Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Cryo trong lĩnh vực y tế ở điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo phục vụ trong việc bảo quản sản phẩm lạnh y tế cho các bệnh viện Việt Nam; nghiên cứu truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo bao gồm: xây dựng mô hình toán học; thiết lập các công thức tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh tế bào và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Cryo trong lĩnh vực y tế ở điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ MINH TRÍ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CRYO TRONG LĨNH VỰC Y TẾ Ở ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ và Thiết bị lạnh Mã số: 62.52.80.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng- năm 2015
Công trình được hoàn thành tại DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 1. Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Bốn, Lê Minh Trí (2014), “Quá Người hướng dẫn khoa học: trình truyền nhiệt, truyền chất không ổn định với biên di động 1. PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng 2. TS. Nguyễn Thành Văn khi hóa rắn vật ẩm bằng kỹ thuật Cryo”, Tạp chí Năng Lượng Nhiệt, năm thứ 21, số 117- 2014, tr 15¸ 20. 2. Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí (2014), Phản biện 1: PGS.TS. Hà Mạnh Thư “Nghiên cứu sử dụng lỏng nitơ cho dao mổ lạnh ở Việt Nam”, Phản biện 1: PGS.TS. Võ Chí Chính Tạp chí Khoa học và Công nghệ- ĐHĐN, số 5[78]- 2014, tr Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Bốn 26¸ 31. 3. Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Thành Văn, Lê Minh Trí (2015), “Nghiên cứu ứng dụng máy lạnh ghép tầng trong kỹ thuật bảo Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án quản máu và các chế phẩm từ máu”, Tạp chí Khoa học và Tiến sĩ kỹ thuật cấp Đại học Đà Nẵng họp vào ngày 28 Công nghệ- ĐHĐN, số 2(87). 2015. tháng 11 năm 2015 tại Đại học Đà Nẵng. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Trung tâm Học liệu - Đại học Đà Nẵng. - Thư viện Quốc gia, Hà Nội.
24 1 Kiến nghị MỞ ĐẦU 1. Cần có nghiên cứu thực nghiệm về hệ thống lạnh Cryo trước 1. Lý do chọn đề tài: khi đưa vào sử dụng trong thực tiễn. Cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của kỹ thuật 2. Phẫu thuật lạnh là một kỹ thuật mới, hiện đại, có hiệu quả lạnh Cryo trong những năm gần đây, việc ứng dụng chúng trong lĩnh cao trong việc tiêu diệt các tế bào ung thư. Công nghệ này đòi hỏi vực y tế được đầu tư nghiên cứu nhờ những đặc tính của kỹ thuật nhiều ngành khoa học kết hợp thực hiện. Cần có những nghiên cứu lạnh Cryo mang lại. Với hai ứng dụng chính: sâu rộng hơn để sớm đưa công nghệ này vào điều trị bệnh ung thư - Sản xuất môi trường lạnh để bảo quản các sản phẩm lạnh y tế cho các bệnh nhân ở Việt Nam. như: hóa chất sinh phẩm, chế phẩm từ máu, tế bào gốc phục vụ việc 3. Bảng thông số vật lý cơ bản của các vật liệu thông dụng khám chữa bệnh trong các bệnh viện. chưa tra cứu được ở phạm vi nhiệt độ thấp. Nếu được phát triển bổ - Sử dụng phẫu thuật lạnh trong việc tiêu diệt các tế bào ung sung sẽ tạo ra được một nguồn dữ liệu không những cung cấp cho kỹ thư. thuật Cryo mà còn cho nhiều ngành nghiên cứu khác. Trong công nghệ bảo quản sản phẩm lạnh y tế, các bệnh viện hiện đại trên thế giới đang thực hiện việc bảo quản tập trung tại trung tâm bảo quản lạnh. Trong lúc đó tại các bệnh viện Việt Nam, việc bảo quản sản phẩm lạnh y tế phân tán theo các phòng khoa với những thiết bị nhỏ đơn chiếc. Việc sử dụng nhiều thiết bị nhỏ như vậy làm cho các bệnh viện thụ động trong quản lý, lãng phí trong đầu tư, chi phí vận hành cao. Đã có trường hợp dẫn đến tử vong do nhầm lẫn trong việc cấp phát và bảo quản các sản phẩm lạnh y tế. Đôi lúc, các đơn vị sử dụng không tuân thủ đúng điều kiện vận hành thiết bị dẫn đến chất lượng bảo quản không đảm bảo. Từ thực trạng trên cho thấy, khâu bảo quản sản phẩm lạnh y tế tại các bệnh viện ở Việt Nam hiện nay cần được áp dụng công nghệ lạnh phù hợp. Vấn đề đầu tiên đặt ra: làm thế nào để xây dựng một hệ thống lạnh hiệu quả; thuận tiện trong việc tự động hóa; có nhiều chế độ nhiệt phù hợp với nhu cầu bảo quản sản phẩm lạnh y tế.
