Введение к работе
Актуальность работы. Устройства управления температурой находят широкое применение практически во всех областях и достигли больших успехов по достижимой точности стабилизации, например, в прецизионных термостатах, когда речь идет о стабилизации температуры в изолированном объеме. Другое дело, если объем этот не изолирован, а тем более представляет собой живую ткань с действующей в ней естественной системой термостабилизации, как, например, в живом организме при реализации управляемой гипертермии для лечения опухолевых заболеваний. Несмотря на активную работу в этом направлении (установки "Яхта", "Гипертерм", "Цельсиус"), стабилизация температуры в живых тканях с необходимой точностью не достигнута. Именно эта задача поставлена и решена в предлагаемой работе.
При решении задачи стабилизации температуры в незамкнутом объеме биологической ткани с необходимой точностью требуется решить несколько вопросов.
Во-первых, необходимо обеспечить требуемый уровень температуры воздействия, который будет действовать губительно на опухолевые клетки и при этом не будет вызывать необратимых повреждений здоровых клеток.
Во-вторых, необходимо обеспечить выход на заданный уровень температуры в кратчайшее время, чтобы избежать стимулирования роста опухоли.
В-третьих, организм человека характеризуется тем, что стремится стабилизировать температуру тела на уровне 36-37 С. Соответственно, необходимо обеспечить поддержание заданного уровня температуры зоны нагрева с достаточной точностью, несмотря на стремление организма вернуть ее к нормальной.
Актуальным является разработка устройства, позволяющего стабилизировать температуру в незамкнутом объеме живой ткани на заданном уровне с высокой точностью.
Целью диссертационной работы является разработка устройства управления температурой для аппаратно-программного комплекса, предназначенного для реализации управляемой локальной гипертермии в лечении онкологических заболеваний.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
1. Проведен анализ известных на данный момент отечественных и
зарубежных разработок в области стабилизации температуры в незамкнутом
объеме живой ткани.
2. Разработан аппаратно-программный комплекс для реализации
управляемой локальной гипертермии, для чего был осуществлен анализ и
расчет устройства стабилизации температуры с использованием тепловой
модели.
3. Разработана методика применения аппаратно-программного комплекса
для реализации управляемой локальной гипертермии, для чего произведен
анализ распределения температуры в зоне нагрева.
4. Произведено экспериментальное подтверждение теоретических
предположений и расчетов, а также выполнены лабораторные эксперименты на
предмет практического применения разработанного аппаратно-программного
комплекса для реализации управляемой локальной гипертермии.
Объектом исследования в диссертации является электронное устройство управления температурой в незамкнутой локальной области биологической ткани для реализации локальной гипертермии.
Предметом исследования являются способы и устройства реализации локальной гипертермии, их тепловые, точностные и динамические характеристики.
Для достижения цели и решения поставленных в диссертации задач применялись следующие методы исследования:
-
Теоретические методы исследования стационарных тепловых полей;
-
Методы моделирования тепловых полей на основе электротепловых аналогий;
-
Операторный метод расчета переходных процессов в зоне нагрева в биологической ткани при осуществлении локальной гипертермии;
-
Методы статического и динамического моделирования тепловых полей в программной среде технического анализа ANSYS.
Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается непротиворечивостью результатов и выводов с ранее полученными данными исследований, а также совпадением результатов численных расчетов с экспериментальными данными, включая лабораторные исследования на животных, а также положительными результатами внедрения материалов диссертации в исследовательскую практику НИИ онкологии СО РАМН и в учебный процесс Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанное устройство управления температурой в составе аппаратно-программного комплекса для реализации локальной гипертермии позволяет обеспечить воздействие на опухолевые ткани любой локализации и глубины расположения со стабилизацией температуры на заданном уровне с точностью ± 0,1 С. При этом обеспечивается отсутствие повреждающего действия на здоровые ткани, расположенные как вблизи, так и на значительном удалении от опухолевого узла.
