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

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng
2.

TS. Nguyễn Thành Văn

1. Hoàng Ngọc Đồng, Nguyễn Bốn, Lê Minh Trí (2014), “Quá
trình truyền nhiệt, truyền chất không ổn định với biên di động
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
Tiến sĩ kỹ thuật cấp Đại học Đà Nẵng họp vào ngày 28
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.

quản máu và các chế phẩm từ máu”, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ- ĐHĐN, số 2(87). 2015.


24

1

Kiến nghị
1. Cần có nghiên cứu thực nghiệm về hệ thống lạnh Cryo trước

MỞ ĐẦU
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
cho các bệnh nhân ở Việt Nam.
3. Bảng thông số vật lý cơ bản của các vật liệu thông dụng

- Sản xuất môi trường lạnh để bảo quản các sản phẩm lạnh y tế

như: hóa chất sinh phẩm, chế phẩm từ máu, tế bào gốc phục vụ việc
khám chữa bệnh trong các bệnh viện.

chưa tra cứu được ở phạm vi nhiệt độ thấp. Nếu được phát triển bổ
sung sẽ tạo ra được một nguồn dữ liệu không những cung cấp cho kỹ
thuật Cryo mà còn cho nhiều ngành nghiên cứu khác.

- Sử dụng phẫu thuật lạnh trong việc tiêu diệt các tế bào ung
thư.
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
là một kỹ thuật mới, hiện đại có hiệu quả cao. Kỹ thuật này sử dụng

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
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
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

sở, quan trọng để các nhà y khoa nghiên cứu xây dựng phác đồ điều
trị bệnh, cũng như các nhà cơ khí chế tạo nghiên cứu sản xuất ra thiết
bị phẫu thuật lạnh.
3. Xây dựng phần mềm để tính các thông số khi cấp đông cục
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
4.3.4.2. Kết quả đo kích thước lớp băng tạo ra
Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,53%

3
- Trong công nghệ phẫu thuật lạnh, tác giả chỉ nghiên cứu quá
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

băng và kim tạo trụ băng) hoạt động tốt, đảm bảo yêu cầu đề ra.

nghiên cứu chế tạo sản xuất thiết bị phẫu thuật lạnh.
- 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
trường thực nghiệm, các thông số vật lý (c, l, r .v.v) chưa có số liệu
chính xác để tính toán.
4. Thân kim lạnh đảm bảo cách nhiệt, không làm ảnh hưởng
đến vùng tế bào khi kim lạnh xuyên qua.
5. Cần có những nghiên cứu thực nghiệm trên cơ thể sống
trước khi áp dụng vào điều trị bệnh thực tế.

4. Phương pháp nghiên cứu

Luận án được tiến hành dựa trên hai phương pháp: nghiên cứu
lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm.
5. Bố cục luận án
Nội dung chính của luận án gồm: 142 trang chính với 5
chương, 31 bảng, 50 hình, 102 tài liệu tham khảo, 4 phụ lục. Các
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
1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Cryo
1.2. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ
bảo quản sản phẩm lạnh y tế

2

6
Loíng N

A

1

2
3

2
5

A

d1(0,7 x 0,15 x 70)
d 2(3,0 x 0,2 x 70)

1.3. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ

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

sản phẩm lạnh y tế theo hướng tập trung tại trung tâm bảo quản lạnh.
- Các bệnh viện có nhu cầu sử dụng nhiều chế độ làm lạnh để
bảo quản sản phẩm lạnh y tế. Các chế độ nhiệt cụ thể gồm: 240C;
40C; -350C; -860C; -1960C.

nghiệm
1. Ống inox dẫn lỏng môi chất vào 2. Ống bằng bạc dẫn môi chất ra
3. Đầu kim lạnh
5. Van điều chỉnh cấp lỏng vào
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

- Để giải quyết bài toán truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế
bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo, các nhà nghiên cứu trên thế giới đều sử
dụng phương pháp số kết hợp sự trợ giúp của máy tính;
- Ở Việt Nam, các bệnh viện đã sử dụng thiết bị áp lạnh để

6. Bầu chứa lỏng đo nhiệt độ hơi ra

4.2.2. Công tác chuẩn bị

à Ứng dụng phẫu thuật lạnh để tiêu diệt tế bào ung thư:
ung thư.

