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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng- năm 2015


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Công nghệ và Thiết bị lạnh
Mã số: 62.52.80.05

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

Đà Nẵng- năm 2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan luận án tiến sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Đà Nẵng, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận án

LÊ MINH TRÍ


ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
BCHA
BH

Diễn giải
Bình chứa hạ áp
Bay hơi

BHN

Bình hồi nhiệt

BPL

Bình phân ly

BTD

Bình tách dầu

BTG

Bình trung gian

HN

Hồi nhiệt

MGN

Máy giãn nở

MN

Máy nén

NT

Ngưng tụ

TAC

Tuabin cao áp

TAT

Tuabin thấp áp

TBTDN
TĐN
TL

Thiết bị trao đổi nhiệt
Trao đổi nhiệt
Tách lỏng

VTL

Van tiết lưu

R

Chiều rộng

D

Chiều dài

C

Chiều cao

SPLYT

Sản phẩm lạnh y tế như: hóa chất sinh
phẩm, chế phẩm từ máu, tế bào gốc


iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT

KÝ HIỆU

TÊN ĐẠI LƯỢNG

1

C

Nhiệt dung riêng của tế bào

2

r

Nhiệt hóa rắn của tế bào

kJ/kg

3

r

Khối lượng riêng của tế bào

kg/m3

4

l

Hệ số dẫn nhiệt của tế bào

W/m.K

5

Cb

Nhiệt dung riêng của máu

kJ/kg.K

6

rb

Khối lượng riêng của máu

kg/m3

7

l

Công nén riêng

kJ/kg

8

p

Áp suất

bar

9

t

Nhiệt độ

0

10

e

Hệ số lạnh

11

v

Thể tích riêng

m3/kg

12

q0

Năng suất lạnh riêng

kJ/kg

13

p

Tỷ số nén

14

l0

Công nén riêng

kJ/kg

15

qk

Năng suất nhiệt tải

kJ/kg

16

m

Lưu lượng môi chất

kg/s

17

t

Thời gian

giây

18

ω

Độ ẩm toàn phần

%

20

t(x,t)

Trường nhiệt độ

-

21

tf

Nhiệt độ môi chất

0

C

22

t1

Nhiệt độ ban đầu của vật

0

C

23

CA, HA

24

v

Vận tốc đóng băng

m/s

25

a

Gia tốc đóng băng

m/s2

26

hs

Hệ số tỏa nhiệt giữa lỏng nitơ và không khí

W/m2K

27

x,h

Hệ số phụ thuộc loại tế bào đang khảo sát.

-

Cao áp, hạ áp

ĐƠN VỊ
kJ/kg.K

C
-

-

-


iv

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài: ................................................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................................. 4
6. Bố cục luận án ....................................................................................................................................... 5

7. Những đóng góp mới của luận án ................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................7
1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Cryo .............................................................................................. 7
1.1.1. Khái niệm ..................................................................................................7
1.1.2. Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật lạnh Cryo .........................................7
1.1.3. Các phương pháp hóa lỏng khí .................................................................9
1.1. 4. Các loại khí hóa lỏng thông thường: ......................................................17
1.2. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ bảo quản sản phẩm
lạnh y tế ....................................................................................................................................................... 18
1.2.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới .....................................18
1.2.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam ...................................24
1.2.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ....................................................25
1.3. Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong công nghệ phẫu thuật lạnh ...... 25
1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới .....................................25
1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam ...................................32
1.3.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ....................................................32
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................................................... 32
Chương 2: ĐỀ XUẤT CHU TRÌNH HỆ THỐNG LẠNH CRYO CHO CÁC
BỆNH VIỆN VIỆT NAM .......................................................................................34
2.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện Việt Nam ........................... 34


v
2.1.1. Giới thiệu thực trạng ...............................................................................34
2.1.2. Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo ........................................................35
2.1.3. Nguyên lý làm việc hệ thống lạnh Cryo .................................................38
2.2. Thông số trạng thái tại các điểm nút và thông số kỹ thuật của hệ thống ............... 42
2.2.1. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 4 .........................................42
2.2.2. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 3 .........................................43
2.2.3. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 2 .........................................44

