Экспериментально-теоретическое исследование шогоцентрачного криовоздействия/Т^уды ЗНИШшГГ ¿13 СССР. -1987. -Вып.5. -С. 85-96.

11. Техническое обеспечение технологий криовоздействия для "больших" объемов биологической ткани/Т.П.Пгуха, Н.И.Еолобов, М.А.Костылев и др./Л1едацинская криогенная техника. Матер. Всесоюз. конф. -И. -1988. -С. 19-21.

12. Криодеструкция поджелудочной железы в эксперименте, возможности в лечении злокачественных опухолей поджелудочной железы/ И.А.Ли, А.Б.Итин. Н.И.Нолобов и' др.// Там же. -С. 83-87.

13. Яолобов Н.И., Птуха Т.П. Разработка ыногоцентричного криовоздействия для разрушения больших массивов биологической ткани// Tari же. -С. 26-27.

14. Система криогенного обеспечения криоультразвукового скальпеля КРУС-ОХ/Г.И.Тюльков, Т.П.Птуха, Н.И.Еолобов, В.М.Соловьев// Там se. -С. 57-59.

15. Еолобов.Н.И., Луняков С.А., Птуха Т.П. Управление цроцесссм криовоздейств:и в биологических тканях/УКриохирургия - применение низких темпераоур: Сб. докл. меад. конф. -Бенешев, ЧССР. -1988. .-й 5. -С. 38-52.

16. Тенденция формирования автоматизированных рабочих мест для криохирургии/С.А.Дуняков, Т.П.Птуха, Н.И.Еолобов, Л.И.Казан-ский/УТач. яе. -С. 15-22.

17. Возможности криогенного лечения опухолей печени и поджелудочной келезц/А.Б.Итнн, И.А.Ли, Н.И.Еолобов и др.//Там же.

-С. 53-55.

18. Разработка "методики криодеструкции опухолей подаелудочной ке-лезы/И.А.Ли, А.А.Клименков, Н.И.Нолобов и др//Актуальше вопросы создания и эксплуатации терапевтической и хирургической ыедтехники: Тез. докл. Всес. кколи-семинара. -Звенигород. -1989. -С. 150-154.

19. Анализ усиления криоповревденлй биотканей ультразвуком малой . интенсивности/В.Г.Веденков, Т.П.Птуха, Н.И.Еолобов и др.//

Ультразвук в хирургии: Тез. докл. Всес. конф. с мавдун. участием. -Суздаль. -1990. -С. 56-58.

20. Колобов Н.И. Экспериментально-теоретическое обоснование приемов криовоздействпя и их аппаратурное обеспечзнко/УКриохирур-гия - пркменешю низких тестера тур: Сб. докл. меад. конф. -Бенеаеа, ЧССР. -1990. 6. -С. 143-152.

21. Теоретические и экспериментальные исследования перометров га-' зовой струи, предназначенной для криотерапевтического лечения в ревмагологииУТ.П.Птуха, Д.И.Цыганов, Н.И.Нолобов и др.У/ Там же. -С. 153-162.

22. Криогенная медицинская техника/В.Г.Ведепков, Н.И.Нолобов, Т.П.Птуха, Д.И.Цыганов/Алетодические рекомендации. -НШШГ. -М. -1991. -70 с.

23. Козлов Э.В., Колобов Н.И., Веденков В.Г. Математическое моделирование процесса нестационарной теплопроводности айвой биологической ткани в условиях локального охлаждения однофазным криогенным газовым потоком/УДепонир. а ВИНИТИ. -Л 1802. -В.92.

—13 с.

24. Экспериментальное исследование метода локальной криотерапии/ Н.И.Нолобов, В.Г.Веденкоз, Э.В.Козлоа и др.У/ Депонир. в ВИНИТИ. -:> 3326. -В.92. -У. -20 с.

25. Веденков В.Г., Нолобов Н.И., Козлов Э.В. Аппаратурное обеспечение метода локальной хриотерапииУ/Успехи современной криобиологии: Тез. докл. мезд. кокф. -Харьков. -I9S2. -С. 27-28.

26. Птуха Т.П., Еолобов Н.И. Экспериментальное исследование тепловых режимов биологической ткани при локальном криовоздействии// Там же. -С. 145.

27. Разработка и совершенствование некоторых методов консервативной и оперативной реабилитации больных ревматическими заболевания?,ш с поражением суставоа/В.П.Павлов, С.С.Ожег, Н.И.Нолобов и др.//Клиническая ревматология. -1393. -ii 2. -С. 40-43.

