Математическое моделирование процессов теплообмена в биологической ткани

• Автор: Кагна, Анна Александровна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Харьков
• Количество страниц: 118 c. : ил

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Глава II. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

КРИОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЖИВУЮ ТКАНЬ

2.1. Применение плоского аппликатора

2.2. Внутреннее введение зонда с полусферическим наконечником

2.3. Оценка необходимой интенсивности охлаждения наконечника криозонда

2.4. Определение объема области деструкции

Глава III. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР В СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЕ

ПРИ РИТМИЧЕСКОМ СОКРАЩЕНИИ

Глава IV.ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

Актуальность проблемы. К настоящему времени сформировалось важное направление в современной биотехнологии и физиологии, связанное с экспериментальным и теоретическим исследованием процессов теплообмена в целостном организме, а также различных органах и тканях. Биологическая ткань представляет собой специфическую физическую среду сложной организации, исследование процессов теплопередачи в которой является насущной проблемой ряда областей науки и техники.
Освоение человеком новых сред обитания (космос, подводные глубины), необходимость адаптации к различным внешним (в частности, температурным) факторам при обязательном сохранении нужного уровня физической активности, создание аппаратуры, обеспечивающей условия для нормальной жизнедеятельности человека при широком варьировании свойств внешней среды - все эти задача настоятельно требуют, в частности, подробного изучения механизмов теплопродукции и терморегуляции биологических объектов, процессов теплообмена их с окружающей средой в покое и при интенсивной мышечной деятельности, а также исследования процессов тепло-переноса и температурных полей в биологических тканях.
Решение этих же проблем необходимо для проектирования приборов и инструментов новейшей медицинской техники, в частности, криохирургической аппаратуры, применяемой во многих областях медицины, а также различных устройств для осуществления и исследования гипо- и гипертермического воздействия на организм.
Актуальный вопрос криобиологии и медицины, связанный с сохранением нужных биологических свойств тканей и органов при криоконсервировании также требует анализа процессов теплообмена в

биопродукте и возникающих при этом температурных полей.
В последние 10 - 15 лет в СССР и за рубежом проделано значительное число экспериментальных и теоретических работ, посвященных процессам теплообмена в биологических объектах. При этом встает вопрос о точности методов измерения температурных полей в биологических тканях.
Целью настоящей работы является разработка математических моделей процессов теплообмена в биологических тканях. В диссертации последовательно рассматриваются модель теплопереноса в живой ткани при криовоздействии (когда подавляется кровоснабжение в зоне замораживания, однако в теплопереносе все-таки проявляется реакция организма на криовоздействия), задача о распределении температур (в живой ткани в условиях целостного организма), причем рассматривается не только влияние кровотока и метаболизма (биохимических реакций обмена, обеспечивающих тепловыделение в ткани ), но и существенная роль движения самой ткани (распределение температур в скелетной мышце при ритмическом сокращении).
В предлагаемой диссертации решается также примыкающая к этим вопросам задача о погрешности измерения температуры в биологической ткани, имеющая часто определяющее значение при интерпретации экспериментальных результатов.
Научная новизна. На основе предположения об активной реакции ткани на криовоздействие, выражающейся в появлении " теплового барьера", полностью блокирующего понижение температуры в участках ткани, отстоящих от поверхности криозонда дальше некоторого характерного расстояния £ , сформулирована и исследована математическая модель процесса промерзания живой ткани

где — Z^cZ^ , а Вс~ - число Био. При постоЭг Тб-Тк °(г°
янной температуре наконечника имеем
(8Л8)
где Щ
Как следует из формулы (2.17), при внутреннем введении зонда для существования стационарного промерзания имеется ограничение на размеры области криовоздействия (толщину слоя)
ь-£-а. » ?./(^ -/) (2.19)
Для используемых параметров ткани и зонда это ограничение практически несущественно. Даже при о(. ~ 50 Вт/м%{ оно дает значение Л > I мм. С другой стороны, существует некоторое ограничение и на радиус зонда, если параметр с задан (например, на расстоянии £. от поверхности криовоздействия расположен крупный сосуд)
Ограничение снизу связано с необходимостью достаточной поверхности охлаждения для промерзания, а ограничение сверху - с толщиной слоя, в котором существует стационарное решение. При рассматриваемых параметрах последние неравенства тоже выполнимы практически всегда.
При фиксированных значениях ?0 и £ на коэффициент теплообмена в наконечнике зонда, как следует из (2.19), накла-