2.2.4. Thông số trạng thái của chu trình lạnh tầng 1 .........................................45
2.2.5. Đồ thị T-s và thông số kỹ thuật của hệ thống lạnh Cryo ........................47
2.3. Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế ............................... 48
2.3.1. Nhu cầu tải lạnh tại Bệnh viện Trung ương Huế ....................................48
2.3.2. Cấu tạo và kích thước các thiết bị bảo quản lạnh ...................................50
2.3.3.Tính phụ tải nhiệt tại các tầng của hệ thống lạnh ....................................52
2.3.4. Tính chọn máy nén cho hệ thống lạnh ....................................................54
2.3.5. Tính chọn các thiết bị phụ trợ .................................................................54
2.3.6. Vận hành hệ thống lạnh Cryo .................................................................55
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................................................... 55
Chương 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT KHI CẤP ĐÔNG
CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ THUẬT CRYO ....................................................56
3.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán các thông số trong quá trình cấp đông cục
bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo ................................................................................................... 56
3.1.1. Lý thuyết tổng quan về các quá trình chuyển pha ..................................56
3.1.2. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm ......................................................61
3.1.3. Phát biểu bài toán truyền nhiệt khi cấp đông nhanh tế bào ....................73
3.1.4. Tham khảo phương trình thiết lập khi giải bằng phương pháp số ..........75
3.1.5. Xây dựng các giả thiết khi cấp đông nhanh cục bộ tế bào ......................79
3.1.6. Quá trình tạo băng trên bề mặt phẳng tế bào bán vô hạn ........................85
3.1.7. Quá trình tạo trụ băng trong tế bào .........................................................87
3.1.8. Quá trình tạo cầu băng trong tế bào ........................................................89


vi
3.1.9. Quá trình tạo băng khi phun môi chất lỏng lên bề mặt da ......................91
3.1.10. Khảo sát và so sánh các quá trình tạo băng trong vật ẩm .....................92
3.1.11. Xác định thời gian cấp lỏng cho thiết bị phẫu thuật lạnh .....................93
3.1.12. Xác định thời gian tan giá và làm ấm ...................................................95
3.1.13. So sánh kết quả tính giữa phương pháp giải tích và phương pháp số...99

3.2. Xây dựng phần mềm tính các thông số trong quá trình cấp đông nhanh tế bào
....................................................................................................................................................................... 103

3.2.1. Sơ đồ khối .............................................................................................103
3.2.2. Nhập số liệu...........................................................................................103
3.2.3. Chương trình tính các thông số .............................................................106
3.2.4. Xuất kết quả ..........................................................................................110
3.3. Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức tính truyền nhiệt đã thiết lập ............... 112
3.3.1. Tính truyền nhiệt khi cấp đông nhanh theo chiều từ vỏ vào tâm vật ẩm
.........................................................................................................................112
3.3.2. Các trường hợp áp dụng trong thực tiễn ...............................................114
3.4. Kết luận chương 3 ........................................................................................................................ 114
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT KHI CẤP
ĐÔNG CỤC BỘ TẾ BÀO BẰNG KỸ THUẬT CRYO.....................................115
4.1. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo cầu băng ..................................................................... 115
4.1.1. Chế tạo kim tạo cầu băng ......................................................................115
4.1.2. Công tác chuẩn bị ..................................................................................120
4.1.3. Các bài thực nghiệm..............................................................................125
4.1.4. Kết quả thực nghiệm .............................................................................127
4.1.5. Luận bàn kết quả ...................................................................................129
4.2. Thực nghiệm trên thiết bị kim tạo trụ băng ...................................................................... 129
4.2.1. Chế tạo kim tạo trụ băng .......................................................................129
4.2.2. Công tác chuẩn bị ..................................................................................131
4.2.3. Các bài thực nghiệm..............................................................................132
4.2.4. Kết quả thực nghiệm .............................................................................133


vii
4.2.5. Luận bàn kết quả ...................................................................................135
4.3. Thực nghiệm trên thiết bị áp lạnh ......................................................................................... 135

4.3.1. Sử dụng thay thế thiết bị áp lạnh...........................................................135
4.3.2. Công tác chuẩn bị ..................................................................................137
4.3.3. Các bài thực nghiệm..............................................................................137
4.3.4. Kết quả thực nghiệm .............................................................................138
4.3.5. Luận bàn kết quả ...................................................................................140
4.4. Kết luận chương 4 ........................................................................................................................ 140
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................141
Kết luận...................................................................................................................................................... 141
Kiến nghị ................................................................................................................................................... 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Thông số điểm nút chu trình lạnh tầng 4

43

2.2.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 4

43

2.3.