2 23 Sử dụng công nghệ phẫu thuật lạnh để tiêu diệt tế bào ung thư CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ là một kỹ thuật mới, hiện đại có hiệu quả cao. Kỹ thuật này sử dụng Kết luận khí hóa lỏng có nhiệt độ thấp để đông lạnh nhanh tế bào, nhằm phá 1. Sơ đồ hệ thống lạnh Cryo ghép tầng với nhiều cấp nhiệt độ hủy có kiểm soát các tổ chức bệnh lý và các tế bào ung thư. Tuy phục vụ trong việc bảo quản sản phẩm lạnh y tế cho các bệnh viện nhiên trước khi tiến hành thủ thuật chúng ta cần trả lời được các câu Việt Nam được tác giả đề xuất là phù hợp, có tính ứng dụng và khả hỏi: thời gian cấp đông làm lạnh khối u trong bao lâu; phạm vi ảnh thi cao. hưởng nhiệt độ của vùng tế bào bị đông lạnh như thế nào; tốc độ 2. Đề ra một cách giải mới- bằng phương pháp giải tích- để đóng băng hóa rắn là bao nhiêu .v.v. Để trả lời các câu hỏi trên, ta giải bài toán truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật phải giải được bài toán truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng lạnh Cryo nhằm xác định các thông số: thời gian đóng băng; kích kỹ thuật lạnh Cryo. thước lớp băng tạo ra; vận tốc lớp băng; gia tốc lớp băng; trường Từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phân bố nhiệt độ; thời gian cần thiết cấp lỏng môi chất vào thiết bị để kỹ thuật Cryo trong lĩnh vực y tế ở điều kiện Việt Nam” làm luận khối u có kích thước cho trước đạt đến nhiệt độ chết của vi khuẩn; án NCS. thời gian an toàn để tan giá và làm ấm. Qua đó, việc tính toán các 2. Mục tiêu nghiên cứu thông số này sẽ đơn giản, dễ dàng, thuận tiện. Đây là các thông số cơ - Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo phục vụ trong việc bảo sở, quan trọng để các nhà y khoa nghiên cứu xây dựng phác đồ điều quản sản phẩm lạnh y tế cho các bệnh viện Việt Nam; trị bệnh, cũng như các nhà cơ khí chế tạo nghiên cứu sản xuất ra thiết - Nghiên cứu truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ bị phẫu thuật lạnh. thuật lạnh Cryo bao gồm: xây dựng mô hình toán học; thiết lập các 3. Xây dựng phần mềm để tính các thông số khi cấp đông cục công thức tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh tế bào bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo. và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng. 4. Có thể mở rộng phạm vị sử dụng các công thức đã thiết lập 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu trong trường hợp tính truyền nhiệt khi cấp đông nhanh theo chiều từ - Các thiết bị lạnh bảo quản sản phẩm lạnh y tế. vỏ vào tâm vật ẩm. Đây là bài toán cơ sở quan trọng để nghiên cứu, - Quá trình truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thiết kế, chế tạo máy móc thiết bị sử dụng công nghệ đông lạnh thuật lạnh Cryo. nhanh trong thực tiễn. - Trong công nghệ bảo quản sản phẩm lạnh y tế, tác giả chỉ 5. Với sai số đạt 2,81% so với kết quả giải bằng phương pháp thực hiện được lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh phù hợp và hiệu quả. số đã được công bố trên thế giới và đạt 4,56% so với kết quả thực Đây là bước đầu tiên để áp dụng công nghệ bảo quản sản phẩm lạnh nghiệm, như vậy, các công thức được thiết lập đạt độ chính xác của y tế cho các bệnh viện ở Việt Nam. kỹ thuật.