28. Козлов Э.В., Зслобоз Н.И. Экспериментально-теоретическое исследование мотода локальной криотерашга/УЗдоровье и болезни человека на рубеле XXI века: Тез. докл. научн. конф. -iIL -1993.

-С. 37.

22. Нолобов Н.И., Веденков В.Г., Козлов Э.В. Исследование тепловых режимов биологической ткани и оптимизация параметров воздействия при локальной терапии шзкотекпературным газовым noTOKOii/У Медицинская техника. -1993. -'6 I. -С. 29-32.

30. Веденков В.Г., Жолобов Н.И., Козлов Э.В. Выбор и обоснование схемы построения криотерапевтических аппаратов для локального охлаждения биологической ткани/У Медицинская техника. -1993. -5 2. -С. 15-18.

31. Жолобов Н.И., Птуха Т.Н. Техническое обеспечение процесса управления криовоздействием в биологической тканк/УДедицинская техника. -1993. -Ä 4. -С. 34-37.

- Б8 -

32. Piuk'bûTк, í^úohv N. I. Civcfcnic Jiílems uilh pmçiammcd conltbt cf cruBihczapu bcludinf cswpulei means¡j Achievements and plea-peels' ir c%ye¿ioPc$y and сгустес/icine, Alsix. ânle-in. con/cr.~ Kharkov. - 1988 - P.-/Sí.

S3, tysuilxasonic ans/ Cryogenic equipment /ci mioicinejv. С. Yec/enkcv, N.í.Zhclchv, T. P. Plukho et aí. jj Medical ptoßZeSS ihîcuch iednoicgy, XLiwei Academic Pulílshets.-UXfi.- 1932.-P. 47-54:

34. A.C. 545346, СССР. Устройство для локального эачорахизаши ткани/Н.И.Яолобов, Н.А.Зююш, Ю.П.Филиппов, В.Ф.Ангкпов, Опубл. в Б.И. 1977, -5 6.

35. A.C. 722542, СССР. Приставка :: криохирургическому инструменту /Н.И.Колобов, Т.П.Птуха. В.В.Шэнталь. Опубл. в Б.И. 1980.

II.

36. A.C. 1388007, СССР. Наконечник криохирургического инструмента /Н.И.Нолобоз, А.А.Рбвякин. Опубл. з Б.И. IS83. -№ 14.

37. A.C. I456II6, СССР. Криохирургический агшарат/Н.И.Колобов, Е.г.!.Гудгаш, Т.П.Птуха, Г.Б.Чернявский. Опубл. в Б.И. 198Э. -й 5. "

38. A.C. I560I47, СССР. Приставка к криохирургическому инструменту /Н.И.Еолсбos, Т.П.Птуха, Г.Б.Чарнявский, В.В.Шенталь. Опубл.

в Б.И. ISSO. -й 16.

39. A.C. I554S0I, СССР. Устройство для криовоздействия/Н.И,Колобов, Т.П.Птуха, Опубл. в Б.К. 1920. -ib 13.

40. A.C. 1602488, СССР. Инструмент для криотерапии/Н.И.Жолобов. Опубл. в Б.И. IS90. -iái 40.

41. Колобов Н.И., Птуха Т.П., Цыганоз Д.И. Криохирургический инст-ру.ыент/./Полсжительное решение по заявке К 5034722/14 от 19.02.92

42. Колобов Н.И., Птуха Т.П., Козлов Э.В. Способ охлаждения локальной области биологической ткани/УПоложтельное решите пс г.атаке & 5050743/14 от 30.06.22.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Т (Х,Т ) - текущая температура ткани, °С; Тт - начальная темпера-, тура ткани, °С; Тв - температура крови, °С; Тс - температура газовой струн, °С; Тср - температура газовой струи на срезе сопла, °С; Т0Кр - температура окруяаэдей среда, °С; Т - время охлаждения, с; С - удельная теплоемкость ткани, Дж/кг.К; св - удельная теплоемкость крови, Дч/кг«К; Л - теплопроводность ткани, Вт/мК; Р - плотность ткани. кгУм3; - теплота фазового перехода

вода. Да/кг; - концентрация свободной воды в ткани; <£т- биологические тепловыделения, Вт/м3; Шв - объемная скорость кровотока, кг/м3с; О. - коэффициент тижературопроводности ткани, м^/с; ¿о - диаметр проходного сечения сопла, м; Ма - критерий Кус— сель га; |?е - критерий Рейнольдса; Рт - критерий Прандля.