Thông số điểm nút chu trình lạnh tầng 3

43

2.4.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 3

44

2.6.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 2

45

2.5.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 2

45

2.7.

Thông số điểm nút chu trình lạnh tầng 1

46

2.8.

Thông số kỹ thuật chu trình lạnh tầng 1

47

2.9.

Thông số kỹ thuật hệ thống lạnh Cryo

48

2.10.

Danh mục thiết bị lạnh tại Bệnh viện Trung ương Huế

48

2.11.

Thông số kỹ thuật của thiết bị lạnh bảo quản

49

2.12.

Nhu cầu tải lạnh tại Bệnh viện Trung ương Huế

50

2.13.

Phụ tải nhiệt tại các tầng hệ thống lạnh

53

2.14.

Tính chọn máy nén tại các tầng của hệ thống lạnh

54

2.15.

Thông số thiết bị phụ trợ tại các tầng của hệ thống lạnh

54

3.1.

Khối lượng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ (-400C÷ 1500C)

65

3.2.

Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào nhiệt độ (-400C÷ 1500C)

66

3.3.

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ (-400C÷ 1500C)

70

3.3.

Bố trí thiết bị khi cấp đông nhanh tế bào

74

3.4.

Thông số vật lý của tế bào sử dụng trong nghiên cứu

76

3.5.

Thông số vật lý của máu sử dụng trong nghiên cứu

77

3.6.

Giá trị hệ số x,h sử dụng trong nghiên cứu

78

3.7.

Thông số vật lý của tế bào khi khảo sát

84


ix

3.8.

So sánh các thông số tạo băng khi làm lạnh Cryo

93

3.9.

Kích thước lớp băng khi giải bằng phương pháp số

100

3.10.

Kết quả giải bằng giải tích

101

3.11.

So sánh kết quả tính giữa hai phương pháp

101

3.12.

Thông số vật lý của vật liệu

104

3.13.

Nhiệt độ bay hơi của khí hóa lỏng

105

4.1.

Kết quả thực nghiệm đo kích thước cầu băng tạo ra trong vật
ẩm

127

4.2.

Kết quả thực nghiệm đo kích thước trụ băng tạo ra trong vật

ẩm

134

4.3.

Kết quả thực nghiệm đo kích thước lớp băng trên bề mặt vật
ẩm

139


x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Sơ đồ nguyên lý thiết bị hóa lỏng kiểu Pictet

10

1.2.

Sơ đồ hoạt động của thiết bị hóa lỏng Linde

11

1.3.

Sơ đồ thiết bị hóa lỏng Linde không dùng môi chất lạnh trung

12

gian
1.4.

Chu trình thiết bị hóa lỏng Linde

13

1.5.

Sơ đồ thiết bị hóa lỏng Claude

15

1.6.

Sơ đồ thiết bị hóa lỏng Claude có van tiết lưu

16

1.7.

Chu trình thiết bị hóa lỏng Claude có van tiết lưu

16

1.8.

Tủ lạnh Cryo

22

1.9.

Bình bảo quản lạnh Cryo

23

1.10.

Thiết bị áp lạnh

29

1.11.

Thiết bị kim tạo trụ băng

30

1.12.

Thiết bị kim tạo cầu băng

30

2.1.

Chu trình ghép tầng sử dụng môi chất lạnh hỗn hợp

36

2.2.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh Cryo

40

2.3.

Đồ thị LgP-h của chu trình lạnh tầng 4

42

2.4.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 3

44

2.5.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 2

45

2.6.

Đồ thị LgP-h chu trình lạnh tầng 1

46

2.7.

Biểu diễn các quá trình trên đồ thị T-s

47

2.8.

Sơ đồ bình bảo quản lạnh Cryo

50

2.9.

Tủ đông âm sâu

51

2.10.