22 3 4.3.4.2. Kết quả đo kích thước lớp băng tạo ra - Trong công nghệ phẫu thuật lạnh, tác giả chỉ nghiên cứu quá Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,53% trình truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh 4.3.5. Luận bàn kết quả Cryo. Đây là bài toán cơ sở giúp các nhà y khoa xây dựng phác đồ 4.4. Kết luận chương 4 điều trị cho từng khối u có kích thước khác nhau, giúp các nhà cơ khí 1. Các thiết bị thực nghiệm do tác giả chế tạo (kim tạo cầu nghiên cứu chế tạo sản xuất thiết bị phẫu thuật lạnh. băng và kim tạo trụ băng) hoạt động tốt, đảm bảo yêu cầu đề ra. - Trong nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục 2. Sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm trung bình là 4,22%, bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo, tác giả chỉ thực hiện trên vật liệu cho thấy: các công thức đưa ra đạt độ chính xác của kỹ thuật và có thịt bò và thạch agar. Đối với bài toán truyền nhiệt, vật liệu thịt bò, thể dùng để khảo sát các quá trình đóng băng trong thực tế, cũng như thạch agar hay tế bào khác nhau ở thông số vật lý. Nếu thực nghiệm để tính toán, thiết kế các thiết bị phẫu thuật lạnh. đã đúng ở loại vật liệu này, kết quả sẽ đúng ở loại vật liệu khác. 3. Các sai số gây ra chủ yếu do: ảnh hưởng của điều kiện môi 4. Phương pháp nghiên cứu trường thực nghiệm, các thông số vật lý (c, l, r .v.v) chưa có số liệu Luận án được tiến hành dựa trên hai phương pháp: nghiên cứu chính xác để tính toán. lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. 4. Thân kim lạnh đảm bảo cách nhiệt, không làm ảnh hưởng 5. Bố cục luận án đến vùng tế bào khi kim lạnh xuyên qua. Nội dung chính của luận án gồm: 142 trang chính với 5 5. Cần có những nghiên cứu thực nghiệm trên cơ thể sống chương, 31 bảng, 50 hình, 102 tài liệu tham khảo, 4 phụ lục. Các trước khi áp dụng vào điều trị bệnh thực tế. chương của luận án là: Chương 1. Tổng quan; Chương 2. Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện Việt Nam; Chương 3. Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo; Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo; Chương 5. Kết luận và kiến nghị.
4 21 Håi N CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2 1 2 6 A 1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Cryo Loíng N 3 2 1.2. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ 5 bảo quản sản phẩm lạnh y tế A d1(0,7 x 0,15 x 70) 1.3. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ d 2(3,0 x 0,2 x 70) A-A phẫu thuật lạnh 4 1.4. Kết luận chương 1 à Ứng dụng sản xuất lạnh Cryo phục vụ bảo quản sản phẩm lạnh y tế: Hình 4.14. Sơ đồ kết cấu của thiết bị kim tạo trụ băng thực - Các bệnh viện hiện đại trên thế giới đang thực hiện bảo quản nghiệm sản phẩm lạnh y tế theo hướng tập trung tại trung tâm bảo quản lạnh. 1. Ống inox dẫn lỏng môi chất vào 2. Ống bằng bạc dẫn môi chất ra - Các bệnh viện có nhu cầu sử dụng nhiều chế độ làm lạnh để 3. Đầu kim lạnh 4. Tay cầm thao tác bằng plastic bảo quản sản phẩm lạnh y tế. Các chế độ nhiệt cụ thể gồm: 240C; 5. Van điều chỉnh cấp lỏng vào 6. Bầu chứa lỏng đo nhiệt độ hơi ra 40C; -350C; -860C; -1960C. 4.2.2. Công tác chuẩn bị à Ứng dụng phẫu thuật lạnh để tiêu diệt tế bào ung thư: 4.2.3. Các bài thực nghiệm - Phẫu thuật lạnh là một kỹ thuật mới, hiện đại để điều trị bệnh 4.2.4. Kết quả thực nghiệm ung thư. 4.2.4.1. Kết quả đo độ trễ nhiệt của thiết bị kim tạo trụ băng - Để giải quyết bài toán truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế Thời gian trễ nhiệt của thiết bị kim tạo trụ băng ttrễ trụ = 2,9 s. bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo, các nhà nghiên cứu trên thế giới đều sử 4.2.4.2. Kết quả đo kích thước trụ băng tạo ra dụng phương pháp số kết hợp sự trợ giúp của máy tính; Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,60% - Ở Việt Nam, các bệnh viện đã sử dụng thiết bị áp lạnh để 4.2.5. Luận bàn kết quả điều trị các bệnh về da liễu. Đối với thiết bị kim lạnh (kim tạo trụ 4.3. Thực nghiệm trên thiết bị áp lạnh băng và kim tạo cầu băng), cho đến nay vẫn chưa có một đơn vị nào 4.3.1. Sử dụng thay thế thiết bị áp lạnh mua nhập hay sử dụng thiết bị này. Với yêu cầu kim lạnh chỉ sử dụng 4.3.2. Công tác chuẩn bị một lần, trong tương lai nhu cầu sử dụng kim lạnh là rất lớn. 4.3.3. Các bài thực nghiệm 4.3.4. Kết quả thực nghiệm 4.3.4.1. Kết quả đo độ trễ nhiệt của thiết bị áp lạnh Thời gian trễ nhiệt của thiết bị áp lạnh ttrễ AL = 5,5s.
