Теплофизическое моделирование криохирургической операции на примере рака предстательной железы

А.О. Васильев; А.В. Говоров; А.В. Пушкарёв; Д.И. Цыганов; А.В. Шакуров

Теплофизическое моделирование криохирургической операции на примере рака предстательной железы

А.О. Васильев¹, А.В. Говоров², А.В. Пушкарёв³, Д.И. Цыганов⁴, А.В. Шакуров⁵

научная статья Страницы: 47-53

¹ аспирант, кафедра урологии, Московский государственный медико-стоматологический университет
² к.м.н., доцент, кафедра урологии, Московский государственный медико-стоматологический университет
³ магистр, кафедра «Э4», МГТУ им. Н.Э. Баумана; инженер 1-й категории, кафедра медицинской техники, Российская медицинская академия последипломного образования
⁴ д.т.н., профессор, зав. кафедрой медицинской техники, Российская медицинская академия последипломного образования
⁵ магистр, кафедра «Э4», МГТУ им. Н.Э. Баумана; инженер, НИИ ЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ключевые слова: рак предстательной железы криохирургия криоаблация криодеструкция прогнозирование температурных полей ansys

Аннотация

Приведена клиническая информация по применению криоаблации предстательной железы в Российской Федерации, основные моменты и недостатки технологии криохирургической операции, которые говорят об актуальности исследования. Предложена универсальная математическая модель, описывающая нестационарные трехмерные процессы замораживания биологической ткани, в частности для задачи криохирургического воздействия на патологическую ткань при малоинвазивной многозондовой хирургической операции с учетом реальных теплофизических свойств биологической ткани. На базе математической модели созданы алгоритм и оригинальная программа теплофизического расчета криохирургического воздействия. Для реализации конкретных особенностей теплофизической модели выбран программный комплекс ANSYS, позволяющий эффективно решать широкий спектр задач компьютерного моделирования. Определены закономерности формирования температурных полей и время криодеструкции в конкретной постановке задачи. Уточнено распределение температуры на поверхности оперирующей части криозонда. Приведены дальнейшие планы исследования.

Для цитирования

Васильев А.О., Говоров А.В., Пушкарёв А.В., Цыганов Д.И., Шакуров А.В. Теплофизическое моделирование криохирургической операции на примере рака предстательной железы // Технологии живых систем. 2014. № 4. С. 47–53.

Список источников

Говоров А.В., Васильев А.О., Пушкарь Д.Ю. Криоаблация - альтернативный метод лечения рака предстательной железы. Материалы III научно-практ. конф. «Фундаментальная и практическая урология». 2014. C. 51-55.
Цыганов Д.И., Пушкарев А.В., Россихин Н.А., Шакуров А.В.Теплофизическое замораживание биоткани для разработки новых робот-ассистированных технологий. Медицинские, технические и технологические аспекты проблем роботохирургии. М.: Информ-Право. 2013.
Цыганов Д.И. Криомедицина: процессы и аппараты. М.: САЙНС-ПРЕСС. 2011. 304 с.
Bhattacharya A., Mahajan R.L.. Temperature dependence of thermal conductivity of biological tissues // Physiol. Meas. 2003. V. 24 (3). P. 769-783.
Choi J., Bischof J.C. Review of biomaterial thermal property measurements in the cryogenic regime and their use for prediction of equilibrium and non-equilibrium freezing applications in cryobiology // Cryobiology. 2010. V. 60 (1). P. 52-70.
Sehrawat A., Shimada K., Rabin Y. Generating prostate models by means of geometric deformation with application to computerized training of cryosurgery // Int. J. Computer Assisted Radiol. Surg. 2013. V. 8 (2). P. 301-312.
Rossi M.R., Tanaka D., Shimada K., Rabin Y.Computerized planning of cryosurgery using bubble packing: An experimental validation on a phantom material // Int. J. Heat Mass Transfer 2008. V. 51 (23-24). P. 5671-5678.
Rossi M.R., Tanaka D., Shimada K., Rabin Y.Computerized planning of prostate cryosurgery using variable cryoprobe insertion depth // Cryobiology 2010. V. 60. P. 71-79.
Yang B., Wan R.G., Muldrew K.B., Donnely B.J. A finite element model for cryosurgery with coupled phase change and thermal stress aspects // Finite Elem. Anal. Design. 2008. V. 44 (5). P. 288-297.
Keelan R., Yamakawa S., Shimada K., Rabin Y. Computerized training of cryosurgery - a system approach // Cryo Letters. 2013. V. 34 (4). P. 324-337.
Chua K.J. Computer simulations on multiprobe freezing of irregularly shaped tumors // Computers in Biology and Medicine. 2011. V. 41. P. 493-505.
Gang Zhaoa, Hai-Feng Zhanga, Xiao-Jie Guob, Da-Wei Luoc, Da-Yong Gaod. Effect of blood flow and metabolism on multidimensional heat transfer during cryosurgery // Medical Engineering & Physics. 2007. V. 29. P. 205-215.
Tanaka D., Shimada K., Rossi M.R., Rabin Y.Computerized planning of prostate cryosurgery with pullback operation // Comput. Aided. Surg. 2008. V. 13 (1). C. 1-13.
Kickhefel A., Weiss C., Roland J., Gross P., Schick F., SalomirR. Correction of susceptibility-induced GRE phase shift PRFS thermometry proximal to cryoablation iceball // Magn. Reson. Mater. Phy. 2012. V. 25. С. 23-31.
Zhang J., Sandison G.A., Murthy J.Y., Xu L.X. Numerical simulation for heat transfer in prostate cancer cryosurgery // J. Biomech. Eng. 2005. V. 127 (2). С. 279-294.
Duck F.A.. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. Acad. Press., San Diego. 1990.
Бобрихин А.Ф., Гудков А.Г., Цыганов Д.И., Шафранов В.В. Малогабаритные автономные криодеструкторы «КМ-01», и «КМ-02» // Технологии живых систем. 2012. Т. 9.№8.