Sơ đồ kho đông

52

2.11.

Sơ đồ kho lạnh

52


xi
3.1.

Đặc tính t(t) của các quá trình chuyển pha

58

3.2.

Các giai đoạn lạnh đông vật ẩm thông thường

60

3.3.

Bố trí thiết bị khi cấp đông nhanh tế bào

74

3.4.

Thiết bị làm lạnh khi giải bằng phương pháp số

75

3.5.

Thành phần tế bào khi giải bằng phương pháp số

77

3.6.

Giả thiết nhiệt độ lớp biên loại 1

79

3.7.

Giả thiết quá trình hạ nhiệt độ và đóng băng là đồng thời

80

3.8.

Giả thiết dòng nhiệt q là ổn định trong thời gian vô cùng bé

82

3.9.

Phát biểu hình học của 3 bài toán biên hóa rắn trong tế bào

85

3.10.

Trường nhiệt độ không ổn định trong lớp băng đang di động

87

3.11.

Phát biểu hình học bài toán phun môi chất lỏng lên bề mặt da

91

3.12.

Xác định thời gian cấp lỏng điều trị khối u

94

3.13.

Xác định thời gian tan giá và làm ấm

96

3.14.

Đồ thị giải bằng phương pháp số

99

3.15.

Đồ thị so sánh kết quả giữa hai phương pháp tính (t= -50C)

102

3.16.

Đồ thị so sánh kết quả giữa hai phương pháp tính (t= -100C)

102

3.17.

Sơ đồ khối phần mềm tính các thông số khi cấp đông nhanh

104

tế bào
3.18.

Giao diện của phần nhập số liệu

106

3.19.

Lưu đồ thuật toán tính nhiệt thiết bị áp lạnh

107

3.20.

Lưu đồ thuật toán tính nhiệt cho kim tạo trụ băng

108

3.21.

Lưu đồ thuật toán tính nhiệt cho kim tạo cầu băng

109

3.22.

Giao diện kết quả tính thông số đóng băng

110

3.23.

Giao diện kết quả tính trường nhiệt độ

111

3.24.

Mô hình bài toán cấp đông nhanh theo chiều từ vỏ vào tâm

113

vật ẩm
3.25.

Phát biểu hình học bài toán cấp đông nhanh vật ẩm

113

4.1.

Sơ đồ kim lạnh tạo cầu băng kiểu có lỗ phun lỏng

116


xii
4.2.

Sơ đồ kim tạo cầu băng dẫn lỏng qua ống mao

117

4.3.

Sơ đồ kết cấu của thiết bị kim tạo cầu băng

117

4.4.

Tính nhiệt ảnh hưởng của thân kim lạnh

119

4.5.

Thiết bị đo nhiệt độ

121

4.6.

Thước kẹp Interapid Capamsystem®

121

4.7.

Máy siêu âm SONO-8

122

4.8.

Hình ảnh đo thời gian trễ nhiệt của kim tạo cầu băng

123

4.9.

Đo kích thước tạo cầu băng trong thịt bò

126

4.10.

Hình ảnh đo kích thước cầu băng tạo ra trong vật ẩm

127

4.11.

So sánh kích thước cầu băng tạo ra bên trong vật ẩm

128

4.12.

Hình ảnh kiểm tra cách nhiệt của thân kim lạnh

129

4.13.

Sơ đồ thiết bị kim tạo trụ băng

130

4.14.

Sơ đồ kết cấu của thiết bị kim tạo trụ băng thực nghiệm

131

4.15.

Hình ảnh tạo trụ băng trong vật ẩm

133

4.16.

Tiến hành thực nghiệm tạo trụ băng tạo trong vật ẩm

134

4.17.

So sánh kích thước trụ băng tạo ra trong vật ẩm

135

4.18.

Thiết bị áp lạnh kiểu phun môi chất

136

4.19.

Thiết bị áp lạnh kiểu tiếp xúc

136

4.20.

Thực nghiệm tạo băng trên bề mặt vật ẩm

138

4.21.

