Исследование процесса локального разрушающего криовоздействия на биологический объект: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

Кафедра криогенной техники

ИССЛЕДОВАНИЕ     ПРОЦЕССА     ЛОКАЛЬНОГО     РАЗРУШАЮЩЕГО КРИОВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ

Методические указания к лабораторным работам по курсу

«Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов

специальности 140401 очной и заочной форм обучения

Санкт-Петербург

2009

УДК 621.59/09/

Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю. Моделирование нестационарного теплообмена при   локальном охлаждении  биологического объекта с целью разрушения клеток. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009г. – 27 с.

В работе изложена методика проведения численного эксперимента по сравнению нестационарной передачи теплоты в объекте разрушающего криовоздействия. Раскрывается  порядок формирования математической модели объекта охлаждения, алгоритм вычислительного эксперимента и обработка результатов. оболочки тела жидким или газообразным теплоносителем.

Рецензент

Доктор технических наук, профессор                                     Рыков В.А.

Одобрены к изданию методическим Советом факультета криогенной техники и кондиционирования.

    ©   Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю., 2009

ВВЕДЕНИЕ

Локальное разрушающее криовоздействие на биологический объект  является основой быстроразвивающегося направления криогенной медицины –  криохирургии.

Хирургические методики, основанные на применении криогенной аппаратуры, обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной хирургией или лазерными методами. Криохирургическая техника относительно дешева, проста и надежна в эксплуатации, пригодна для работы в амбулаторных условиях.

Востребованность методов, основанных на использовании локального разрушающего воздействия, формирует спрос на соответствующую аппаратуру.

Для разработки, проектирования и производства криохирургической аппаратуры необходимо иметь четкое представление о технологии разрушающего воздействия, структуре температурных полей в объекте охлаждения, энергетических потоках от объекта к охлаждающей аппаратуре.

Эмпирический анализ тепловых процессов в биологических объектах требует больших затрат и специальной аппаратуры. В то же время, используя метод вычислительного эксперимента, можно описывать тепловые процессы в объектах локального охлаждения с достаточной для решения учебных задач точностью. Данная лабораторная работа демонстрирует возможность анализа процессов в криохирургических системах.

ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Целью работы является исследование нестационарной передачи теплоты в объекте локального     разрушающего криовоздействия, определение изменения температуры слоев объекта, мгновенных и интегральных значений тепловых потоков, анализ амплитуды изменения температуры объекта.

ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ

На практике объектом разрушающего криовоздействия являются  новообразования в  тканях  человеческого тела, поэтому физический исследования подобных процессов организовать в техническом вузе кране трудно. Разумной альтернативой физических исследований является вычисленный эксперимент по моделированию исследованию процесса разрушающего криовоздействия, использование информационной методики позволяет снять целый круг практических проблем. При этом объем полученной информации о ходе и результатах процесса охлаждения  многократно превосходит результаты физических исследований. Математический аппарат для проведения подобных экспериментов разработан на кафедре криогенной техники и прошел всестороннюю практическую апробацию.

1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА ОХЛАЖДЕНИЯ

Физическая модель объекта − это упрощенный аналог, для построения которого использована система допущений. Сложные структуры заменяются элементами, пригодными для последующего аналитического описания. Чем сложнее объект, тем большее количество допущений необходимо для того, чтобы его физическая модель стала применима для математического моделирования. Учитывая специфику применения локального     разрушающего криовоздействия можно  принять ряд допущений, значительно упрощающих постановку численного эксперимента.

Объект локального     разрушающего криовоздействия  рассматривается как полуограниченное тело, пассивная граница которого отдалена от наружной поверхности [1].

Как уже отмечалось, объектом разрушающего криовоздействия являются новообразования органов человеческого тела. С теплофизической точки зрения эти объекты представляют собой однородные тела небольших размеров, расположенных внутри здоровой части органа.

Источники теплоты распределены в новообразованиях равномерно. Физические свойства объекта криодеструкции близки к физическим свойствам здорового органа.

Теплофизические свойства тканей различных органов человеческого тела приведены в табл. 1.

Физическая модель объекта локального криовоздействия иллюстрируется тепловой схемой процесса (см. рис. 1)