4. Tay cầm thao tác bằng plastic

4.2.4.1. Kết quả đo độ trễ nhiệt của thiết bị kim tạo trụ băng

Thời gian trễ nhiệt của thiết bị kim tạo trụ băng ttrễ trụ = 2,9 s.
4.2.4.2. Kết quả đo kích thước trụ băng tạo ra
Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,60%
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.
4.1.4.2. Kết quả đo kích thước cầu băng tạo ra
Sai số trung bình giữa lý thuyết và thực nghiệm đạt 4,56%
4.1.4.3. Kết quả kiểm tra cách nhiệt giữa kim lạnh và môi trường
Sau nhiều lần thực nghiệm, ta nhận thấy thân kim lạnh hoàn
toàn không bị bám tuyết.
4.1.5. Luận bàn kết quả
4.2. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo trụ băng
4.2.1. Chế tạo kim tạo trụ băng
Ống 1 được vát nhọn đầu, một đầu được nối với van điều
chỉnh cấp lỏng vào 5, một đầu được đặt tự do trong ống 2, tiếp giáp

2.1.2.2. So sánh bảo quản sản phẩm lạnh y tế theo hướng tập trung và
phân tán
2.1.2.3. So sánh hệ thống lạnh Cryo và các thiết bị lạnh đơn chiếc
2.1.3. Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo
Chúng tôi đề xuất hệ thống lạnh Cryo tại các bệnh viện Việt
Nam có những đặc điểm sau (hình 2.2):
Phòng điều hòa 240C : Sử dụng máy điều hòa không khí để
làm mát.

Kho lạnh, kho đông, tủ đông âm sâu và bình lạnh Cryo: Sử
dụng chu trình Pictet để cấp lạnh cho 4 chế độ lạnh gồm : 40C; -350C,
-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

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRUYỀN

13

BHN1

15

14

12

THUẬT LẠNH CRYO

22

BTG1

VTL1

NHIỆT KHI CẤP ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ

BTD1

MN1

11

16

4.1. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo cầu băng

0

-10 C

V1
kho laûnh
0
4 C

BHN2

23

BCHA2

Táöng 1

26
25 VTL2

4.1.1. Chế tạo kim tạo cầu băng
4.1.1.1.Tham khảo các mẫu kim tạo cầu băng trên thế giới

24

4.1.1.2. Thiết bị kim tạo cầu băng thực nghiệm
Håi N

0

-40 C

kho âäng

V2
21

0

-35 C

khäng khê
5A

MN2

Loíng N

5B

2

A

1

3

2

4
5

2

0

-40 C

33

BHN3

10

6

32

TBTDN3

9

36
34

VTL3

35

Táöng 2
V3

BCHA3

0

-90 C

tuí âäng
0
-85 C

31

8

A
d1(0,7 x 0,15 x 70)
d 2(2,0 x 0,2 x 70)
d 3(3,0 x 0,2 x 70)

7

A-A

MN3

BTD3

5C
0

-90 C

TL

43

TBTDN4
MN4

41

42

BHN4 Táöng 3

46

45

VTL4

TBTDN5

BTD4
54

44

4D

0

-150 C
55

VTL5
BPL

MN5

56

Loíng khäng khê

52

MN6

53

Táöng 4

BTD5
51

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh Cryo

Hình 4.3. Sơ đồ kết cấu của thiết bị kim tạo cầu băng
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

5. Đầu kim lạnh làm bằng bạc

6. Khoang làm lạnh

7. Mối hàn bằng đồng thau

8. Tay cầm thao tác bằng plastic

9. Van điều chỉnh cấp lỏng vào 10. Bầu chứa lỏng đo nhiệt độ hơi ra
Một đầu ống 1 được nối với van 9, một đầu được đặt tự do
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

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

ống 1 vào khoang làm lạnh 6. Hơi nitơ sinh ra cùng với lỏng còn lại


18
3.4. Kết luận chương 3

7
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
quan hệ giữa các đại lượng được biểu thị rõ ràng, minh bạch;
3. Lập công thức tính các thông số trong quá trình cấp đông
cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
4. Thiết kế được phần mềm tính toán các thông số trong quá
trình đông lạnh nhanh tế bào khi sử dụng thiết bị phẫu thuật lạnh.
5. Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức đã được thiết lập
trong tính truyền nhiệt đông lạnh nhanh theo hướng từ vỏ vào tâm vật
ẩm.

Môi chất được MN3 nén lên BTD3, qua TBTDN3, qua BHN3,
qua VTL3 cấp lỏng cho BCHA3. Lỏng trong BCHA3 vừa cấp lỏng
làm lạnh tủ đông, vừa làm lạnh TBTDN4, phần hơi sinh ra sẽ đi qua
BHN3 sau đó được hút về MN3.
2.1.3.3. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 3
Tầng 3 có nguyên lý làm việc tương tự như tầng 2.

