Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
advertisement
Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова Факультет фундаментальной физико-химической инженерии Сравнение динамических характеристик скорости охлаждения модельных сред сапфировым и медным крионаконечниками Курсовая работа студентки 2 курса 201 группы Кущенко Яны Владимировны Научный руководитель: к.ф.-м.н. Шикунова И. А. Черноголовка-2014 Содержание Введение .........................................................................................................................................3 1. Обзор литературы ......................................................................................................................4 1.1. Механизм криодеструкции (структура намораживания) ................................................4 1.2. Методы усиления криодесрукции .....................................................................................6 1.3. Устройство криодеструкторов...........................................................................................7 1.4. Проведённый ранее эксперимент ......................................................................................7 2. Экспериментальная часть .........................................................................................................9 2.1. Описание установки, используемых приборов ................................................................9 2.2. Создание новой измерительной ячейки..........................................................................11 2.3. Исходные данные..............................................................................................................12 2.4. Результаты и их обсуждение ...........................................................................................12 2.5. Выводы...............................................................................................................................15 Список литературы......................................................................................................................16 2 Введение Одним из приоритетных направлений в современной онкологии является ориентация на органосохраняющие методы терапии раковых заболеваний. Криодеструкция – перспективный метод местно-регионального воздействия, получивший распространение в онкологии и гинекологии, травматологии и нейрохирургии, дерматологии, офтальмологии, оториноларингологии, урологии и др. [1], [2]. Криодеструкция обладает широким спектром лечебных эффектов и, в частности, позволяет осуществлять эффективное разрушение опухоли, стимулирует регенерацию тканей, активизирует местный иммунитет, оказывает обезболивающее, противовоспалительное и кровоостанавливающее действие [3]. Проблемы криодеструкции заключаются в необходимости стандартизации процедур. Это требует с одной стороны совершенствования криоаппаратов, которые находятся на высоком техническом уровне, обеспечивая высокую производительность и большую площадь покрытия, и с другой стороны - повышение эффективности всего процесса теплопередачи, контроль за ростом зоны льда, а также усиление лечения путем применения дополнительных воздействующих факторов [4]. Одним из решений данных проблем может послужить замена металлических наконечников криодеструкторов на крионаконечники из оптически прозрачного сапфира, что открывает новые возможности совмещения криомедицины с лазерными методами воздействия и диагностики состояния биоткани [5]. Целью этой работы является сравнение динамических характеристик скорости охлаждения и заморозки модельных сред сапфировым и медным наконечниками. Задачи: Создание более совершенной установки для измерения хладопроизводительности сделанных из различных материалов наконечников криодеструкторов. Исследование динамики распределения температур в модельной среде (воде) при соприкосновении с ней охлаждаемого азотом сапфирового крионаконечника. Исследование динамики распределения температур в модельной среде (воде) при соприкосновении с ней охлаждаемого азотом медного крионаконечника. 