液体二氧化碳冷冻刀冻融机体组织的实验研究与机理分析

摘要

冷冻外科的热质传输理论研究已成为前沿热门课题，研究生物组织冻融过程的传热传质规律具有重要的理论意义和实用价值。 本文首先进行了负压减小血流灌注的机理分析与实验验证，分析表明血流灌注对生物传热的影响很大；局部负压作用时间的长短对组织的充血和淤血影响较小，局部负压的大小是使组织充血甚至淤血的主要因素；采用真空泵的抽吸使组织处于负压状态，既可减少组织的血流灌注，又有助于减小癌细胞的扩散几率，提高手术成功率，为此本文首次提出自吸式液体CO2冷冻刀这一概念。 作者率先研制出自吸式、导热式和直喷式等3种液体CO2冷冻刀具结构，并搭建和调试了实验装置。提出在节流过程中增加中间加热器，创新性地解决了节流中干冰堵塞问题，为冷冻刀提供持续可靠的CO2冷气。 文中首次对新鲜牛肉、猪肝脏等生物组织进行了二维温度场分布实验研究，首先采用红外热像仪测试冻结组织的剖面温度分布趋势，发现受冻组织竖直平面内温度呈轴对称分布，于是将热电偶布置在刀头接触点竖直向下的半个平面内，由于其对称性，既可将整个二维平面的温度场分布测出，又可减小对整个温度场的破坏，结果表明：同等直径冷冻刀头，CO2喷到组织，在与冷冻刀头接触部位处先出现极小半径冰球，冰球随着冷冻时间的增加而长大，一段时间后，组织出现稳态导热，此时温度梯度不再变化，冰球边沿即组织发生相变处的温度梯度值最大；停止通CO2后，开始阶段组织复温迅速，之后变得十分缓慢，受冻组织2h以上才能恢复到冷冻前的初始温度。随着冷冻刀直径的增加，温度影响区域明显增大，冰球直径随着增大，瞬态温度分布趋势不变。结构疏松组织，多次与单次冻融循环的降温和复温速率相差不大，单次已对组织造成较大机械破损；结构致密组织，多次冻融循环可使降温和复温速率增加，单次冻融循环的热应力造成的机械破损较小，多次冻融循环造成的机械破损较大。疏松组织可用单次冻融，致密组织应用2次甚至3次冻融循环，3次冻融循环效果更佳。直喷式比导热式刀头降低能耗15﹪。双刀头冷冻时降温速度比单刀头快，稳态导热时温度在双刀头并排方向的影响区域比单刀头增加80﹪以上，而三刀头的冷冻降温速率比双刀头约快25﹪，降温影响区域比双刀头大。活体实验表明自吸式刀头减小血流灌注约90﹪，很好地减小了血流灌注对冷冻过程的降温速度和降温能力的影响。 本文率先对部分离体生物组织相变潜热及比热容进行了DSC测试，得出：生物组织的相变区间一般在-5--20℃范围内，脂肪含量高、水分含量低的组织，相变潜热小，发生相变的起始和结束温度区间窄；反之相变潜热大，发生相变的起始和结束温度区间宽。在0-40℃温度范围内，生物组织的比热容随温度的增加略有降低，但随含水量的增加而增大。 文中首次建立起CO2冷冻机体组织的二维瞬态温度场分布的物理和数学模型，并用有限元进行了计算，由于冷冻过程组织存在着一个相变区域，因此采用焓法求解整个区域的温度场分布，结果表明：冰球接近半圆形，即等温线在半圆的等径圆弧上，而不同半径上温度梯度值不同，其中温度梯度在相变开始发生处最大。模拟得出的温度影响范围、降温速度及冰球形状等与实验结果吻合，表明模型与求解方法正确。 本文还率先采用台盼蓝染色法对液体CO2冷冻造成的细胞损伤进行了光学显微镜的粗略形态学观测，得出：不同冻融方式均造成一定的细胞损伤，慢速冷冻时，细胞外形成冰晶，随着冰晶的增长，细胞外溶质浓度随之增高，细胞内水分外逸，致使细胞脱水皱缩，导致细胞电解质浓度升高，酶活力亦受干扰，促使细胞损伤，降温速率为3-5℃/min时，细胞损伤约50﹪。快速冷冻时细胞内结晶，细胞内水活力降低致使细胞损伤，降温速度为250℃/min左右时，细胞损伤约70﹪。反复冻融时细胞膜受到扰动、细胞内冰晶大而稳定，细胞损伤最为严重，3次冻融循环损伤的细胞为80﹪左右。 实验研究与机理分析表明该冷冻刀效果明显，为临床应用提供了重要的理论依据，该冷冻刀有望在冷冻外科手术中得到广泛应用。