20 5 hàn kín vào các ống 2 và 3, vừa có chức năng cố định ống 2, 3 vừa Chương 2. ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH CRYO tạo khoang kín cách nhiệt chân không. CHO CÁC BỆNH VIỆN VIỆT NAM 4.1.1.3. Tính kiểm tra cách nhiệt giữa kim tạo cầu băng và môi trường Trong chương này, tác giả tiến hành lựa chọn sơ đồ hệ thống 4.1.2. Công tác chuẩn bị lạnh phù hợp và hiệu quả. Đây là bước đầu tiên để áp dụng công 4.1.2.1. Vật liệu thực nghiệm nghệ bảo quản sản phẩm lạnh y tế cho các bệnh viện ở Việt Nam. 4.1.2.2. Các dụng cụ đo 2.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện Việt 4.1.2.3. Nghiên cứu giảm sai số trong khi đo Nam 4.1.3. Các bài thực nghiệm 2.1.1. Giới thiệu thực trạng 4.1.4. Kết quả thực nghiệm 2.1.2. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo 4.1.4.1. Kết quả đo độ trễ nhiệt của thiết bị kim tạo cầu băng; 2.1.2.1. Lựa chọn chu trình lạnh Thời gian trễ nhiệt của thiết bị kim tạo cầu băng ttrễ cầu = 2,8s. 2.1.2.2. So sánh bảo quản sản phẩm lạnh y tế theo hướng tập trung và 4.1.4.2. Kết quả đo kích thước cầu băng tạo ra phân tán Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,56% 2.1.2.3. So sánh hệ thống lạnh Cryo và các thiết bị lạnh đơn chiếc 4.1.4.3. Kết quả kiểm tra cách nhiệt giữa kim lạnh và môi trường 2.1.3. Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo Sau nhiều lần thực nghiệm, ta nhận thấy thân kim lạnh hoàn Chúng tôi đề xuất hệ thống lạnh Cryo tại các bệnh viện Việt toàn không bị bám tuyết. Nam có những đặc điểm sau (hình 2.2): 4.1.5. Luận bàn kết quả Phòng điều hòa 240C : Sử dụng máy điều hòa không khí để 4.2. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo trụ băng làm mát. 4.2.1. Chế tạo kim tạo trụ băng Kho lạnh, kho đông, tủ đông âm sâu và bình lạnh Cryo: Sử Ống 1 được vát nhọn đầu, một đầu được nối với van điều dụng chu trình Pictet để cấp lạnh cho 4 chế độ lạnh gồm : 40C; -350C, chỉnh cấp lỏng vào 5, một đầu được đặt tự do trong ống 2, tiếp giáp -850C và -1900C với 4 tầng cụ thể: với đầu kim lạnh 3. Lỏng nitơ được cấp vào thiết bị qua ống 1 vào - Tầng 1: Sử dụng máy nén 2 cấp. tràn ngập ống 2, tạo ra lớp vỏ có nhiệt độ rất thấp hình trụ bao quanh - Tầng 2, tầng 3, tầng 4: Sử dụng máy lạnh ghép tầng. ống 2. Nhiệt độ kim lạnh được đo tại bầu chứa lỏng 6. - Hệ thống sử dụng không khí chứ không phải nitơ vì để sử dụng nitơ cần thêm hệ thống tách nitơ rất phức tạp.
6 19 TBTDN1 13 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRUYỀN BTD1 NHIỆT KHI CẤP ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ MN1 12 BHN1 11 16 15 THUẬT LẠNH CRYO 14 22 VTL1 BTG1 0 4.1. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo cầu băng -10 C Táöng 1 4.1.1. Chế tạo kim tạo cầu băng V1 BHN2 23 26 kho laûnh 0 4 C 4.1.1.1.Tham khảo các mẫu kim tạo cầu băng trên thế giới 24 BCHA2 25 VTL2 4.1.1.2. Thiết bị kim tạo cầu băng thực nghiệm Håi N 0 -40 C kho âäng 2 V2 10 1 2 3 4 MN2 A 21 0 -35 C 5 khäng khê Loíng N 5B 2 5A 0 -40 C 33 32 6 TBTDN3 BHN3 36 9 A 7 35 34 VTL3 d1(0,7 x 0,15 x 70) Táöng 2 d 2(2,0 x 0,2 x 70) A-A 8 V3 BCHA3 -90 C 0 d 3(3,0 x 0,2 x 70) tuí âäng 0 31 MN3 -85 C 5C BTD3 0 -90 C TL 43 TBTDN4 MN4 41 BHN4 Táöng 3 Hình 4.3. Sơ đồ kết cấu của thiết bị kim tạo cầu băng 46 45 42 BTD4 TBTDN5 VTL4 44 4D 1. Ống dẫn lỏng môi chất vào 2. Ống dẫn môi chất