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液氮冷热刀治疗参数医学探究

时间:2018-08-15 18:43来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇医学硕士论文,医学专业硕士是为培养医学职业高层次专门人才而设立的专业硕士学位,一般要求学员具有一定得职业背景和一定年限的工作经历(工作经历年限要求多为5年)。
本文是一篇医学硕士论文,医学专业硕士是为培养医学职业高层次专门人才而设立的专业硕士学位,一般要求学员具有一定得职业背景和一定年限的工作经历(工作经历年限要求多为5年)。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇医学硕士论文,供大家参考。
 
1 绪 论
 
1.1 引言
世界卫生组织(World Health Organization,简称 WHO)下属国际癌症研究机构于 2013 年 10 月 17 日发布报告,报告中大气污染首次被认定为致癌因素,并认为大气污染是主要的和普遍的环境致癌物。近几年,以水污染、空气污染为代表的自然环境污染正在严重的侵蚀着人们的身体健康。其中,PM2.5(fine particulatematter 细颗粒物)更是对人体健康危害极大的典型代表。由于其直径微小,会更容易进入人体食道及呼吸道深部,对颗粒的长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。2014 年 2 月 3 日,世界卫生组织(World Health Organization 简称 WHO)发表了《全球癌症报告 2014》,研究中显示 2012 年全球癌症情况不容乐观,癌症患者和死亡病例都在急剧地增加[1],亚洲更是有近一半的新增癌症病例出现,令人不安的是大部分都在中国,新增癌症病例中国高居第一位,其中在肝、肺、胃和食道等 4 种恶性肿瘤的新增病例和死亡人数中,中国均居世界首位。随着发病率和死亡率的迅猛增长,癌症已经成为中国主要的死亡原因和形势严峻的公共卫生问题。2015 年,来自美国癌症协会(ACS)的年度统计数据报告[2]显示,在癌症发生率和死亡率的中美对比看到,近年来中国癌症发病率和死亡率“稳步增长”的同时,美国却明显下降。这与美国的医疗条件有着重要的联系,完善的癌症预防、检测体系以及最佳的治疗癌症的工具,是美国降低癌症的致命影响的法宝。美国癌症报告中指出,控制吸烟,推广癌症筛查和应用新型疗法是影响癌症发病率和死亡率最重要的三大因素。而第三个因素正是我们在癌症治疗中所欠缺的环节,因此,研究新型、低成本的癌症治疗设备,打破国外技术壁垒,在抑制国内癌症发展的问题上,有着至关重要的作用。在对抗癌症的过程中,化学药物治疗、放射治疗和手术治疗成为治疗恶性肿瘤的三大常规方式,肿瘤免疫治疗也在如火如荼的研究中。在现代医学中更多的则是采用不同方案结合的方法以增强疗效[3],比如手术治疗后辅以药物控制,并与放疗、化疗相结合等等。然而,手术切除治疗有影响脏器正常功能的风险,放射疗法和化学疗法都伴有毒副作用,因此,对新的肿瘤治疗方法的研究仍然是医疗工作者刻不容缓的艰巨任务。
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1.2 冷疗的发展
20 世纪初期,工业和科技飞速发展,浓氧、液氧、浓氮、液氮以及干冰等制冷物质在工业科技的进步中被成功制取,这不仅加快了商业发展的脚步,也开辟了医学制冷的新天地[6],推进了低温技术在医疗中的应用。各种不同的制冷技术在低温科学的不断进步中应运而生,气体节流技术、相变冷却、蒸汽压吸收制冷以及热电制冷等[7]是用于现代医学的主要制冷方案。早期的低温治疗方法是直接将制冷剂倾注到病灶表面。Cooper 于 1961 年利用液氮进行中枢神经疾病的冷冻治疗,此后,冷冻消融方法开始走向临床。1990 年起,美国有医生成功地利用超低温手术为前列腺癌患者进行了冷冻治疗,使用氩气作为制冷剂;1994 年,有两位医生在超声波引导下对前列腺癌进行了低温手术[8],使这种超低温手术有了初步的技术改进;1998 年美国一种氩氦冷冻手术治疗系统(Endocare Cryocare System,简称氩氦刀),作为新型超低温冷冻治疗设备,通过了美国 EMC、FDA 以及欧盟 CE认证并投入医疗市场,极大地促进了肿瘤冷冻医疗学的发展[9]。该技术利用焦耳-汤姆逊原理,选用氩气、氦气作为冷热媒介,用 CT 或 B 超精确定位病灶位置,治疗效果令人满意,给微创冷冻外科技术带来了革命性的进步[10]。1999 年,该治疗系统进入中国市场,称其为“氩氦刀”,临床表现出良好的制冷性能。随着冷疗日渐深入的临床应用,也渐渐浮现出了杀伤力薄弱的缺点。20 世纪 90 年代,俄国的研究组也针对冷热交替治疗对肿瘤组织的破坏效果,得到了优于单冷、单热治疗的验证。作为肿瘤冷热交替治疗系统,氩氦刀在医学上得到了广泛的认可。自 1998年进入医疗市场发展至今,氩氦刀在治疗肝癌、乳腺癌、肾肿瘤等实体器官肿瘤方面取得了令人瞩目的成就[11]。但是我们应该清醒地认识到,氩氦刀等国外冷疗产品市场占有率高,而国内肿瘤冷疗设备却鲜有研究报道,国内研究的匮乏在一定程度上是的氩氦刀等产品造成了市场垄断。
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2 冷热治疗系统治疗参数探究
 
