Thermophysical modeling application in liver cryosurgery

Abstract

Full Text

Традиционные методы хирургического удаления патологических образований часто трудновыполнимы, малоэффективны и тяжело переносятся пациентами. Альтернативой хирургическому удалению новообразований печени могут служить методы локального воздействия на очаг поражения. К основным методам локального воздействия на опухолевый очаг относят: химическую абляцию (инъекции химически активного соединения), радиочастотную абляцию, (гипертермический метод), криодеструкцию (гипотермический метод). Экспериментальные исследования Э.И. Канделя показали, что при криодеструкции в печени происходит развитие очагов крионекроза. Он наблюдал отдельные печеночные клетки в состоянии некробиоза и жировой дистрофии, а в центре очага - некротизи- рованные крупные вены с явлениями тромбоза. Мелкие сосуды при воздействии температурой от -40 до -196oC с экспозицией от 7 до 30 мин подвергаются некрозу. Остается каркас из коллагена. В крупных сосудах после оттаивания восстанавливается кровоток. Геморрагические осложнения не наблюдались. Автор сделал вывод о целесообразности использования метода в гепатологии. А.С. Долецкий (1975) с помощью своего оригинального устройства проводил в эксперименте изучение заживления ран печени после криодеструкции. В настоящее время при проведении криоабляции печени контроль температуры в целевой области не осуществляется в полном объеме, а значит, отсутствует контроль распространения зоны некроза биологической ткани и есть вероятность получения неохваченных зон некрозом, а также криоповреждение здоровых тканей. В различных источниках указываются разные данные по температуре крионекроза. В [1] таковой является -60oC. То есть, при достижении данной температуры происходит гибель опухолевых клеток. Целью нашего исследования является изучение возможностей применения теплофизического моделирования для прогнозирования некроза биологической ткани при криохирургических операциях. Основная задача данной работы заключается в разработке алгоритма и программы теплофизического расчета по прогнозированию криохирургического воздействия. При использовании такой программы контроль процесса криовоздействия будет осуществляться на основе изображений замораживаемых зон, получаемых при помощи УЗИ с использованием планирования операции на основании математического прогнозирования, производимого как до, так и во время операции с помощью программного комплекса. На первом этапе исследования был разработан алгоритм расчета температурных полей при криохирургическом операционном вмешательстве на примере криоабляции рака предстательной железы. В алгоритме применяется универсальная математическая модель трехмерного теплообмена с учетом структуры области криовоздействия. На основании математической модели создана базовая компьютерная программа теплофизического расчета криохирургического воздействия в ходе многозондовой операции с учетом реальных теплофизических свойств биологической ткани в широком диапазоне температур. Численное моделирование математических данных проведено в академической версии программного комплекса Ansys 14.5.7 (вычислительный модуль - Ansys Thermal Transient). Используется численный метод конечных элементов в нестационарной постановке задачи. Данная компьютерная программа может применяться для теплофизического моделирования при криодеструкции печени. Для этого необходимо знать характеристики используемого криохирургического оборудования, формы и размеры оперируемого органа, а также теплофизические свойства тканей печени в широком диапазоне температур (теплопроводность, теплоемкость, энтальпия).