Využití nízkých teplot doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D. Rozman J a kol. Elektronické přístroje v lékařství, Academia 2006. Low J., Reed J.: Physical Principles Explained, Elsevier, 2006 Navrátil L, Rozina J a kol.: Medicínská biofyzika, Grada Publishing, 2005 Teplotní izokřivky 2 Vnímání a účinek teplot 3 Chladové receptory – 250 000 Tepelné receptory – 30 000 Vliv nízkých teplot na člověka • Podchazení telepného obalu, později i jádra • Změna krevního oběhu (vyšší tep) • Nižší tep – bradykardie • Změny funkce ledvin • Změna funkce CNS • Mizí reflexy – útlum – spánek • Kritická teplota – 28°C • Smrtelná – 20°C 4 Vliv nízkých teplot • Místně aplikovaný chlad • Zmírňuje bolest • aplikace kapaliny (vypařování 4-5°C), ledové obklady • Snížené teploty pacienta v průběhu operace (operace srdce) 5 Ztráty tepla v organismu •Přímé ztráty tepla • Vyzařování – radiace - IR • Vedení • Proudění •Nepřímé ztráty • Odpařování z plic • Pocení 6 Kryochirurgie • využití nízkých teplot • nekrvavá destrukce zhoubných nádorů, • účinnost zákroku rychlost zmrazování, dosažená hloubka zmrazení. • chirurgický výkon • skalpel – mechanicky, • využití nízkých teplot, • využití vysokofrekvenčních proudů, • záření laserů 7 Fyziologické účinky nízkých teplot • kryodestrukce patologických tkání (zpravidla tumorů) • nekrvavý a bezbolestný výkon. • nevratné změny ve struktuře buněk – (nekrotizace) snížení teploty živé tkáně pod -13oC (260K) • kryochirurgické výkony: -20 ÷ -40oC, • účinnost kryodestrukce • rychlost podchlazení léze zmrazení by mělo proběhnout rychleji než -200oC/min., • pomalý ohřev na teplotu těla ohřev však pomaleji než +10 oC/min. 8 Typický průběh teploty při kryodestrukci 9 Fyziologické účinky nízkých teplot • rychlé zmrazení  zmrzne intra i extracelulární tekutina. • ledové krystaly v buňkách, • zvýší se koncentrace rozpuštěných látek až k toxickým hodnotám • změna pH, • denaturace fosfolipidů v buněčných membránách, • zastavení pohybu protoplazmy, • další poškození buněk. • pomalé oteplování  rekrystalizují větší krystaly v buňkách na úkor menších až do velikostí mechanicky narušujících celistvost buněčných membrán, • prodlužuje se doba toxického působení koncentrovaných roztoků, • několikrát opakovat mrazící cyklus (pravděpodobnost přežití 10-5 ÷ 10-4 procent maligních buněk) • fyziologické podchlazování biologických tkání: ve tkáňových bankách se aplikuje rychlost mrazení - 1oC/min. (zpravidla na teplotu -150 oC) rozmrazování rychlostí 50 ÷ 70 oC/min. 10 Důsledky zmrazení tkáně • adhezivní efekt • pevné přilnutí povrchu operační koncovky - kryody ke tkáni, • tento jev mizí při teplotách pod -80 oC, • hemostatický efekt • trombotické uzavření kapilár, rána nekrvácí, velké cévy (průměr nad 1 mm) jsou však při zákroku intaktní (nedotčené), • analgetický efekt • při rychlém podchlazení je výkon bezbolestný, při ohřevu se dostavuje pocit pálení, • demarkační efekt • projevuje se zřetelnou bílou oblastí při podchlazení – nárůstem ledového útvaru, hloubka zmrazení je o 20 % menší než šířka ledového lemu, • rozlomení zmrazené tkáně • zabráníme vyloučením i náznaku páčení, • rána by začala krvácet 11 Základní biofyzikální poznatky • rychlý termodynamický proces, • maximální dosažitelná hloubka zmrazení při zákroku je 8 ÷ 10 mm, • zmrazování patologického útvaru probíhá vedením tepla z jeho povrchu do přiložené operační koncovky - kryody kryochirurgického nástroje, • při použití vysoce výkonných nástrojů nemusí být dosaženo maximálně možné hloubky rychlého zmrazení, • ~ tepelná vodivost prostoru mezi kryodou a tkání, • dosažitelná hloubka zmrazení: • optimální tepelný kontakt podmínka rychlého zmrazení rychlostí nad 200 oC/min splněna do hloubky 4 mm, • zhoršený tepelný kontakt - (např. nedotaženou kryodou) je podmínka rychlého zmrazení splněna jen těsně pod povrchem tkáně. 12 Průběh zmrazování • neúčinné - odlomení kryody od tkáně během zmrazování (nepatrným bočním pohybem nástroje) chladicí rychlost prudce poklesne  • kontrola tepelného kontaktu i během zákroku • rychlost ochlazování nástroje je závislá jak na velikosti odváděného tepla, tak na tepelných vlastnostech nástroje: • teplota výměníku tepla, • účinnost výměníku tepla, • teplota par N2, • množství chladiva, • měrné teplo materiálu kryody. 