So sánh lớp băng tạo ra trên bề mặt vật ẩm

139


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của kỹ thuật lạnh Cryo trong
những năm gần đây, việc ứng dụng chúng trong lĩnh vực y tế được đầu tư nghiên

cứu nhờ những đặc tính của kỹ thuật lạnh Cryo mang lại. Với hai ứng dụng chính:
- Sản xuất môi trường lạnh để bảo quản các sản phẩm lạnh y tế (SPLYT) như:
hóa chất sinh phẩm, chế phẩm từ máu, tế bào gốc phục vụ việc khám chữa bệnh
trong các bệnh viện.
- Sử dụng lạnh Cryo trong việc tiêu diệt các tế bào ung thư (phẫu thuật lạnhCryo surgery).
Trong công nghệ bảo quản SPLYT, 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 SPLYT phân tán theo các phòng khoa với
những thiết bị đơn chiếc dạng tủ nhỏ, ví dụ: tại bệnh viện Trung Ương Huế cần đến
49 thiết bị lạnh nhỏ [phụ lục 2]). 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
SPLYT. 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 SPLYT 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 SPLYT.
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 khí hóa lỏng có nhiệt độ thấp
để đông lạnh nhanh tế bào, nhằm phá hủy có kiểm soát các tổ chức bệnh lý và các tế
bào ung thư. Tuy nhiên trước khi tiến hành thủ thuật chúng ta cần trả lời được các
câu hỏi: thời gian cấp đông làm lạnh khối u trong bao lâu; phạm vi ảnh hưởng nhiệt
độ của vùng tế bào bị đông lạnh như thế nào; tốc độ đóng băng hóa rắn là bao nhiêu


2
.v.v. Để trả lời các câu hỏi trên, ta phải giải được bài toán truyền nhiệt khi cấp đông
cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo. Đây là bài toán cơ sở để sản xuất và ứng
dụng các thiết bị phẫu thuật lạnh vào thực tiễn.

Từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Cryo
trong lĩnh vực y tế ở điều kiện Việt Nam” làm luận án NCS.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong y tế với hai lĩnh vực:
- Đề xuất chu trình hệ thống lạnh Cryo phục vụ trong việc bảo quản SPLYT
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.

3. Nội dung nghiên cứu
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước,
NCS xây dựng hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lạnh Cryo trong lĩnh vực y tế ở
điều kiện Việt Nam như sau:
- Khảo sát các thiết bị làm lạnh bảo quản SPLYT tại Bệnh viện Trung ương
Huế;
- Lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh Cryo có nhiều chế độ làm lạnh phục vụ việc
bảo quản SPLYT cho các bệnh viện Việt Nam;
- Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế;
- Khảo sát việc ứng dụng phẫu thuật lạnh trong tiêu diệt tế bào ung thư tại
Bệnh viện Trung ương Huế;
- Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán đông lạnh nhanh tế bào;
- Xây dựng mô hình toán học với các loại thiết bị phẫu thuật lạnh khác nhau;
- Thiết lập công thức tính các thông số truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào
bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
- Xây dựng phần mềm tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh;


3

- Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ
thuật lạnh Cryo.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
à Đối tượng nghiên cứu
- Các thiết bị lạnh bảo quản SPLYT.
- Quá trình truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo.
à Phạm vi nghiên cứu
- Trong công nghệ sản xuất môi trường lạnh để bảo quản SPLYT, đây là một
lĩnh vực rất rộng lớn cần nhiều bước thực hiện như: lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh
phù hợp và hiệu quả; thực nghiệm khả năng hoạt động của hệ thống; nghiên cứu
việc cấp phát hoàn toàn tự động các SPLYT; thiết kế hệ thống lạnh cho một bệnh viện
cụ thể; tiến hành lắp đặt và vận hành một hệ thống lạnh Cryo. Trong phạm vi luận án,
tác giả chỉ mới thực hiện được lựa chọn sơ đồ hệ thống lạnh phù hợp và hiệu quả.

