肾脏组织低温保存中热质传递特性研究

摘要

在生物低温保存方法中，移植器官采用冰温技术延时保存是一个新的研究领域，目前国内外生物医学界也已认识到该方法的可行性和学术价值。肾脏冷保存的第一个环节是用低温的器官保护液进行冷灌注，灌注过程中的降温速率（温度和流速）对器官的延时保存以及移植后的功能恢复将起到至关重要的作用。本文主要对冷灌注过程中肾脏器官三维温度场的数值模拟及相应的实验方法进行了深入研究。
　　本研究对肾脏器官冷灌注过程进行实时三维温度场重构，目的在于获取肾脏组织的动态温度分布情况，深层次分析灌注过程的热质传递机制。本文选择猪肾为实验研究对象，建构其肾脏血管树的物理模型并将其转化为计算机可识别的数学模型，在此基础上利用CFX流固耦合方法，对肾脏冷灌注过程中的三维温度场进行了瞬态模拟，并讨论了模拟结果与实验数据产生误差的原因。肾脏热物性参数获取和微观结构观察的实验研究，对研究冰温延时保存器官的机理非常重要。采用差示扫描量热仪的MDSC模式测取了肾脏组织的冰点温度；利用生物冷热台和研究级偏光透射显微镜，对肾脏组织不同保存温度及不同降温速率等状态条件，做了细胞形态的观察与分析。本研究创新之处在于：用多孔介质模型构建毛细血管，由此实现动脉与静脉之间的连接。为深入分析肾脏器官三维温度分布真实的传热状态，数值模拟过程体现：向动脉入口施以一定温度、流速的冷却液，通过多孔介质的渗流，最后汇集至肾静脉流出，整体器官的热质传递不间断进行，呈现典型的非稳态传热和流动过程。毫米数量级动静脉血管内低温保护液的流动采用管内一维非线性流体力学模型；微米数量级细小毛细血管内的流动和组织内的传热用多孔介质能量方程描述。数值计算完整模拟了300s的充灌过程，同时将瞬态模拟结果与红外热成像测试（图）进行比较，温度分布特征或趋势基本相似。计算重构肾脏器官在冷充灌状态下的三维温度场，为探索冷充灌过程器官组织的降温机制搭建了研究平台。

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第一章 绪论

1.1 生物传热学

1.2 低温保存

1.3冰温保存技术简介

1.4冰温技术应用于器官保存

1.5生物组织数值模拟研究现状

1.6本论文的研究内容与方法

第二章 实验研究

2.1 设备简介

2.2 肾脏器官灌注实验

2.3 降温过程细胞形态观察研究

2.4 讨论

2.5 本章小结

第三章 数值模拟方法

3.1 数值模拟方法简述

3.2 冷灌注下的三维温度场数值重构

3.3 本文模型的建立方法

3.4 本章小结

第四章 模拟结果及分析

4.1 模拟结果描述

4.2 肾脏表面温度变化分析

4.3 肾脏内部截面温度变化分析

4.4 肾脏内点温度变化分析

4.5 肾脏血管树温度变化分析

4.6 误差分析

4.7 本章小结

第五章 不同灌注工况对温度分布的影响

5.1 改变冷却液入口流速

5.2 改变冷却液入口温度

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间论文

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