13 Průběhy rychlostí zmrazování 14 Hloubka zmrazené tkáně teplota x čas 15 Technické řešení kryokauteru • zmrazení patologické tkáně • přímým stykem chladiva ve formě plynu nebo kapaliny s tkání, • nepřímým, zprostředkovaným dotykem chlazené kovové operační koncovky - kryody kryochirurgického nástroje s tkání. • v klinické praxi je v současné době využíván nepřímý způsob umožňující přesné vymezení místa i rozsahu zákroku včetně kontroly jeho průběhu realizace: • expanzí stlačeného plynu, • průtokem chladicí kapaliny. 16 Chlazení průtokem chladicí kapaliny • využívá se uzavřený okruh cirkulace chladicí kapaliny, kterou je kapalný dusík (LN2). • operační koncovka - kryoda -196°C, • nekrotizace tkáně nastává až do hloubky 10 mm, • konstrukční provedení může být s: • autonomním malým zásobníkem • dislokovaným velkým zásobníkem. 17 Autonomní systémy • zásobník LN2: • součást kryochirugického přístroje, • obvykle 0,1 ÷ 0,3 l, (jeden výkon), • s přetlakem 10 ÷ 60 kPa, • pohyblivost nástroje je omezena jen kabelem pro připojení k elektronické řídící a indikační jednotce, • větší hmotnost přístroje, • systém je tlakově bezpečný, • omezené (přípustné) polohy operačního nástroje, • výhodou je rychlejší nástup mrazení 18 Systémy s dislokovaným zásobníkem • zásobník LN2: • s přetlakem až 0,8 Mpa, • objem 5 ÷ 30 l (celý operační den), • operačním nástrojem je spojen 1,5 ÷ 2 m dlouhým ohebným potrubím s dokonalou tepelnou izolací – vakuový vlnovec, • malá hmotnost operačního nástroje, • snížená pohyblivost operačního nástroje podmíněná vlnovcem, • pomalý nástup chlazení, • vysoká hodnota pracovního přetlaku (bezpečnost provozu). 19 • kryochirurgický výkon – nutno zajistit: • všechny části operačního nástroje, kromě kryody, jsou na teplotě těla (izolace vakuem), • kryoda je celou svou plochou v kontaktu s biologickou tkání, • proces mrazení i ohřevu je plně řízen a indikován. • tvary kryod se volí s ohledem na strukturu a velikost tumoru, • při endoskopických výkonech bývají průměry kryod 2 ÷ 8 mm, • u povrchových lézí pak 14 ÷ 30 mm, • tvary kryochirurgických nástrojů respektují klinickou aplikaci. 20 Autonomního kryochirurgický systém části: • tepelně izolované vedení pro páry N2 (vakuově těsné), • dva tepelné výměníky, • kryoda, • zásobník. 21 Konstrukční provedení kryokauteru • tepelné výměníky TV1 a TV2 • tvořené válcovými měděnými síťkami orientovanými kolmo ke směru proudění chladiva, • k ohřevu slouží topná vinutí výměníků, • odporové teploměry T1 a T2 – teplota výměníků, • kryody - operační koncovky - jsou výměnné, umístěné na čele vakuového pouzdra, • zásobník s vakuovou izolací je opatřen pojistným přetlakovým ventilem PV. 22 Funkce kryokauteru : • Otevřením elektromagnetického ventilu V se uvolní cesta chladicí kapalině, která je tlakem par nad hladinou vytlačována přepouštěcí trubičkou T k tepelnému výměníku TV1. Prostorem mezi trubičkou a výstupní trubkou jsou páry dusíku odváděny do atmosféry. Vedeny jsou přes druhý tepelný výměník TV2 a jejich teplota se řídí tak, aby z přístroje vystupoval plynný dusík jen o pokojové teplotě, měřeno teploměrem T2. • Ventil V zůstává otevřen tak dlouho, dokud teplota výměníku TV1, měřená teploměrem T1, neklesne na předem nastavenou teplotu pomocí regulátoru v řídící a indikační jednotce. Po dosažení nastavené teploty je ventil V vypnut a mrazení se zastaví. Teplota tkáně se při výkonu měří vpichovým externím teploměrem VT. Přístroj lze naklánět o ± 60o a kdykoliv měnit jeho funkci v předvolených tepelných režimech kryody. 23 Aplikace • rakovina prostaty • vědci zjistili, že až 97% všech pacientů, kteří prošli kryochirurgií, po dobu dvou let nevykázali žádné známky nemoci. • kryochirurgie může být vhodnou metodou pro ty pacienty, u kterých selhala klasická radioterapie. • ~ 30 % pacientů - nereaguje na primární radioterapii, •  odebrání prostaty (velmi často vede k inkontinenci a impotenci), •  hormonální léčba většinou oddaluje rozvoj nemoci, ale vlastní rakovinu nevyléčí, 24