[1] Говоров А.В., Васильев А.О., Пушкарь Д.Ю. Криоаблация - альтернативный метод лечения рака предстательной железы. Материалы III научно-практ. конф. «Фундаментальная и практическая урология». 2014. C. 51-55.

[2] Цыганов Д.И., Пушкарев А.В., Россихин Н.А., Шакуров А.В.Теплофизическое замораживание биоткани для разработки новых робот-ассистированных технологий. Медицинские, технические и технологические аспекты проблем роботохирургии. М.: Информ-Право. 2013.

[3] Цыганов Д.И. Криомедицина: процессы и аппараты. М.: САЙНС-ПРЕСС. 2011. 304 с.

[4] Bhattacharya A., Mahajan R.L.. Temperature dependence of thermal conductivity of biological tissues // Physiol. Meas. 2003. V. 24 (3). P. 769-783.

[5] Choi J., Bischof J.C. Review of biomaterial thermal property measurements in the cryogenic regime and their use for prediction of equilibrium and non-equilibrium freezing applications in cryobiology // Cryobiology. 2010. V. 60 (1). P. 52-70.

[6] Sehrawat A., Shimada K., Rabin Y. Generating prostate models by means of geometric deformation with application to computerized training of cryosurgery // Int. J. Computer Assisted Radiol. Surg. 2013. V. 8 (2). P. 301-312.

[7] Rossi M.R., Tanaka D., Shimada K., Rabin Y.Computerized planning of cryosurgery using bubble packing: An experimental validation on a phantom material // Int. J. Heat Mass Transfer 2008. V. 51 (23-24). P. 5671-5678.

[8] Rossi M.R., Tanaka D., Shimada K., Rabin Y.Computerized planning of prostate cryosurgery using variable cryoprobe insertion depth // Cryobiology 2010. V. 60. P. 71-79.

[9] Yang B., Wan R.G., Muldrew K.B., Donnely B.J. A finite element model for cryosurgery with coupled phase change and thermal stress aspects // Finite Elem. Anal. Design. 2008. V. 44 (5). P. 288-297.

[10] Keelan R., Yamakawa S., Shimada K., Rabin Y. Computerized training of cryosurgery - a system approach // Cryo Letters. 2013. V. 34 (4). P. 324-337.

[11] Chua K.J. Computer simulations on multiprobe freezing of irregularly shaped tumors // Computers in Biology and Medicine. 2011. V. 41. P. 493-505.

[12] Gang Zhaoa, Hai-Feng Zhanga, Xiao-Jie Guob, Da-Wei Luoc, Da-Yong Gaod. Effect of blood flow and metabolism on multidimensional heat transfer during cryosurgery // Medical Engineering & Physics. 2007. V. 29. P. 205-215.

[13] Tanaka D., Shimada K., Rossi M.R., Rabin Y.Computerized planning of prostate cryosurgery with pullback operation // Comput. Aided. Surg. 2008. V. 13 (1). C. 1-13.

[14] Kickhefel A., Weiss C., Roland J., Gross P., Schick F., SalomirR. Correction of susceptibility-induced GRE phase shift PRFS thermometry proximal to cryoablation iceball // Magn. Reson. Mater. Phy. 2012. V. 25. С. 23-31.

[15] Zhang J., Sandison G.A., Murthy J.Y., Xu L.X. Numerical simulation for heat transfer in prostate cancer cryosurgery // J. Biomech. Eng. 2005. V. 127 (2). С. 279-294.

[16] Duck F.A.. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. Acad. Press., San Diego. 1990.

[17] Бобрихин А.Ф., Гудков А.Г., Цыганов Д.И., Шафранов В.В. Малогабаритные автономные криодеструкторы «КМ-01», и «КМ-02» // Технологии живых систем. 2012. Т. 9.№8.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи