CC BY
35
Original article
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2016 УДК 615.472.03:615.832.98-053.2
Пушкарев А.В.1, Цыганов Д.И.2, Шакуров А.В.1, Шафранов В.В.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНОГО КРИОДЕСТРУКТОРА ДЛЯ ДЕТСКОЙ ХИРУРГИИ
1 ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», 105005, г. Москва;
2 ГБОУ ДПО «Российская медицинская академия последипломного образования» Минздрава России, 125993, г Москва;
3 ГБОУ ВПО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России, 127994, г. Москва
3
В настоящее время наблюдается некоторое охлаждение к использованию низкой температуры в хирургических целях. Однако преимущества локальной криохирургии, такие как незначительная по сравнению с альтернативными методами болезненность криопроцедуры, гемостатический и противовоспалительный эффекты, соблюдение абластики, минимальная перифокальная реакция, косметический эффект, высокая результативность и относительно невысокая стоимость операций, настолько очевидны, что необходимо дальнейшее серьезное изучение данного метода. Несмотря на усилия отдельных энтузиастов и получение разрешения на применение криогенных медицинских устройств, отсутствует целостная система для детской хирургии. По этой причине была проведена работа по изучению криодеструкторов с надеждой дальнейшего серийного их производства и исследован разработанный нами малогабаритный криогенный аппарат. Для исследований был создан экспериментальный стенд, включающий емкость для модельного вещества и измерительный модуль. Цель работы заключалась в демонстрации достигаемых температур при различных режимах воздействия на моделирующее биологическую ткань вещество - желатиновый гель с влагосодержанием 95%. На основе полученных данных рассчитывались скорости охлаждения на различной глубине желатинового геля от поверхности контакта с наконечником от хирургического криодеструктора. Сделаны выводы о необходимости совершенствования конструкции малогабаритных криогенных устройств для увеличения зоны некроза и скорости изменения температуры в целевой области воздействия, а также комплексного междисциплинарного изучения криохирургического метода, включающего медицинский, биологический, инженерный, математический и другие подходы. Необходимо, принимая во внимание и исследуя все аспекты сложных процессов в биологической ткани при низкотемпературном воздействии на нее, разрабатывать надежные криогенные хирургические устройства, отвечающие всем поставленным требованиям.
Ключевые слова: криохирургия; малогабаритный криодеструктор; скорость изменения температуры.
Для цитирования: Пушкарев А.В.1, Цыганов Д.И.2, Шакуров А.В.1,Шафранов В.В.3 Экспериментальное исследование малогабаритного криодеструктора для детской хирургии. Детская хирургия. 2016; 20 (5): 259-263. DOI: 10.18821/1560-9510-201620-5-259-263
Для корреспонденции: Пушкарев Александр Васильевич, инженер лаборатории кафедры Э4 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 127994, Москва. E-mail: [email protected]
PushkarevA.V., TsyganovD.I., ShakurovA.V., Shafranov V.V.
AN EXPERIMENTAL STUDY OF A MINIATURE CRYODESTRUCTOR IN PEDIATRIC SURGERY
'N.E.Bauman Moscow State Technical University, 105005, г. Moscow;
2 Russian Medical Academy of Post-Graduate Education, 125993, Moscow;
3 N.I.Pirogov Russian National Medical Research University, 117997, Moscow
To-day, there is a tendency toward disregarding advantages of low-temperature surgery that include cryoprocedures much less painful than alternative ones, hemostatic and anti-inflammatory effects, compliance with ablastics, minimal perifocal reaction, good cosmetic outcome, high efficiency, and relatively low cost. It makes necessary further in-depth study of this approach. There is no integral system of cryogenic techniques in pediatric surgery despite approval for their application and efforts of individual enthusiasts. With this in mind, we undertook a study of cryodestructors to create a basis for their commercial production as exemplified by a newly proposed miniature device. We designed an experimental test installation consisting of a container for a model substance and a measuring module. The aim of the study was to demonstrate attainable temperatures at different regimes of action on the model biological substance (gelatin gel with a moister content of 95%). The data obtained were used to calculate the cooling rate at different gel depths from the surface of its contact with the tip of the surgical cryodestructor. It is concluded that further modification of the apparatus is needed to increase the necrosis area and the temperature variation rate for the comprehensive interdisciplinary evaluation of the cryosurgical method including biological, engineering, mathematical and other approaches. It is necessary to develop, bearing in mind all aspects of the complicated processes in the biological tissue undergoing low-temperature manipulations, reliable cryogenic surgical devices meeting all specified requirements.
Keywords: cryosurgery; miniature cryodestructor; temperature variation rate.
For citation: Pushkarev A.V., Tsyganov D.I., Shakurov A.V., Shafranov V.V. An experimental study of a miniature cryodestructor in pediatric surgery. Detskaya khirurgiya (Russian Journal of Pediatric Surgery). 2016; 20 (5): 259-263. (In Russ.). DOI: 10.18821/15609510-2016-20-5-259-263
For correspondence: Pushkarev Aleksandr Vasil'evich, engineer for Laboratory of Dpt. E4, N.E. Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russian Federation. E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors decklare no conflict of interest.
Funding. The research is executed at the expense of a grant of the Russian Scientific Fund (project No. 16-19-10567). Received 12 November 2015 Accepted 26 May 2016
ДЕТСКАЯ ХИРУРГИЯ. 2016; 20(5)
РР1: 10.18821/1560-9510-2016-20-5-259-263_
Оригинальные статьи
Введение
Криохирургическая аппаратура применяется в детской хирургии уже много лет. История развития и практическое применение криохирургии описаны во множестве публикаций [1—5]. Со временем увеличивается номенклатура оборудования. Его можно классифицировать по различным признакам: мобильности, применяемому криоагенту, методу воздействия на целевые области биологической ткани, принципу охлаждения. По мобильности следует выделить 3 группы: малогабаритные, среднегаба-ритные и стационарные установки. В данном исследовании рассматривается малогабаритный аппарат (криодеструктор). Малогабаритные аппараты в основном работают на запасе криоагента, содержащегося в сменных баллончиках в составе аппарата, либо с помощью захолаживания рабочего наконечника в жидком азоте.
Процесс криодеструкции ткани состоит из двух этапов: первичного повреждения, связанного с непосредственной деструкцией клеток под влиянием низкой температуры, и вторичного повреждения, обусловленного гибелью патологически измененной ткани в результате нарушения гемодинамики и в ходе асептического воспаления [6]. К числу основных факторов гибели патологической биоткани относятся достигаемая температура и скорость изменения температуры в целевой области. Авторам удалось установить одно стационарное устройство, в инструкции по эксплуатации которого указывается достигаемая зона замораживания после двойного цикла замораживания продолжительностью 10 мин и 5-минутного цикла оттаивания между ними [7]. Данная область получается в желатиновом геле, влагосодержание которого не указывается. Литературный поиск и анализ доступной документации по криохирургическому оборудованию не дал результатов в плане информации о скорости изменения температуры как в той или иной биологической ткани, так и в жела-
Рис. 1. Схема экспериментального стенда.
1 - малогабаритный криодеструктор; 2 - емкость для модельного вещества; 3 - измерительный модуль; 4 - персональный компьютер.
тиновом геле. Это говорит об актуальности проводимых исследований и возможности дальнейшего развития данного направления.
Цели и задачи исследования. Работа направлена на исследование функциональных характеристик малогабаритных криодеструкторов для детской хирургии. Целью работы является изучение различных режимов криовоздействия на биологическую ткань. В качестве моделирующего биоткань вещества используется желатиновый гель с влагосодержанием 95%. Задачи исследования состоят в определении температур и скоростей охлаждения на различной глубине желатинового геля от поверхности контакта с наконечником от хирургического криодеструктора.
Материал и методы
Для достижения поставленных целей и задач работы был разработан и создан экспериментальный стенд (рис. 1), включающий емкость для модельного вещества, измерительный модуль, персональный компьютер, а также использовался малогабаритный криодеструктор.
Измерительный модуль состоит из 4 температурных платиновых датчиков сопротивления, модуля аналогового ввода МВ110-224.8А и автоматического преобразователя интерфейсов ОВЕН АС4. Датчики располагаются на глубине 5, 10, 15 и 20 мм.
В качестве деструктора использовался малогабаритный автономный криоаппарат КМ-01 (рис. 2). Устройство можно применять для разрушения небольших объемов новообразований у детей [8]. Рабочим веществом в криодеструкторе является жидкий азот.
Методика проведения эксперимента предусматривает следующие этапы. Сначала идет процесс приготовления моделирующей биологическую ткань среды - желатинового геля (95% воды и 5% желатина). Использование желатинового геля в качестве моделирующей среды удобно, так как он прозрачен и позволяет проводить видеофиксацию нарастания замороженной зоны во время опыта, а желатиновый гель представляет собой твердое тело с теплофизическими свойствами - теплопроводностью и теплоемкостью, близкими к таковым реальных биологических тканей. После приготовления желатиновый гель заливается в емкость 2, ставится в холодильную камеру с температурой 4 °С для застывания, затем выдерживается при температуре окружающей среды в
Рис. 2. Малогабаритный криодеструктор КМ-01.
Original article
Рис. 3. Цилиндрические наконечники.
течение 24 ч для обеспечения одинаковой начальной температуры по всему объему. Емкость 2 изготовлена из прозрачного пластика и имеет размеры 100 х 100 х 130 мм.
Выбирается наконечник и устанавливается на устройство. Из сосуда Дьюара наливается жидкий азот в заливную горловину криодеструктора, выдерживается 2 мин для выхода на рабочий режим. Позиционируется криодеструктор на поверхность моделирующей среды и начинается эксперимент. Все показания датчиков записываются на персональный компьютер 4 в режиме реального времени каждую секунду.
Исследовали работу аппарата при использовании трех различных по размерам цилиндрических наконечников (рис. 3). Диаметр первого составляет 4,85 мм, второго -9,85 мм, третьего - 14,85 мм.
Результаты
Для каждого исследуемого режима работы малогабаритного криодеструктора получены графики изменения температуры на различной глубине модельной среды от поверхности воздействия, а также скорости охлаждения. С помощью видеосъемки зафиксировано нарастание зоны замораживания. Время каждого эксперимента составляло 8 мин.
Первый опыт проводился с быстросменным наконечником диаметром 4,85 мм и длиной 11,75 мм, второй эксперимент - с наконечником диаметром 9,85 мм и длиной 3,85 мм, третий - с быстросменным наконечником диаметром 14,85 мм и длиной 1,8 мм.
Представлены показания температурных датчиков (рис. 4-6) и скорости охлаждения (рис. 7-9) на различной глубине при разных режимах, а также
Рис. 4. Температурные показания для 1-го режима.
зона замораживания на 8-й минуте работы криодеструктора (рис. 10). Начальная температура желатинового геля по всему объему составляла 18,38, 19,23 и 18,61°С для 1-го, 2-го и 3-го режимов соответственно.
Значения температур в конце эксперимента на 8-й минуте представлены в табл. 1.
Максимальные скорости охлаждения наблюдались в начальной стадии опыта в зоне, расположенной ближе к поверхности криовоздействия (табл. 2).
Обсуждение
Полученные результаты показывают, что достигаемые температуры и зоны замораживания зависят от режима воздействия, т. е. от применяемого бы-
Рис. 5. Температурные показания для 2-го режима.
Рис. 6. Температурные показания для 3-го режима.
ДЕТСКАЯ ХИРУРГИЯ. 2016; 20(5)
DOI: 10.18821/1560-9510-2016-20-5-259-263
Оригинальные статьи
0,5
0,4
О
о 0,3
го '
СР 5т
1^0,2
ф
с
ф
0,1
0
Л
5 мм 5 мм
10 мм
1Г »11 № 15 мм 20 мм
0
100
300
200 Время,с
Рис. 7. Скорости охлаждения для 1-го режима.
400
500
0,4
0,3
о 0,2
го
^
го р 0,1
е
е н 0
-0,1
5 мм
А. мм! 20 мм 20 мм
-,-ишиш»
100
200 300
Время, с
Рис. 8. Скорости охлаждения для 2-го режима.
400
500
2,5
2
о 1,5
го
^
го 1
ер
р
е н 0,5
0
5 мм
Г
110 мм 15 мм 20 мм
0
100
400
200 300
Время, с
Рис. 9. Скорости охлаждения для 3-го режима.
стросменного наконечника. При этом быстрого замораживания в контрольных точках со скоростью больше 3,3 °С/с при исследуемых режимах достичь не удалось. Как известно, при быстром замораживании образование кристаллов воды происходит внутри клетки, в результате чего клетка разрушает-
500
Таблица 1 Значения температур в конце эксперимента, ^
Номер режима Глубина расположения датчика, мм
5 10 15 20
1-й -6,7 -3,1 13,7 16,7
2-й -19,5 -4,3 10,7 15,9
3-й -29,8 -12,3 8,15 14,8
Таблица 2
Значения максимальных скоростей охлаждения, °Ос
Номер режима Глубина расположения датчика, мм
5 10 15 20
1-й 0,5 0,08 0,02 0,02
2-й 0,38 0,07 0,03 0,02
3-й 2,31 0,25 0,04 0,02
ся [9]. Максимальная скорость достигала 2,31 °С/с. Минимальная температура составила -29,8 °С. В дальнейшем планируется исследовать режимы работы различных криодеструкторов, а также разрабатывать рекомендации по конструкции малогабаритных деструкторов для увеличения зоны замораживания и скорости охлаждения с целью повышения качества медицинского обслуживания детей.
Заключение
Приведена информация о классификации криохирургического оборудования. Разработан и создан экспериментальный стенд для испытания малогабаритных криоаппаратов. Проведены исследования криодеструкторов КМ-01 при использовании различных по размерам быстросменных наконечников. Полученные результаты указывают на то, что данный малогабаритный криодеструктор и используемые наконечники могут быть полезны только для удаления поверхностных новообразований у детей, глубина которых не превышает 5 мм. Для удаления больших объектов необходимо совершенствовать конструкцию малогабаритных криогенных устройств, в частности самих наконечников для интенсификации
Рис. 10. Зона замораживания при 1-м и 3-м режимах.
теплообмена. Это необходимо для увеличения зоны некроза и скорости изменения температуры в целевой области воздействия.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10567).
ЛИТЕРАТУРА (п.п. 2, 4 см. в REFERENCES)
1. Говоров А.В., Иванов В.Ю., Пушкарь Д.Ю. Опыт криоабла-ции предстательной железы. Экспериментальная и клиническая урология. 2011; (2-3): 40-2. 3. Чиж, Н.А. Сандомирский Б.П. Криохирургия. Перезагрузка и обновление. Клиническая хирургия. 2011; (6): 53-5.
5. Муравьев В. Криоабляция рака предстательной железы. Экспериментальная и клиническая урология. 2011; (2-3): 37-9.
6. Шафранов В.В., Борхунова Е.Н., Цыганов Д.И., Торба А.И., Таганов А.В., Межов-Деглин Л.П. и др. Современная концепция разрушения биологических тканей при локальной криодеструкции. Гуманитарный вестник. 2013; вып. 12. http://hmbul.bmstu.ru/catalog/prmed/hidden/142.html
7. Васильев А.О., Говоров А.В., Пушкарев А.В., Цыганов Д.И., Шакуров А.В. Теплофизическое моделирование криохирургической операции на примере рака предстательной железы. Технологии живых систем. 11(4): 47-53.
8. Бобрихин А.Ф., Гудков А.Г., Цыганов Д.И., Шафранов В.В. Малогабаритные автономные криодеструкторы «КМ-01» и «КМ-02». Технологии живых систем. 2012; 9(8): 39-46.
9. Цыганов Д.И. Криомедицина: процессы и аппараты. М.: САЙНС-ПРЕСС; 2011.
RUSSIAN JOURNAL OF PEDIATRIC SURGERY. 2016; 20(5)
_DOI: 10.18821/1560-9510-2016-20-5-259-263
Original article
REFERENCES
1. Govorov A.V., Ivanov V.Yu., Pushkar' D.Yu. Experience of prostate cryoablation. [Eksperimental'naya i klinicheskaya urologi-ya]. 2011; (2-3): 40-2.(in Russian)
2. Budrik V.V. Physical Fundamentals of Cryomethods in Medicine (Cryosurgery, Cryotherapy, Hypothermia and Cryopreservation: Trainingmanual. 2010.
3. Chizh N.A., Sandomirskiy B.P. Cryosurgery. Restart and update. Klin. khir. 2011; (6): 53-5. (in Russian)
4. Xu Kecheng et al. Modern Cryosurgery for Cancer. World Scientific Publishing; 2012.
5. Murav'ev V. Cryoablation for prostate cancer // Experimental and clinical urology. [Eksperimental'naya i klinicheskaya urologiya]. 2011; (2-3): 37-9. (in Russian)
6. Shafranov V.V., Borkhunova E.N., Tsyganov D.I., Torba A.I., Taganov A.V., Mezhov-Deglin L.P. et al. The modern concept of the destruction of biological tissues with local cryoablation. Gu-manitarnyy vestnik. 2013; № 12. http://hmbul.bmstu.ru/catalog/ prmed/hidden/142.html(in Russian)
7. Vasilev A.O., Govorov A.V., Pushkarev A.V., Tsiganov D.I., Shakurov A.V. Thermophysical modeling of cryosurgery with the case study of prostate cancer // Tekhnologii zhivykh sistem. 2014; 11(4): 47-53. (in Russian)
8. Bobrikhin A.F., Gudkov A.G., Tsyganov D.I., Shafranov V.V. Small autonomous kriodestruktors «KM-01» and «KM-02». Tekhnologii zhivykh sistem. 2012; 9(8): 39-46. (in Russian)
9. Tsyganov D.I. Cryomedicine: Processes and Devices. [Kriomed-itsina: protsessy i apparaty]. Moscow; SAINS-PRESS; 2011. (in Russian)
Поступила 12 ноября 2015 Принята в печать 26 мая 2016