ra 3. Ống cách nhiệt chân không 4. Mối hàn bạc phủ bên ngoài 0 54 -150 C 55 5. Đầu kim lạnh làm bằng bạc 6. Khoang làm lạnh VTL5 56 MN5 52 MN6 53 Táöng 4 BPL 7. Mối hàn bằng đồng thau 8. Tay cầm thao tác bằng plastic BTD5 9. Van điều chỉnh cấp lỏng vào 10. Bầu chứa lỏng đo nhiệt độ hơi ra Loíng khäng khê 51 Một đầu ống 1 được nối với van 9, một đầu được đặt tự do Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh Cryo trong ống 2, tiếp giáp với đầu 5. Lỏng nitơ được cấp vào thiết bị qua TBTDN- Thiết bị trao đổi nhiệt MN- máy nén ống 1 vào khoang làm lạnh 6. Hơi nitơ sinh ra cùng với lỏng còn lại VTL- Van tiết lưu BHN- Bình hồi nhiệt sẽ được thoát tự do theo khoảng trống giữa ống 1 và ống 2. Đầu kim BCHA- Bình chứa hạ áp TL- Tách lỏng lạnh 6 là một khối hình nón bằng bạc, có bán kính r = 1,5 mm được BTD- Bình tách dầu BPL- Bình phân ly
18 7 3.4. Kết luận chương 3 2.1.3.1. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tại tầng 1 1. Đề xuất giải bài toán truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào MN1 nén môi chất lên BTD1, qua TBTDN1, qua BHN1, qua bằng kỹ thuật lạnh Cryo theo một cách giải mới, bằng phương pháp VTL1, vào bình trung gian 1 (BTG1). Hơi ra khỏi BTG1 đi vào giải tích. BHN1 rồi về MN1. Lỏng tại BTG một phần đi vào kho lạnh 40C, một 2. Với sai số đạt 2,81% so với kết quả giải bằng phương pháp phần đi qua BHN2, đi vào BCHA2. Lỏng trong BCHA2 vừa cấp số đã được công bố trên thế giới, như vậy, có thể sử dụng phương lỏng kho đông nhiệt độ (-350C), vừa làm lạnh TBTDN3. Phần hơi pháp giải tích trong việc giải bài toán cấp đông nhanh cục bộ tế bào. sinh ra sẽ qua BHN2 rồi trở về MN2. Lúc này, việc tính toán sẽ trở nên dễ dàng, thuận tiện, quá trình tính 2.1.3.2. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 2 toán không phụ thuộc vào phần mềm do người lập trình thiết lập, mối Môi chất được MN3 nén lên BTD3, qua TBTDN3, qua BHN3, quan hệ giữa các đại lượng được biểu thị rõ ràng, minh bạch; qua VTL3 cấp lỏng cho BCHA3. Lỏng trong BCHA3 vừa cấp lỏng 3. Lập công thức tính các thông số trong quá trình cấp đông làm lạnh tủ đông, vừa làm lạnh TBTDN4, phần hơi sinh ra sẽ đi qua cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo; BHN3 sau đó được hút về MN3. 4. Thiết kế được phần mềm tính toán các thông số trong quá 2.1.3.3. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 3 trình đông lạnh nhanh tế bào khi sử dụng thiết bị phẫu thuật lạnh. Tầng 3 có nguyên lý làm việc tương tự như tầng 2. 5. Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức đã được thiết lập 2.1.3.4. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 4 trong tính truyền nhiệt đông lạnh nhanh theo hướng từ vỏ vào tâm vật Không khí được hút vào ở trạng thái 5A, qua TBTDN3 làm ẩm. lạnh xuống trạng thái 5B, qua TBTDN4 được làm lạnh xuống trạng thái 5C, được TL loại bỏ các thành phần độc hại, tiếp tục được làm lạnh xuống 5D thông qua TBTDN5. Sau đó hòa trộn với phần hơi sinh ra ở bình phân ly (BPL) được MN5 nén lên MN6, qua TBTDN5, qua VTL5 đi vào BPL, tại đây nhiệt độ không khí đã đạt đến nhiệt độ ngưng tụ, không khí sẽ ngưng tụ lại thành lỏng được lấy ra ngoài. 2.2. Thông số trạng thái tại các điểm nút và thông số kỹ thuật của hệ thống 2.2.1. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 4 2.2.2. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 3 2.2.3. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 2 2.2.4. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 1
