低温手术过程中的数值仿真及其损伤机理的研究
肿瘤作为人类健康的头号杀手，目前肿瘤的治疗依然没有被攻克。近年来，据世界卫生组织报告，全球范围内每年都有近千万人死于各种癌症。低温手术技术以其微创性，靶向性，成本低，恢复快等优势，越来越多的被应用于各种癌症的临床治疗。然而，目前低温手术并没有成为肿瘤治疗的常规疗法，更多时候是作为肿瘤治疗的一种替代疗法。究其原因主要有以下几个方面:
当肿瘤较大或者肿瘤附近有大血管网存在时，低温手术的冷冻效率往往比较低，不能彻底的杀死全部的病变组织，从而造成术后复发率较高的问题;
低温手术临床实施时缺乏对冷刀杀伤范围的实时监测，对低温手术方案的杀伤能力也缺乏精准的预测;
对于低温下癌细胞的响应以及癌细胞低温下损伤机理的研究和认识还不够深刻。
鉴于目前低温手术存在的上述问题，本文应用有限元方法求解了低温手术过程中热显著性血管和热显著性血管网络与生物组织之间的共轭传热问题;结合胞内冰成核理论，提出利用胞内冰成核率(PIF)作为低温手术杀伤效率的评价准则;实验研究了Hela细胞低温下胞内冰成核的现象，完成了研究细胞低温响应所需的低温下NaCL-DMSO-H2O三元溶液粘度的测试工作。
具体来说，本研究主要包含以下几个方面:
本文成功把单调迎风格式的有限元方法应用于低温手术过程中大血管与生物组织间共轭传热问题的数值求解;基于分形理论构造了一个热显著性血管树形网络，完成了该血管网络与组织共轭传热问题的数值求解，并讨论了热显著性血管网络对于传统低温手术和纳米低温手术冷冻效率的影响。结果显示:血管网络对于传统低温手术方案和纳米低温手术方案都有明显的加热效应，这种血管网络的加热效应在纳米低温手术中表现的更为明显。
本文基于胞内冰成核理论，计算了低温手术过程中肿瘤内部胞内冰成核率(PIF)的发展情况。提出利用PIF作为评价低温手术效率的准则。本文利用PIF分析了热显著性血管网络影响下的传统低温手术和纳米低温手术的杀伤效率，结果表明:在大血管网络存在时，纳米低温手术能够更有效的杀死肿瘤组织，同时也说明，利用PIF来衡量低温手术的效率是可行的，方便的。
本文利用低温显微镜系统实验研究了癌细胞在不同降温速率胞内冰的成核现象;使用胞内冰成核方程对胞内冰成核实验数据进行数值拟合，得到了计算癌细胞胞内冰成核所必须的热力学成核参数，动力学成核参数等生理参数;利用低温水浴系统和旋转粘度计测量了NaCL-DMSO-H2O三元溶液从室温到-40℃下的粘度数据，为深入研究细胞失水和细胞胞内冰成核提供了数据支持。
总的来说，本文对于低温手术方案的精准数值预测做了有益的探索。本文所开展的低温下癌细胞的胞内冰成核研究和NaCL-DMSO-H2O三元溶液粘度的测试，为进一步研究低温下细胞的损伤机理提供了数据支持，填补了相关的空白。
低温手术;数值仿真;损伤机理;癌细胞;有限元方法
中国科学技术大学
博士
流体力学
杨基明;赵刚
2013
中文
R730.56
105
2013-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）