3 1. Обзор литературы 1.1. Механизм криодеструкции (структура намораживания) Криодеструкция – разрушение заданного объёма замораживаемой патологической ткани как на поверхности тела, так и в глубине органов без серьёзного повреждения окружающих клеток [6]. Процесс криодеструкции ткани включает 2 этапа: 1) первичное повреждение, связанное с непосредственной деструкцией ткани под влиянием низкой температуры; 2) вторичное повреждение, обусловленное гибелью патологической ткани в результате нарушения гемодинамики и в ходе асептического воспаления. При криодеструкции первично возникают, во-первых, механическое повреждение всех элементов ткани, расположенных под криоаппликатором, и, во-вторых, повреждение сосудистых стенок и нарушение реологических свойств крови. Поскольку мишенью для криодеструкции является вода, а наибольшее ее количество сосредоточено в сосудах, то наибольшему разрушению подвергается сосудистое русло ткани. Интенсивность криодеструкции зависит от индивидуальной устойчивости ткани к холоду, ее температуры и скорости охлаждения, экспозиции воздействия, а также скорости и времени оттаивания ткани после него. Существует два пути повышения надежности необратимой деструкции клеток в зоне замораживания: 1) относительно быстрое замораживание ~ 40-50°С /мин. и увеличение диаметра ледяной сферы с выходом ее за пределы заданной зоны деструкции с таким расчетом, чтобы в пределах этой зоны температура была ниже минус 20°С; 2) медленное оттаивание ледяной сферы cо скоростью 10-12°С/мин. до полного исчезновения льда, что обеспечивает более надёжную деструкцию клеток. Количество кристаллов льда, образующихся в живой ткани в процессе замораживания, прямо пропорционально скорости процесса, а величина образующихся кристаллов обратно пропорциональна этой скорости. Поэтому при конструировании криохирургических приборов для достижения полной и необратимой деструкции клеток предпочтительнее быстрый темп охлаждения. При быстром охлаждении со скоростью несколько десятков градусов в минуту кристаллы льда образуются не только вокруг клеток, но и внутри клеток, что, несомненно, способствует деструкции клеток в результате разрыва их мембран острыми кристаллами льда. Образование этих кристаллов в цитоплазме, и особенно внутри ядра клетки, 4 неизбежно ведет к ее гибели. Кроме того, в тканевой среде возникают более высокие концентрации токсических веществ и более резкие изменения рН. При быстром охлаждении вода «не успевает» быстро диффундировать из клеток во внеклеточное пространство. Эта внутриклеточная вода сначала переохлаждается, а затем в ней начинается процесс кристаллизации, идущий параллельно с образованием льда во внутриклеточном пространстве. Именно этим объясняется образование льда вне и внутри клетки — при быстром охлаждении и только вне клетки при медленном охлаждении. При анализе процесса локального замораживания целесообразно всю воду, содержащуюся в тканях, разделить на три условных типа: 1. «Свободную воду», которая превращается в лед в диапазоне температур от 0 до 0,5 °С. 2. «Связанную слабо» воду, превращающуюся в лед в диапазоне отрицательных температур от -15 до -40 °С. 3. «Связанную прочно» незамерзающую воду, которая не превращается в лед при самых низких температурах. В результате приобретения водой различных свойств при высокой скорости охлаждения в тканях возникают термомеханические напряжения (Рис.1): — появляются трещины, наиболее выраженные по краям патологического очага; — наблюдаются выраженные смещения тканевых структур из-за разной степени эластичности; — происходит отделение замороженной зоны от здоровых тканей с образованием относительно широкой пограничной щели; — замороженная зона может быть удалена в виде своеобразного «шара» (криоэкстирпация). 5 Рис.1. Схема работы контактного криодеструктора 1.2. Методы усиления криодесрукции Среди методов усиления криодеструкции наиболее распространенными являются применение повторных циклов замораживания – оттаивания [7], введение в зону разрушения препаратов, предварительной например, ишемии [9], магнитосодержащих сочетание с гелей ультразвуком [8], [10], создание сочетание пневмогипертермии (подачи струи горячего воздуха на пораженную поверхность) и криогенного воздействия [11]. Лазерный скальпель (СO2–лазер, 10,6 мкм) может использоваться при криодеструкции для иссечения ледяного шара, взятия биопсийных проб, предварительной обработки кожи для лучшего контакта с криоинструментом [12]. Сами криохирургические аппараты имеют специальные конструктивные решения для теплоизоляции и принудительного оттаивания для проведения внутритканевой криодеструкции патологических тканей, а также возможности использования естественных каналов для размещения инструмента. Так, криодеструкторы могут быть оснащены средствами принудительного оттаивания наконечника, среди которых применяется также и лазерный нагрев крионаконечника [13] в том числе с подачей лазерного излучения по оптическим волокнам, проходящим в теле крионаконечника, который его полностью поглощает. Использование лазерного излучения