肿瘤低温手术的数值研讨.pdf

中国T程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编吁：063382 肿瘤低温手术的数值研究 。陈超1 张爱丽1骆晓东2徐学敏‘ (I．I：海交通人：学生命科学’j技术学院，l：海，200240；2．中国科学技术人学热手}学。j能源T程系) superman@sjtu．edu．CFI) 摘要：奉义对基十液氮的冷／『J治疗肿瘤过程中．，J内液氮流动和肿瘤传热边行J’枞合数值模拟。 分析r冷／J进LJ液氮流量和窄泡比对冷／J换热量和传热系数的影响。，7J内流动类型恨据所含气体的量， 日，以划分为气体流．液滴流和两相环状流。结果表I!Jj：冷JJ和肿痛的传热系数从两棚：状；：jic到液滴流， 最后到气体流会迅速变小，4：两相流中冷月进U条件对传热影响很小。用定壁面传热系数条件来计算 肿瘤冷冻过程足业为合理的。 关键词：冷／J；两相流；肿瘤；液氮：数值模拟 1引言 治疗肿瘤的传统方法有放射疗法，手术疗法，化学疗法笛。低温手术作为一种新兴 的治疗方法，由丁．其具有创伤小、可多次重复治疗等一系列优点，越米越，．泛地被应用 剑临床医学领域【11。低温手术是用温度很低的冷刀插入肿瘤组织，产生低温杀夕E周围癌 细胞【2】o低温手术的效果通常取决丁．组织经历的温度变化历史，包括降温速率、复温速 率、最低温度、降温一复温循环等[21。病理组织在手术中经历【司一液相变，从微观角度 而言。细胞遭受“溶液损伤”，“胞内冰损伤”，和“再结品损伤’i，从宏观角度而言，组 织将经历热应力筲闪素导致的损伤【2j1 现代医学影像技术使得低温手术过科可视化，进一步普及了低温手术的临床应用【4】， 但这类技术往往仅仅可以动态观测组织相界面的发展，而不能给出组织内濉度分布(包 括已冻结、相变区和朱冻结区)。而组织所受损伤义取决于上述多种冈素，而1卜相界面 这一单一冈素。冈此，有必要使用理论方法对低温手术过程进行数值模拟。 冷冻手术设备通常以液氮作为制冷介质，低温液氮在冷刀内流动吸热变成有相变两 相流，难丁．控制【5I。对冷冻手术的数值模拟，w假设冷刀壁面温度为定值【6甥】，也有研究 采州实验中拟合的罐面温度‘91，．或者同时州各种类酗的鼙面条1i，|：f“’】作为边界条件计算。 然而，迄今为．I}：，将冷刀内两相流动问题与组织热传导问题耦合求解的研究尚不多见。 本文建立简单而有效的模型模拟了冷刀内流动过程，研究不同冷刀的入口条件对其 冷冻特性的影响。本研究结果可为冷刀的优化设计、低温手术过程的控制提供理论参考。 2物理模型和数学方程 图l是肿瘤利冷刀的示意图。液氮从内管(1)流入，从内管(1)和外管(2)之间的环形 J豆米和5厘米。 区域流出。肿瘤(5)和周同组织(6)的、|，．径分别为l 考虑剑液氮流进冷刀之前，已经流过一根很艮的传输管，所以冷刀液氮进口状态随 着时间变化。随着周同组织逐渐冷却卜．米，冷刀内的液氮流动状态可以相继分为气体流， 然后液滴流，最后是两相环状流。为了简化计算，我们仅仅考虑液氮从内管流入冷刀剑 液氮流出冷刀这部分。然后根据不同的预先设定的进口条1j，|：米模拟该过张。 冈为内管罐的内外温度芹}艮小，假设内管髓绝热。在计算气体流和液滴流时，在冷 刀内边界应川无滑移假设。．_二种流动状态分划描述如卜．： 785 ，夕气体流：川连续性方程，动量守恒方程-II和能量守恒方程米计算冷刀中的低温气 态氮气流动。冈为气体流动速度小丁lOOm／s，马赫数小丁．0．4，所以气体可以被看作不 可压缩理想气体。雷诺数人丁．104，所以流动为湍 流，选择“￡模Ⅱ!米描述。山口压力为一个人气压， 气体的进口温度和速度条件为预先设定的值。 刀液滴流：随着传输管中氮气温度逐渐降低， 在进入冷刀进口的流体中，会渐渐出现液滴。液、 气两相共存时，流体的温度保持在沸点。在Fluent 中，当流体的空泡比在0．9剑1之间时，就设定为 液滴流，并且假设液滴在流体中均匀分布。 我们采川离散相模型(DPM)，通过求解流动方