8 17 2.2.5. Đồ thị T-s và thông số kỹ thuật của hệ thống lạnh Cryo Bắt đầu 2.3. Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế 2.3.1. Nhu cầu tải lạnh tại Bệnh viện Trung ương Huế Nhập số liệu 2.3.2. Cấu tạo và kích thước các thiết bị bảo quản lạnh 2.3.3.Tính phụ tải nhiệt tại các tầng của hệ thống lạnh 2.3.4. Tính chọn máy nén cho hệ thống lạnh Tính thông số quá trình đóng băng 2.3.5. Tính chọn các thiết bị phụ trợ 2.3.6. Vận hành hệ thống lạnh Cryo Tính thời gian cấp lỏng 2.4. Kết luận chương 2 1. Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo có nhiều chế độ làm lạnh khác nhau phục vụ nhu cầu bảo quản sản phẩm lạnh y tế cho các Xuất kết quả bệnh viện Việt Nam. Trong sơ đồ này, tác giả đã sử dụng phương pháp làm lạnh do Pictet phát minh kết hợp việc sử dụng môi chất Kết thúc lỏng có nhiệt độ bay hơi khác nhau tạo ra môi trường lạnh có nhiều chế độ làm lạnh khác nhau. Hình 3.17. Sơ đồ khối phần mềm tính các thông số khi 2. Thông số trạng thái, thông số kỹ thuật, công suất máy nén, cấp đông nhanh tế bào công suất các thiết bị phụ trợ của hệ thống lạnh Cryo đều nằm trong 3.2.2. Nhập số liệu phạm vi cho phép hoạt động của môi chất lạnh, dầu bôi trơn cũng 3.2.3. Chương trình tính các thông số như các yếu tố kỹ thuật khác. Như vậy, về lý thuyết hệ thống lạnh 3.2.4. Xuất kết quả Cryo là phù hợp, có tính thuyết phục. 3.3. Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức tính truyền nhiệt đã thiết lập 3.3.1. Tính truyền nhiệt khi cấp đông nhanh theo chiều từ vỏ vào tâm vật ẩm 3.3.2. Các trường hợp áp dụng trong thực tiễn
16 9 Để tiêu diệt khối u triệt để, phẫu thuật viên sẽ tiến hành quy CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT KHI trình cấp lạnh- tan giá và làm ấm nhiều lần với chu kỳ: 20 phút làm CẤP ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ THUẬT LẠNH CRYO lạnh lần thứ nhất, 10 phút làm ấm và 15 phút làm lạnh lần thứ hai. Trong chương này, tác giả đề xuất giải bài toán truyền nhiệt Ta sẽ giải các bài toán xác định thời gian để tan giá và làm ấm theo một cách giải mới, bằng phương pháp giải tích. Đây là một việc tế bào. làm cần thiết, phù hợp với quy trình thao tác cấp đông cục bộ tế bào 3.1.13. So sánh kết quả tính giữa phương pháp giải tích và phương bằng kỹ thuật Cryo. pháp số 3.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán các thông số trong quá 3.1.13.1. Kết quả giải bài toán bằng phương pháp số trình cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo 3.1.13.2. Kết quả giải bài toán bằng phương pháp giải tích 3.1.1. Lý thuyết tổng quan về các quá trình chuyển pha 3.1.13.3. So sánh kết quả giải bài toán giữa hai phương pháp 3.1.2. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm Sai số giữa phương pháp tính bằng giải bằng giải tích và 3.1.3. Phát biểu bài toán truyền nhiệt khi cấp đông nhanh tế bào Loíng N 2 (t