2.1.3.4. Nguyên lý làm việc chu trình lạnh tầng 4
Không khí được hút vào ở trạng thái 5A, qua TBTDN3 làm
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

Tính thông số quá trình đóng băng

2.3.4. Tính chọn máy nén cho hệ thống lạnh
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
Xuất kết quả

lạnh khác nhau phục vụ nhu cầu bảo quản sản phẩm lạnh y tế cho các
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.
Ta sẽ giải các bài toán xác định thời gian để tan giá và làm ấm

Trong chương này, tác giả đề xuất giải bài toán truyền nhiệt
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 <f

phương pháp số là 2,81%.
3.2. Xây dựng phần mềm tính các thông số trong quá trình cấp
đông nhanh tế bào

Håi N

2

Håi N

Håi N

2

2

Ta đã lập được các công thức tính các thông số trong quá trình
đóng băng hóa rắn tế bào. Các công thức này khá phức tạp, trong đó
có các phương trình chỉ giải được bằng phương pháp gần đúng.
Trong phần này, tác giả sẽ thiết kế một phần mềm để tính toán các
thông số trong quá trình cấp đông nhanh tế bào bằng kỹ thuật lạnh

Cryo.
3.2.1. Sơ đồ khối
Sơ đồ khối phần mềm tính các thông số khi cấp đông nhanh
được biểu diễn trên hình 3.17. Quá trình tính toán sẽ lần lượt từ nhập
số liệu, tính các thông số trong quá trình đóng băng tế bào, tính thời
gian cần thiết cấp lỏng cho thiết bị phẫu thuật lạnh, cuối cùng xuất
kết quả và kết thúc.

a

caïch nhiãût
chán khäng

v

v

v
b

c

Hình 3.3. Bố trí thiết bị khi cấp đông nhanh tế bào
Cho vật ẩm có độ ẩm w, khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng
c, nhiệt độ ban đầu t1, tiếp xúc với vách lạnh bằng kim loại mỏng
dạng phẳng hoặc trụ hoặc cầu có bán kính r0. Mặt vách được làm lạnh
bởi môi chất lỏng lạnh sôi, bay hơi ở nhiệt độ tf << t0 = 00C, lớp băng
bao quanh vách có nhiệt độ đóng băng t0 và nhiệt hóa rắn rc như của
nước. Cần tìm các thông số đóng băng.

10
3.1.4. Tham khảo phương trình thiết lập khi giải bằng phương

15
f .dx.{(ri .Ci + x .b .Cb .rb )(
. t1 - t0 ) + ri .h.w.rc }=

(t 0 - t f )
æ 1 dd
xö
çç +
+ ÷÷
a
l
l
d
i ø
è

pháp số
3.1.4.1. Thiết bị làm lạnh khi giải bài toán bằng phương pháp số
Phương trình sẽ có nghiệm là:

3.1.4.3. Phương trình truyền nhiệt sử dụng khi giải bài toán bằng
phương pháp số
3.1.5. Xây dựng các giả thiết khi cấp đông nhanh cục bộ tế bào
1. Coi mặt trong lớp băng là biên loại 1, có nhiệt độ không đổi
bằng tf của chất lỏng lạnh đang sôi.
2. Coi quá trình hạ nhiệt độ từ t1 đến t0 và quá trình tỏa nhiệt rc

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 (t ) =

2

æ 1 dd
çç +
è a ld

ö 2 2
æ1 d
÷÷ . A .li + 2. A.t - çç + d
ø
è a ld
A

ö
÷÷. A.li
ø
;

(3.65)

Từ đây có thể suy ra các công thức:
ö
æ
x(-50C) = x(t ).ç1 - 5 ÷

(3.66)

x(-100C) = x(t ).æç1 - 10 ö÷

(3.67)

ç
è

ç
è

băng chuyển pha ra môi chất lạnh trong thời gian vô cùng bé dt là ổn
định.

,[J]

(3.64)

3.1.4.2. Thông số vật lý vùng khảo sát khi giải bài toán bằng phương
pháp số

. f .dt

t f ÷ø
t f ÷ø

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

+ Trng nhit vi rẻ(r0,r(t))

(t

x dx

- t0 )

ổ 1 1ử,
t(r,t) = t f ỗ - ữ
(1 / r0 - 1 / r (t )) ỗố r0 r ữứ

f

(3.63)

3.1.9. Quỏ trỡnh to bng khi phun mụi cht lng lờn b mt da
Xột lp da cú dy dd, h s dn nhit ld; t bo di da cú

Bng r( t )

Bng r( t)

Bng x( t)

(r ,t ,r , l,t ,r(t ))

(0,t ,r ,l ,t ,x(t))