2.1 治疗机理
2.1.1 肿瘤低温治疗
研究表明,低温环境会直接导致细胞死亡,其作用机制有以下三种:与冰晶相关的细胞破裂、细胞坏死和细胞凋亡。在对细胞冷冻的过程中会形成冰晶以及冰晶的再结晶,造成细胞膜和细胞器的损伤,从而导致细胞产生物理性破裂。特别是在对细胞以较快的速度降温至-20℃时现象尤为明显,温度下降至-40℃时,细胞将产生不可逆的损伤。在细胞快速降温时,细胞内水分结晶,胞内冰晶会损伤细胞器和细胞膜,复温过程中还会发生再结晶;在慢速降温时,细胞外液中水分先结晶,形成高渗环境,胞内水分逐渐渗出结晶,随着冷冻的进行,晶体逐渐增大损伤周围细胞膜,造成细胞死亡。所以,冰晶的形成是导致细胞死亡的最主要因素。在冷冻过程中,细胞膜一旦失去完整性,就会开始溶解,释放细胞质,激活细胞的炎性反应,导致细胞的死亡,也被认为是低温手术导致细胞死亡的原因之一。另外,杨鹏飞等对细胞低温损伤机制的研究表明,当对前列腺癌细胞进行降温但是温度并没有低至可以立即杀死所有细胞的时候,细胞凋亡成为一种细胞死亡的重要机制[34]。并且,肿瘤细胞经过循环冷冻、消融后,细胞膜会失去完整性导致细胞破裂、细胞膜溶解,促使细胞内和处于遮蔽状态的抗原释放[35],刺激机体产生抗体,提高免疫能力。肿瘤的冷疗原理最主要的是冰晶的形成,这对细胞来说是致命的。降温后细胞内和细胞外短时间内形成冰晶,导致肿瘤细胞破裂、脱水。同时冷冻能使毛细血管收缩,血液流速减慢,形成微血栓,进而阻断血液流通,导致肿瘤组织缺血坏死[35]。
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2.2 冷热刀治疗系统
课题组自提出冷热交替治疗肿瘤的方法后,经探索实验,研制出新型的肿瘤冷热交替治疗仪器。此仪器由五大部分组成:控制系统、温度采集系统、空气加热系统、液氮制冷系统和系统核心治疗探针。其系统结构如图2.1所示:在该冷热交替治疗仪器中,为系统提供动力的是空气压缩机。仪器操作前,首先打开空气压缩机,压缩空气微系统储备动力,提供气压和高温介质;采用液氮为制冷媒质,液氮和氮气化学结构稳定,无毒无味,接触到该媒质不会损伤到人体生物组织。复温则采用加热的空气为热媒,由PID 温控仪预先设定加热装置的温度,当加热器温度达到预设值时,即可进行系统的复温循环。冷冻治疗时,系统工作流程如下:在控制系统工作的初始状态下,打开压缩空气与液氮罐之间的手动阀门,按下控制管路通断的电磁阀,在液氮罐中通入压缩空气压力表读数250KPa,即将液氮经单向阀压至冷冻刀头,流经探针之后的气液混合物经排气管释放到大气中,在测得肿瘤位置冷冻到杀伤温度后,继续保持一段时间。在此期间,要同时打开加热通路让热空气对冷冻刀杆进行保温,不至于冻伤正常组织,该过程为肿瘤的低温冷冻治疗阶段。在复温进行肿瘤热治疗时,关闭液氮灌的空气加压阀门,打开刀头通热空气的管路阀门,关闭保温通路,让热空气流经到头进行热治疗,在肿瘤测温位置到达临界温度后,关闭加热通路,该过程实现刀头复温。为了去除空气中大部分的水分(避免冷冻循环中水分冻结致使管路堵塞),系统中对压缩空气进行了干燥。并设计通路将热空气通入干燥管中进行干燥剂的脱水,实现干燥剂的重复利用。
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3 冷热刀热传递数学模型 .........15
3.1 刀头状态的描述 ...... 15
3.1.1 物理及数学模型 .......... 15
3.1.2 数学模型 .......... 16
3.1.3 模型计算初始条件 ...... 18
3.2 模型的建立 .............. 19
3.2.1 软件介绍 ........... 19
3.2.2 几何模型的绘制 .......... 21
3.2.3 模型边界的设置 .......... 23
3.3 刀头模型仿真计算 ............. 24
3.4 本章小结 ....... 32
4 肝脏组织离体实验.........33
4.1 实验背景 ....... 33
4.2 实验材料和方法 ...... 33
4.3 实验过程 ....... 35
4.4 本章小结 ....... 41
5 系统治疗参数选定.........42
5.1 模型与实验结果对比分析 ............ 42
5.1.1 冷冻治疗数据对比 ...... 42
5.1.2 复温治疗数据对比 ...... 42
5.2 误差分析 ....... 43
5.3 治疗参数初步选定 ............. 44
5.4 对在体实验的推论 ............. 45
 