для данной цели не дает искажений и артефактов при наблюдении за процессом замораживания посредством устройств магнитно-резонансной световодные оболочки для термоизоляции термометрии. боковой части Также используются наконечников при внутритканевой или через полостной операциях по криодеструкции для защиты здоровых тканей или каналов доступа [14]. В упомянутых методиках и устройствах лазерное и другие типы оптического излучения используются как альтернативный источник энергии, когда как свойства лазерного излучения потенциально предоставляют уникальные 6 возможности лазерной терапии, в том числе различные методы оптической спектроскопии, дозиметрии, фотодинамического воздействия [15]. 1.3. Устройство криодеструкторов На Рис.2 представлено устройство самого примитивного криодеструктора. Рис. 2. Устройство криодеструктора 1 – активный наконечник, 2 – закрепляющий болтик, 3 – хладопровод, 4 – термоизоляционный кожух, 5 – сосуд, 6 – пробка В зависимости от назначения и предполагаемых функций устройство криодеструкторов может изменяться. Могут меняться длина и форма хладопровода, материалы различных частей криодеструктора, вместо наконечника может быть распылитель, но суть остаётся прежней. 1.4. Проведённый ранее эксперимент Для предварительной оценки ранее проводился эксперимент с целью сравнения хладопроизводительности сапфирового и медного наконечников. Была собрана следующая схема: изготовлены одинаковые медный и сапфировый (Рис.3) наконечники в форме цилиндра диаметром 0.8 см и длиной 6 см, которые были закреплены на держателе. К наконечникам на поверхность контакта и на расстоянии 3 мм от поверхности контакта закреплены термопары (Рис. 3). Наконечник, предварительно охлаждённый в ёмкости с жидким азотом, погружался в желатиновый гель на глубину 3 мм и записывалось изменение температуры на датчиках. 7 Наконечник Ледяной шар Рис. 3. Наконечник погружного типа: внешний вид измерительного устройства с сапфировым наконечником (слева) и схема измерения (слева) Медь 3 мм Сапфир 3мм Медь поверхность 20 0 -20 -40 Сапфир поверхность T (oC) -60 -80 -100 -120 -140 Cu Surface Cu Fluid Sapphire Surface Sapphire Fluid -160 -180 5 00 10 350 -200 0 50 100 150 200 250 300 350 t0 (s) Рис. 4. Изменение температуры контактной поверхности охлажденных в жидком азоте аппликаторов. Медный аппликатор – красные сплошные квадраты; сапфировый – сплошные синие треугольники. Открытые символы – показания термопары, закрепленной на расстоянии в ~3 мм от боковой поверхности торца аппликатора На Рис.4 приведены термограммы, описывающие изменение со временем температуры поверхности нижнего торца (медный наконечник – открытые квадраты, сапфировый наконечник – открытые треугольники) и на глубине в 3 мм (медный 8 наконечник - закрытые квадраты, сапфировый наконечник – закрытые треугольники. Видно, что торец сапфирового наконечника медленнее отогревается и сильнее охлаждает объем геля под наконечником: в объеме ледяного шарика, образующегося в геле под наконечником, через 20 секунд после погружения сапфирового наконечника на расстоянии в 3 мм от торца температура среды понижается до -50о С и далее сохраняется на уровне -25о С, достаточном для разрушения биологической ткани, в течение почти 2-х минут. Данный эксперимент показал, что характеристики сапфирового наконечника, повторяющего медный наконечник, заметно лучше. Таким образом, сапфир можно рассматривать как перспективный конструкционный материал для изготовления контактного наконечника азотного криодеструктора. 2. Экспериментальная часть 2.1. Описание установки, используемых приборов В лаборатории имелась экспериментальная установка (Рис.5), которая использовалась для получения кривых распределения температур для криодеструкторов различного назначения. Рис. 5. Схема установки для измерения динамики замораживания Измерения на данной установке проводят следующим образом. Наконечник, закреплённый на штативе криодеструктора (в криодеструкторе сверху есть отверстие, куда заливается жидкий азот), подводят к модельной среде (воде). В сосуд с водой помещена ячейка с четырьмя медно-константановыми термопарами. Термопары измеряют ЭДС на разных расстояниях от источника замораживания (Рис.6). Термопары присоединены к аналого-цифровому преобразователю ЛА-20 USB, который в свою очередь присоединён к компьютеру посредством предусилителя постоянного тока с постоянной термоконденсацией, позволяющего учитывать температуру окружающей среды. На рабочем компьютере установлена программа, с помощью которой с заданной частотой с термопар снимаются показания (значения ЭДС), которые потом с помощью калибровочного файла преобразуются в значения температуры, таким образом мы можем 9 наблюдать зависимость температуры в местах расположения термопар от времени, прошедшего с начала замораживания. Рис. 6. Измерительная ячейка: стойка с закрепленными на ней одна под другой четырьмя термопарами. Расстояние между термопарами составляет примерно 3 мм. Также ячейка имеет медную контактную переходную пластину для позиционирования наконечника относительно термопар В данных экспериментах исследуем хладопроизводительность медного наконечника криодеструктора с прямым хладопроводом (Рис.7) и сапфирового наконечника криодеструктора с изогнутым хладопроводом (Рис.7). Рис. 7. Криодеструктор с медным (слева) и сапфировым (справа) наконечником 10 2.2. Создание новой измерительной ячейки С целью повышения достоверности результатов, что подробнее будет описано в пункте 2.4, была создана новая измерительная ячейка (Рис. 8). Рис. 8. Новая измерительная ячейка На каркасе закреплены четыре медно-константановые термопары. Первая термопара непосредственно соприкасается с поверхностью испытуемого наконечника, остальные расположены последовательно на расстоянии примерно в 3 мм друг от друга. Для новой измерительной ячейки производилась калибровка термопар. Для этого в программе установили частоту снятия показаний с термопар 10кГц. Результаты записывали в течение одного блока продолжительностью примерно полторы минуты. Для получения данных при различных температурах опускали термопары в жидкий азот, замороженный спирт и воду. Вместе с термопарами в среду погружали платиновый термометр, записывали показываемую им температуру. Опустив термопары в жидкий азот, сняли показания термопар при температуре -197о С. В замороженном, но постепенно нагревающемся спирте получили показания термопар в промежутке от -100о С до -30о С и в промежутке от -20о С до 0о С через каждые 10о С и в промежутке от -30о С до 20о С через каждые 2о С. Более тщательное внимание уделили промежутку от -30о С до 20о С, так как именно при подобных температурах обычно проводится деструкция тканей. Для получения более точных результатов в системе вода-лёд получили более устойчивое положение 0о С и провели измерения. В качестве положительных значений температуры 11 использовали температуру воды из-под крана 11о С и температуру комнаты 17о С, провели измерения при данных температурах. Полученные значения усреднили и построили зависимость температуры, измеряемой в течение каждого блока платиновым термометром, от ЭДС на термопарах. Аппроксимировали полученную зависимость полиномом третьей степени, полученные коэффициенты записали в калибровочный файл. 2.3. Исходные данные Для данных экспериментов в программе устанавливаем частоту снятия показаний с термопар 100 Гц. Результаты записываем в течение двадцати одного блока (каждый продолжительностью примерно 164 с), этого времени вполне достаточно для наблюдения как процесса замораживания, так и начала процесса оттаивания «ледяного шарика». Азот, объёмом примерно 1 л заливаем в криодеструктор в течение двух первых блоков. 2.4. Результаты и их обсуждение Температурные кривые, полученные для медного и сапфирового наконечников с использованием имеющейся ячейки, показаны на Рис. 9. Медь Сапфир Рис. 9. Динамика распределения температур, полученная с помощью старой ячейки. Красные линии - показания термопары, непосредственно соприкасающейся с поверхностью наконечника; салатовые – показания термопары, закреплённой на глубине 3 мм; синие – показания термопары, закреплённой на глубине 6 мм от второй термопары; чёрные – на глубине 9 мм 12 Из графика видно, что в данном эксперименте при равных условиях сапфировый наконечник в сравнении с медным охлаждает, а потом и замораживает модельную среду (воду) до более низких температур, то есть обладает большей хладопроизводительностью. Однако оценить скорость изменения температуры во время охлаждения с данной ячейкой невозможно из-за наличия медной переходной пластины: в обоих экспериментах скорость охлаждения (наклон пар кривых в первой части эксперимента) одинакова. Скорость охлаждения является очень важным параметром при криодеструкции биотканей (см. обзор). Для того, чтобы измерять этот параметр для различных материалов потребовалась разработка новой ячейки без медной пластины (см. пункт 2.2). После отладки экспериментальной установки с новой измерительной ячейкой проведены эксперименты с криодеструкторами, оснащенными сапфировым и медным наконечником. Сапфир Медь Рис. 10. Динамика распределения температур, поученная