(r ,t ,r , l,t ,r(t ))

h s dn nhit li (hỡnh 3.11). B mt ngoi ca lp da c lm lnh
bi mụi cht lnh cú nhit tf v h s ta nhit a. Hóy xỏc nh

a

c

b

chiu dy lp chuyn pha x(t); chiu dy lp bng t c ti nhit
Hỡnh 3.9.Phỏt biu hỡnh hc ca 3 bi toỏn biờn húa rn trong t bo

(3.44)
f .dx.{(ri .Ci + x .b .Cb .rb )(
. t1 - t0 ) + ri .h.w.rc } = l i (t 0 - t f ). f .d t ,[J]

-100C (x(-100C)) v -50C (x(-50C)).

x

x dx

Trong ú:
i
a

l ;x

Hỡnh 3.11. Phỏt biu hỡnh hc bi toỏn phun mụi cht lng lờn b
mt da
Do lp da khụng cú nhit n húa rn, nờn ta ch xem nh mt
lp cỏch nhit cú chiu dy dd, h s dn nhit ld.
Ta cú th phỏt biu: Nhit ta ra ca lp bng chuyn pha dV
= Nhit truyn qua vỏch bng dy x, truyn nhit qua lp da dy dd,
ta ra mụi trng lnh cú h s ta nhit a. Phng trỡnh toỏn hc
c vit l:

Ci, ri, li - thụng s vt lý ca t bo;

Bng x (t )

l ;d

- loi t bo ang kho sỏt;

Cb, rb

- thụng s vt lý ca mỏu;

x,h
b = 7%

- h s ph thuc loi t bo ang kho sỏt;
- t l khi lng mỏu trong c th ngi.

t

x

0

0

ũ dt = ũ
vi A

(ri .Ci + x .b .Cb .rb )(. t1 - t0 ) + r i .h.w.rc .x.dx đt(x)=
li .(t0 - t f )

(ri .Ci + x .b .Cb .rb )(. t1 - t0 ) + ri .h.w.rc
li .(t0 - t f )

Hm ngc ca t(x) cú dng x(t) =
+ Vn tc: v
+ Gia tc a

dx
1
=
=
dt A.x (t )

2t
A

A 2;
x
2

(3.45)

,[s/m2]

(3.46)

, [m].

(3.47)

1 ,[m/s]
2. A.t

2
-1
dv
=
< 0 ,[m/s ]
dt 2 2 At 3

+ Trng nhit khụng n nh trong lp bng:

(3.48)
(3.49)


13

12
t(x,t) = t f - (t f - t0 ) x , [0C]

(3.50)

x(t )

3.1.8. Quá trình tạo cầu băng trong vật ẩm
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:
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 2 ln r - r 2 + r02 ) ,[s] ;
4

r0

(3.57)
(3.58)

(3.51)

t(r)= A ( 2r 3 - 3r .r 2 + r 3 ) ,[s];
0
0
6.r0

(3.52)

Hàm ngược của t(r) là là phương trình bậc 3 có dạng:

-1

Hàm ngược của t(r) là r(t) = t (r) có thể mô tả ở dạng một
bảng số.

r3 -

3r0 2 æ r03 3r0t
r + çç 2
A
è2

ö
÷÷ = 0 , đặt r

ø

x+

r0
, phương trình có dạng
2

2

+ Vận tốc v= dr =
dt

-1

æ
r ö
çç A.r . ln ÷÷ , [m/s]
r0 ø
è

+ Gia tốc a = dv = 2- ln (e.r / r0 ) 3 < 0, [m/s2]
dt A ( r. ln(r / r0 ))

(3.53)
(3.54)

động, tại r Î(r0,r(t)) có dạng:
- t0 )

r
t(r,t) = t f ln ;
ln(r (t ) / r0 ) r0
f

è2ø

è

A ø

p = - 3 r02 / 4 ,[m2] và q = r03 - 3 r0t / A

+ Trường nhiệt độ không ổn định trong vách băng đang di

(t

x3 + px + q = x 3 - 3æç r0 ö÷ x + æç r03 - 3r0t ö÷ = 0 , trong đó

(3.55)

q(t), [m3].

(3.59)

Dùng công thức Cardano, có thể mô tả nghiệm r(t) ở dạng:
r(t) = 3

2

- q(t )
æ q (t ) ö æ p ö
+ ç
÷ +ç ÷
2
è 2 ø è3ø

+ Vận tốc v=

+ Gia tốc a =

3

+

2

3

- q (t )
æ q(t ) ö æ p ö
- ç
÷ +ç ÷
2
è 2 ø è3ø

3

+ r0 , [m]; (3.60)

dr
r0
=
,[m/s]
dt A.r.(r - r0 )
dv
r 2 .(2.r - r0 )
= - 20 3
,[m/s2]
dt
A .r .(r - r0 )3

2

(3.61)

(3.62)