目录

文摘

英文文摘

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1 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 冷冻外科历史回顾及其应用现状

1.2.1液氮冷冻刀治疗原理与应用现状

1.2.2氩氦冷冻刀治疗原理与使用现状

1.2.3其他冷冻刀应用简介

1.3 冷冻外科国内外研究现状

1.3.1生物组织传热传质理论研究现状

1.3.2生物组织热物性及血流灌注率等参数的测试

1.3.3冷冻损伤机理研究进展及现状

1.3.4细胞冷冻损伤的形态学检测方法

1.4本课题的研究内容

1.4.1已有研究工作的不足

1.4.2本课题的研究内容

1.5本章小结

2 负压减小血流灌注的机理分析与实验验证

2.1冻融过程减小血流灌注的意义

2.2负压减小血流灌注的机理分析

2.2.1负压对水的通透性影响分析

2.2.2负压对蛋白等高分子的通透性影响分析

2.2.3负压对血管几何参数的影响

2.3负压造成组织充血淤血实验

2.3.1实验装置及方法

2.3.2实验结果及分析

2.4本章小结

3 机体组织冻融实验装置、测量及误差分析

3.1实验装置

3.1.1冷冻刀具

3.1.2制冷剂提供装置

3.1.3中间加热器

3.2实验测量

3.2.1红外热像仪测试原理及操作方法

3.2.2热电偶测温及数据采集系统

3.3实难台调试及实验过程

3.4误差分析

3.4.1误差传递方程

3.4.2实验误差的确定

4 系统可行性实验及结果分析

4.1实验装置及方法

4.2实验结果及分析

4.2.1CO2质量流量实验

4.2.2对白萝卜和土豆的快速冷冻实验

4.3本章小结

5 机体组织冻融实验结果分析

5.1真喷式单刀头冻融离体组织实验

5.1.1不同直径刀头单次冻融实验

5.1.2同直径刀头快速复温下反复冻融实验

5.2直喷式双刀头与三刀头单次冻融离体组织比较实验

5.3同直径导热式与直喷式刀头冻融离体组织能耗比较实验

5.4直喷式和自吸式刀头冻融活体组织实验

5.5本章小结

6 机体组织相变潜热及比热容的DSC测试

6.1相变潜热的DSC测试

6.1.1实验原理

6.1.2实验仪器

6.1.3系统校正

6.1.4实验步骤与注意事项

6.1.5系统可靠性检验

6.1.6相变潜热测试

6.1.7测试结果及分析

6.2比热容的DSC测试

6.2.1测试原理

6.2.2测试过程

6.2.3测试结果及分析

6.3本章小结

7 机体组织冷冻过程瞬态温度场分布的有限元计算

7.1物理及数学模型

7.2数学模型建立中几个问题的处理

7.2.1固相率

7.2.2导热系数

7.2.3凝固潜热

7.3新鲜牛肉冷冻模型的有限元分析

7.3.1有限单元法计算公式的推导

7.3.2单元剖分与温度场离散

7.3.3单元插值函数的确定

7.4冷冻新鲜牛肉有的限元计算结果及分析

7.4.1热物性参数、边界及初始条件的确定

7.4.2计算结果分析

7.5本章小结

8 机体组织冻融损伤的形态学检测

8.1冻融损伤形态学检测实验装置与方法

8.1.1实验装置

8.1.2实验方法

8.2冻融损伤形态学检测实验结果分析

8.3本章小结及讨论

9 结论及进一步工作建议

致谢

参考文献

附录:在攻读学位期间发表的论文、参加的科研项目及获专利