с помощью новой ячейки. Красные линии – показания термопары, непосредственно соприкасающейся с поверхностью наконечника; салатовые – показания термопары, закреплённой на глубине 3 мм; чёрные – на глубине 9 мм 13 Из графика видно, что при равных условиях криодеструктор с медным наконечником быстрее и до более низких температур охлаждает, а потом и замораживает модельную среду (воду), чем криодеструктор с сапфировым наконечником. Также криодеструктор с медным наконечником дольше держит низкие температуры. Полученные результаты, а в частности, достижение не таких низких температур и не в таком продолжительном промежутке времени с помощью криодеструктора с сапфировым наконечником, как можно было ожидать, предположительно, обусловлено строением самого наконечника (Рис. 11), а точнее, его неоправданно большой длиной. Изза этого за счёт быстрого испарения не весь азот доходит до поверхности соприкосновения наконечника со средой. Также из-за недостаточного отведения паров азота непосредственно внизу наконечника может образовываться газовая плёнка, которая не будет давать жидкому азоту поступать ниже, и соответственно, охлаждать среду. Данное явление довольно хорошо отражено на Рис. 10. Сначала, как раз из-за образования газовой плёнки, охлаждение и замораживание сапфировым наконечником идёт не так быстро, как можно было бы предположить, опираясь на полученные ранее результаты. А после очередного добавления азота плёнка «лопается», жидкий азот получает доступ к поверхности контакта, и наблюдается резкое падение температуры, которое, правда, держится довольно короткое время. Затем температура стабилизируется, но она заметно ниже предполагаемой. Рис. 11. Сапфировый наконечник 14 2.5. Выводы Создана новая ячейка для измерения хладопроизводительности сделанных из различных материалов наконечников криодеструкторов. Показано, что сапфировый наконечник, кроме того, что по нему в отличие от медного можно подводить к замораживаемой среде свет и лазер, не хуже медного охлаждает и замораживает воду и гель. Однако хладопроизводительность сапфирового наконечника напрямую зависит от устройства криодеструктора и, в частности, самого наконечника. Планы: Оптимизировать форму наконечника. Для начала сделать его короче во избежание образования избытков паров азота, в частности, газовой плёнки, препятствующей поступлению жидкого азота непосредственно к поверхности контакта наконечника со средой. Для того чтобы избежать конвекции, возникающей в воде, исследовать хладопроизводительность наконечников в других модельных средах, более приближённых к живой ткани (сначала в геле, потом в мясе). 15 Список литературы 1. “Cryosurgery. Mechanism and applications”, Ed. by L.Lucas, France, Paris: International Institute of Refrigeration, 1995. 2. “Basics of Cryosurgery”, Ed. by N.N. Korpan, Springer, N.Y., 2001; 3. Н.Г. Короткий, В.В. Шафранов, Е.Н. Борхунова и др. Криохирургия: теория и практика //Медицинская криология. Н. Новгород, 2001. с. 183191. 4. Д.И. Цыганов “Криомедицина: процессы и аппараты.” // 2011, 304 стр., ил, Изд-во «Сайенс-пресс». 5. Межов-Деглин Л.П., Курлов В.Н., Шикунова И.А., и др. “Крионаконечник с сапфировым хладопроводом-облучателем” Патент РФ на изобретение № 2496442, 12.12.2011. 6. Межов-Деглин Л.П. и др. Шальников А.И. – Учёний и Учитель. – СПб.: Наука, 2009. – 328 с. 7. В.В. Будрик “Физические основы криометодов в медицине: учеб. Пособие”. 2007. 136 с. М.: Лика. 8. Патент РФ 2246280 Способ криогенного лечения патологических очагов, от 16.07.2003. 9. В.И.Коченов, С.Н.Цыбусов, Г.А. Буланов “Микрокриокомпрессионный способ лечения мелких папилломавирусных новообразований и гемангиом”. // Новое в практической медицинской криологии. М., 2004. С.38-39. 10.В.В. Шафранов, Н.Б. Малышева, Б.В. Жаров и др. Криогенный и комбинированный СВЧ-криогенный методы в лечении гемангиом у детей. // Медицинская криология. 2001. 11.Патент РФ 2191556 Способ лечения злокачественных опухолей головы, от 27.10.2002. 12.Коченов В.И. Новые варианты криолазерных воздействий при хирургическом лечении злокачественных опухолей // Онкология на рубеже ХХ1 века. Возможности и перспективы.- М., 1999. - с.177-179. 13.Патент WO 83/03961от 24.11.83 “Catheter for ice mapping and ablation”. 14.Патент US2008/0114345 от 15.05.2008 “Catheter with cryogenic and electrical heating ablation". 15.Оптическая биомедицинская диагностика Том 1. под ред. В.В. Тучина. 16.Межов-Деглин Л.П., Курлов В.Н., Шикунова И.А., и др. “Крионаконечник с сапфировым хладопроводом-облучателем” Патент РФ на изобретение № 2496442, 12.12.2011. 16