-
Использование нагревателей, имеющих функцию определения температуры нагрева для организации механизма отрицательной обратной связи, число которых рассчитывается по полученной автором формуле, позволяет обеспечить контроль степени теплового воздействия без введения датчиков температуры в опухолевую ткань, что обеспечивает снижение уровня метастазирования и позволяет обеспечить нагрев всей опухоли до минимального уровня в 43 С без повреждающего воздействия на здоровые ткани.
-
Выведенная формула для расчета температуры в любой точке области воздействия позволяет обеспечить и контролировать равномерность распределения температуры в пределах области воздействия и гарантировать ее уровень не менее 43 С.
-
Использованные математические модели нагрева зоны воздействия на основе электротепловой аналогии позволили исследовать тепловые поля в незамкнутом локальном объеме, аппроксимировать их аналитически и алгоритмически и воплотить в методику учета влияния индивидуальных особенностей пациента на параметры воздействия.
Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач, связанных с разработкой и реализацией устройства стабилизации температуры в рамках аппаратно-программного комплекса для реализации локальной гипертермии:
1. Разработан аппаратно-программный комплекс для реализации локальной гипертермии в лечении онкологических заболеваний, использующий, в отличие от известных решений нагрев с помощью постоянного тока. Это позволило исключить отрицательное воздействие на организм больного и персонала электромагнитного поля, а также обеспечить возможность нагрева опухолей практически любой локализации, причем расположенных на любой глубине.
-
Впервые в практике локальной гипертермии разработаны нагреватели, одновременно являющиеся датчиками температуры, а также получена формула, позволяющая по размерам опухолевого узла определять количество нагревателей и размер зоны нагрева. Это позволило исключить необходимость введения датчиков в зону нагрева, что снизило вероятность развития метастазирования опухоли.
-
Создана, проанализирована и рассчитана тепловая модель устройства стабилизации температуры с выводом формулы, позволяющей определять температуру в любой точке области воздействия.
-
Разработана схема расчета параметров воздействия (координаты введения игольчатых нагревателей, их количество, размеры, диаметр зоны воздействия) в зависимости от индивидуальных особенностей пациента (размеры и глубина залегания опухоли, орган, в котором расположена опухоль).
Практическая ценность работы заключается в применении аппаратно-программного комплекса для реализации локальной гипертермии в лечении онкологических заболеваний в онкологических клиниках, НИИ онкологии, онкологических отделениях стационаров и онкологических центрах. Кроме того, возможно применение аппаратно-программного комплекса для научных исследований в сфере применения локальной гипертермии.
Реализация результатов работы осуществлена путем внедрения экспериментального образца устройства для реализации локальной гипертермии в рамках научных исследований в сфере применения локальной гипертермии в НИИ онкологии СО РАМН (акт внедрения от 10.02.2012), а также путем внедрения в учебный процесс Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 13.02.2012).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования нашли свое отражение в трудах научных и научно-практических конференций различного уровня, в числе которых:
-
Ежегодная научно-практическая конференция студентов 1-4 курсов кафедры Промышленной электроники (Томск, 2009);
-
Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2010" (Томск, 2010);
-
VI международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" (диплом 1 степени за лучший доклад в секции "Биомедицинская электроника") (Томск, 2010);
4. Выставка научных достижений молодых ученых ТУСУРа (Томск, 2011).
Личный вклад автора:
-
Разработка структуры аппаратно-программного комплекса.
-
Разработка функциональной схемы электронного устройства стабилизации температуры, участие в создании экспериментального образца устройства, разработка конструкции игольчатых нагревателей.
-
Вывод формул для расчета количества нагревателей и размера зоны нагрева, а также для определения температуры в любой точке зоны нагрева.
-
Разработка схемы расчета параметров высокотемпературного воздействия на живые ткани на основании индивидуальных особенностей пациента.
-
Экспериментальная проверка точности стабилизации температуры, расчет погрешностей, проведение лабораторных экспериментов по определению эффективности применения устройства стабилизации температуры.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных работы, в том числе одна - в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном ВАК Минобрнауки России для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций, получено три патента на полезные модели, подана одна заявка на патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 111 страницах основного текста, содержат 33 иллюстрации, 9 таблиц, 2 приложения. Библиофафический список включает в себя 102 наименования.