5 系统治疗参数选定
 
5.1 模型与实验结果对比分析
在系统冷热刀热传递的数学模型计算中,我们分别对冷冻和复温过程进行了5min、10min、15min、20min、25min、30min的模拟计算和数据处理;在系统的离体组织实验中,我们也对距离刀头不同距离的治疗区域进行了充分的冷冻与复温的实验,获得了本系统达到治疗温度所需的治疗时长的数据。现将数学模型与实验结果对比如下:仿真数据显示:当需要被治疗的病灶大小为直径1cm(测温点位置为半径长度)时,只需要冷冻10分钟即可将治疗区域完全覆盖在低温致死温度(-40℃)下;而实际实验中测得在距离刀杆中心0.5cm处的温度数据则显示,该处温度值要达到低温致死温度需要冷冻开始进行后18分钟才可以实现。对于直径为2cm的病灶,仿真显示需要20分钟的冷冻时间,实际实验则需要31分钟;直径3cm的病灶,仿真计算需要至少25分钟,不超过30分钟的冷冻治疗,实际实验记录数据显示冷冻治疗38分钟的时间后能达到-40℃;对于直径3cm以上的病灶,仿真30分钟后,能显示出较好的冷冻效果,实际冷冻实验进行47分钟后测量点能达到-20℃,随着时间的累积,没有很明显的下降。
..........
 
总结
 
本文研究是基于液氮制冷-热空气加热循环治疗系统下进行的,该治疗系统主要针对实体肿瘤进行冷热治疗,使肿瘤在人体原位置冷冻和消融,具有手术创口小、恢复时间短、疼痛感少、无毒副作用、成本低且能激发免疫作用等优点。该治疗系统的结构及治疗方案,为肿瘤治疗在临床应用上寻求更好的治疗效果、更低的治疗成本提供了一条新的途径。因此,本文着重从该系统的冷热治疗效果出发,围绕系统治疗过程中的冷冻速率和复温速率等关键问题,探索在该系统结构下,针对不同大小的良性肿瘤和恶性肿瘤,所需要的冷热治疗时间参数。为进一步优化该治疗系统、为同类型治疗方案的临床应用提供一定的数据基础。本文的工作主要包括以下方面:
① 通过阅读国内外文献,了解当前对于肿瘤的治疗方法的研究,探索肿瘤组织进行冷冻治疗、高温热疗的细胞破坏机理。通过深入学习低温环境、高温环境下,正常组织与肿瘤组织细胞的破坏机理,并借鉴冷热交替治疗理论与实验,探索课题组肿瘤治疗系统的冷热治疗效果,并制定对系统治疗时长参数设定的研究方案。
② 根据研究方案对治疗刀头进行了数学模型的建立。在数学建模前,完成对治疗刀头初始状态的计算,根据冷刀结构绘制数学模型的几何结构,设置边界条件,完成对治疗刀头冷冻和复温过程的不同时长参数的仿真计算。
③ 基于课题组自行研制的以液氮为制冷剂、热空气为加热媒介的肿瘤冷热交替治疗仪器,对系统进行新鲜离体肝脏组织的冷冻复温实验。为了探究该系统的治疗效果,在治疗过程中,对治疗区域进行温度梯度的测量,完成对于不同大小的病灶需要的冷热治疗时长参数的实验探究。
④ 对比分析仿真计算数据与系统组织实验数据,分析讨论数学模型结果与实际实验测得数据的误差来源,验证系统的冷热治疗性能,初步拟定该类型治疗仪器的肿瘤冷热治疗时长参数。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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