10 15 3.1.4. Tham khảo phương trình thiết lập khi giải bằng phương f .dx.{(ri .Ci + x .b .Cb .rb )( . t1 - t0 ) + ri .h.w.rc }= (t 0 - t f ) ,[J] . f .dt æ 1 dd xö pháp số çç + + ÷÷ è a l d li ø 3.1.4.1. Thiết bị làm lạnh khi giải bài toán bằng phương pháp số 3.1.4.2. Thông số vật lý vùng khảo sát khi giải bài toán bằng phương (3.64) pháp số Phương trình sẽ có nghiệm là: 3.1.4.3. Phương trình truyền nhiệt sử dụng khi giải bài toán bằng æ 1 dd 2 ö 2 2 æ1 d ö çç + ÷÷ . A .li + 2. A.t - çç + d ÷÷. A.li phương pháp số è a ld ø è a ld ø x (t ) = ; (3.65) 3.1.5. Xây dựng các giả thiết khi cấp đông nhanh cục bộ tế bào A 1. Coi mặt trong lớp băng là biên loại 1, có nhiệt độ không đổi Từ đây có thể suy ra các công thức: bằng tf của chất lỏng lạnh đang sôi. æ ö x(-50C) = x(t ).ç1 - 5 ÷ (3.66) 2. Coi quá trình hạ nhiệt độ từ t1 đến t0 và quá trình tỏa nhiệt rc ç t f ÷ø è khi đóng băng là xảy ra rất nhanh và đồng thời. 3. Xem dòng nhiệt q tức thời tại lúc t (q(t)) do dẫn nhiệt từ lớp x(-100C) = x(t ).æç1 - 10 ö÷ (3.67) ç t f ÷ø băng chuyển pha ra môi chất lạnh trong thời gian vô cùng bé dt là ổn è định. 3.1.10. Khảo sát và so sánh các quá trình tạo băng trong vật ẩm 4. Coi tế bào là vật ẩm có các thông số vật lý (độ ẩm w; khối 3.1.11. Xác định thời gian cấp lỏng cho thiết bị phẫu thuật lạnh lượng riêng r, nhiệt dung riêng C; hệ số dẫn nhiệt l; nhiệt độ đóng Giả sử có một khối tế bào ung thư, có kích thước đã xác định. băng t0 và nhiệt chuyển pha rc) là phân bố đều và không thay đổi Hãy xác định thời gian cấp lỏng cần thiết cho thiết bị phẫu thuật lạnh, trong không gian và thời gian khảo sát. sao cho lớp biên của khối u đạt đến nhiệt độ tc ( tc- nhiệt độ chết của 3.1.6. Quá trình tạo băng trên bề mặt phẳng vật ẩm bán vô hạn vi khuẩn; tc £ 00C). Gọi x là độ dày lớp băng đã tạo ra trước lúc t, dx là độ dày lớp 3.1.12. Xác định thời gian tan giá và làm ấm băng mới tạo ra sau thời gian vô cùng bé dt (hình 3.9a). Theo định Sau khi lớp băng đã đạt đến kích thước yêu cầu rc, quá trình luật bảo toàn năng lượng, phương trình cân bằng nhiệt tức thời lúc t cấp lỏng môi chất lạnh vào thiết bị phẫu thuật lạnh sẽ tạm ngưng, tiếp cho khối băng dV= f.dx mới tạo ra sau thời gian dt sẽ có thể phát đến là quá trình tan giá và làm ấm. Khi ngừng cấp lỏng, khối băng sẽ biểu: Nhiệt tỏa ra do dV hạ nhiệt đến t0 và đóng băng = Nhiệt truyền hấp thu nhiệt từ môi trường xung quanh và tăng nhiệt độ. Tuy nhiên qua vách băng dày x ra môi trường lạnh. Phương trình toán học là: để đảm bảo khối u có nhiệt độ bằng nhiệt độ cơ thể, người ta dùng dòng nước ấm có nhiệt độ tf1≤ 420C (nhiệt độ cơ thể có thể chịu đựng) cung cấp vào thiết bị phẫu thuật lạnh.
14 11 + Trường nhiệt độ với rÎ(r0,r(t)) x dx t(r,t) = t f - (t f - t0 ) æ 1 1ö, ç - ÷ (3.63) (1 / r0 - 1 / r (t )) çè r0 r ÷ø 3.1.9. Quá trình tạo băng khi phun môi chất lỏng lên bề mặt da Bàng x( t) Bàng r( t) Bàng r( t ) (0,t ,r ,l ,t ,x(t)) (r ,t ,r , l,t ,r(t )) (r ,t ,r , l,t ,r(t )) Xét lớp da có độ dày dd, hệ số dẫn nhiệt ld; tế bào dưới da có hệ số dẫn nhiệt li (hình 3.11). Bề mặt ngoài của lớp da được làm lạnh bởi môi chất lạnh có nhiệt độ tf và hệ số tỏa nhiệt a. Hãy xác định a b c chiều dày lớp chuyển pha x(t); chiều dày lớp băng đạt được tại nhiệt Hình 3.9.Phát biểu hình học của 3 bài toán biên hóa rắn trong tế bào độ -100C (x(-100C)) và -50C (x(-50C)). f .dx.{(ri .Ci + x .b .Cb .rb )( . t1 - t0 ) + ri .h.w.rc } = l i (t 0 - t f ). f .d t ,[J] (3.44) x x dx Trong đó: i - loại tế bào đang khảo sát; Ci, ri, li - thông số vật lý của tế bào; a Bàng x (t ) Cb, rb - thông số vật lý của máu; x,h - hệ số phụ thuộc loại tế bào đang khảo sát; b = 7% - tỷ lệ khối lượng máu trong cơ thể người. l ;d l ;x t x (ri .Ci + x .b .Cb .rb )(. t1 - t0 ) + r i .h.w.rc .x.dx ®t(x)= A 2; (3.45) Hình 3.11. Phát biểu hình học bài toán phun môi chất lỏng lên bề ò dt = ò 0 0 li .(t0 - t f ) 2 x mặt da với A (ri .Ci + x .b .Cb .rb )(. t1 - t0 ) + ri .h.w.rc ,[s/m2] (3.46) Do lớp da không có nhiệt ẩn hóa rắn, nên ta chỉ xem như một li .(t0 - t f ) lớp cách nhiệt có chiều dày dd, hệ số dẫn nhiệt ld. Hàm ngược của t(x) có dạng x(t) = 2t , [m]. (3.47) Ta có thể phát biểu: Nhiệt tỏa ra của lớp băng chuyển pha dV A = Nhiệt truyền qua vách băng dày x, truyền nhiệt qua lớp da dày dd, + Vận tốc: v dx 1 1 ,[m/s] (3.48) = = tỏa ra môi trường lạnh có hệ số tỏa nhiệt a. Phương trình toán học dt A.x (t ) 2. A.t được viết là: dv -1 2 + Gia tốc a = < 0 ,[m/s ] (3.49) dt 2 2 At 3 + Trường nhiệt độ không ổn định trong lớp băng:
12 13 t(x,t) = t f - (t f - t0 ) x , [0C] (3.50) 3.1.8. Quá trình tạo cầu băng trong vật ẩm x(t ) Gọi r là bán kính cầu băng đã tạo ra trước lúc t, dr là độ dày 3.1.7. Quá trình tạo trụ băng trong vật ẩm băng mới tạo ra sau thời gian vô cùng bé dt (hình 3.9c). Theo định Gọi r là bán kính lớp băng đã tạo ra trước lúc t, dr là độ dày luật bảo toàn năng lượng, phương trình cân bằng nhiệt tức thời lúc t lớp băng mới tạo ra sau thời gian dt (hình 3.9b). Cân bằng nhiệt tức cho khối cầu băng dV=4.π.r2.dr mới tạo ra sau dt sẽ có thể phát biểu: thời lúc t cho khối băng hình trụ dV = 2.p.r.h.dr mới tạo ra sau thời Nhiệt do dV tỏa ra khi hạ nhiệt đến t0 và hóa rắn = Nhiệt truyền qua gian vô cùng bé dt có thể phát biểu: Nhiệt lượng do dV tỏa ra để hạ vách cầu vào tâm lạnh. Mô tả toán học của phát biểu trên là phương nhiệt đến t0 và đóng băng = Nhiệt lượng truyền qua vách trụ băng cũ trình cân bằng nhiệt tức thời có dạng: ra môi trường lạnh. Mô tả toán học của phát biểu trên là phương trình 4p .r 2 .dr{(r.iCi + x .b .Cb .rb ).(t1 - t0 ) + ri .h.w.rc } = 4 .p .l i .( t 0 - t f ) d t /(1 / r0 - 1 / r ) ,(J) cân bằng nhiệt tức thời có dạng: (3.57) 2p .r.h.dr{(r i .Ci + x .b .Cb .rb )( . t1 - t0 ) + ri .h .w .rc } = 2 .p .l i .( t 0 - t f ). h .d t / ln( r / r0 ) ,[J]. t(r)= A ( 2r 3 - 3r .r 2 + r 3 ) ,[s]; (3.58) 0 0 (3.51) 6.r0 t(r) = A (2r 2 ln r - r 2 + r02 ) ,[s] ; (3.52) Hàm ngược của t(r) là là phương trình bậc 3 có dạng: 4 r0 3r0 2 æ r03 3r0t ö r0 -1 r3 - r + çç - ÷÷ = 0 , đặt r x+ , phương trình có dạng Hàm ngược của t(r) là r(t) = t (r) có thể mô tả ở dạng một 2 è2 A ø 2 bảng số. 2 -1 x3 + px + q = x 3 - 3æç r0 ö÷ x + æç r03 - 3r0t ö÷ = 0 , trong đó + Vận tốc v= dr = æ r ö çç A.r . ln ÷÷ , [m/s] (3.53) è2ø è A ø dt è r0 ø p = - 3 r02 / 4 ,[m2] và q = r03 - 3 r0t / A q(t), [m3]. (3.59) + Gia tốc a = dv = 2- ln (e.r / r0 ) 3 < 0, [m/s2] (3.54) Dùng công thức Cardano, có thể mô tả nghiệm r(t) ở dạng: dt A ( r. ln(r / r0 )) + Trường nhiệt độ không ổn định trong vách băng đang di r(t) = 3 - q(t ) 2 æ q (t ) ö æ p ö + ç 3 + - q (t ) 2 æ q(t ) ö æ p ö 3 + r0 , [m]; (3.60) ÷ +ç ÷ 3 - ç ÷ +ç ÷ 2 2 è 2 ø è3ø 2 è 2 ø è3ø động, tại r Î(r0,r(t)) có dạng: dr r0 t(r,t) = t f - (t f r ln ; - t0 ) (3.55) + Vận tốc v= = dt A.r.(r - r0 ) ,[m/s] (3.61) ln(r (t ) / r0 ) r0 dv r 2 .(2.r - r0 ) + Gia tốc a = = - 20 3 ,[m/s2] (3.62) dt A .r .(r - r0 )3