Đây là bước đầu tiên để áp dụng công nghệ bảo quản SPLYT cho các bệnh viện ở
Việt Nam.
- Trong ứng dụng phẫu thuật lạnh để tiêu diệt tế bào ung thư, đây là một lĩnh
vực cần phối hợp của nhiều ngành chuyên môn: y khoa, cơ khí chế tạo, kỹ thuật
nhiệt. Trong phạm vi luận án thuộc chuyên ngành công nghệ và thiết bị lạnh, tác giả
chỉ nghiên cứu quá trình truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh
Cryo. Đây là bài toán cơ sở giúp các nhà y khoa xây dựng phác đồ điều trị cho từng
khối u có kích thước khác nhau, giúp các nhà cơ khí nghiên cứu chế tạo sản xuất
thiết bị phẫu thuật lạnh.
- Trong nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng
kỹ thuật lạnh Cryo, tác giả chỉ thực hiện trên vật liệu thịt bò và thạch agar. Đối với
bài toán truyền nhiệt, vật liệu thịt bò, thạch agar hay tế bào khác nhau ở thông số vật
lý. Nếu thực nghiệm đã đúng ở loại vật liệu này, kết quả sẽ đúng ở loại vật liệu
khác.
- Các khảo sát thực tế được tác giả tiến hành tại Bệnh viện Trung ương Huế từ

tháng 9/2000 đến tháng 01/2015.


4
- Các thực nghiệm được tiến hành tại cơ sở thí nghiệm Trường Cao đẳng Công
nghiệp Huế dựa trên các thiết bị thực nghiệm, đo lường có trong nước.

5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được tiến hành dựa trên hai phương pháp: nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm.
à Nghiên cứu lý thuyết hệ thống lạnh Cryo
Thiết kế hệ thống lạnh Cryo cho các bệnh viện ở Việt Nam dựa trên cơ sở :
- Lý thuyết hệ thống máy lạnh ghép tầng đã được Pictet phát minh.
- Khảo sát thực tế qui trình sản xuất lỏng nitơ tại các nhà máy hóa lỏng khí ở
Việt Nam.
- Khảo sát các thiết bị bảo quản SPLYT tại các bệnh viện Việt Nam.
- Ứng dụng lỏng có nhiệt độ thấp làm môi chất lạnh để thu nhiệt của môi
trường cần làm lạnh, đây là phương pháp làm lạnh cơ bản của ngành kỹ thuật lạnh.
Nguyên lý hoạt động của các thiết bị lạnh dựa trên phương pháp này.
à Nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng kỹ
thuật lạnh Cryo
Lý thuyết này được xây dựng trên cơ sở:
- Phương pháp giải tích: phương pháp này được sử dụng rộng rãi và phổ biến
khi thiết lập các công thức, phương trình. Ưu điểm của phương pháp này là mối
quan hệ giữa các đại lượng được biểu thị rõ ràng, minh bạch. Việc tính toán đơn
giản, dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp số. Quá trình tính toán không phụ
thuộc vào phần mềm do người lập trình thiết lập.
- Phương pháp vi phân và tích phân: đây là phương pháp cơ sở của ngành toán
học. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc chia nhỏ vùng khảo sát, sau đó tích hợp
lại để có kết quả quá trình. Phương pháp này được sử dụng để xây dựng phương

trình truyền nhiệt trong ngành kỹ thuật nhiệt.
- Ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Fourier về dẫn nhiệt để
khảo sát bài toán biên di động đặc biệt là bài toán biên hóa rắn và tìm nghiệm của
bài toán này là hàm phân bố nhiệt độ trong vật khảo sát, tốc độ và gia tốc di chuyển


5
của biên chuyển pha, thiết lập phương trình cân bằng nhiệt cho quá trình truyền
nhiệt trong kỹ thuật Cryo để xác định thời gian cấp đông vật ẩm ở ba hình dạng phổ
biến: phẳng, hình trụ và hình cầu
- So sánh kết quả tính toán lý thuyết giữa hai phương pháp: phương pháp giải
tích do tác giả đề xuất và phương pháp số đã được công bố trên thế giới.
à Nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt khi cấp đông cục bộ tế bào bằng
kỹ thuật lạnh Cryo
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên cơ sở:
- So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm trên mẫu vật: tác
giả tiến hành đo kích thước lớp băng tạo ra trong các khoảng thời gian khác nhau
khi cấp đông làm lạnh vật ẩm bằng kỹ thuật Cryo. Tiến hành so sánh kết quả đo
được với kết quả lý thuyết để kiểm tra độ chính xác của các công thức được thiết
lập.
- Đề xuất phương pháp xác định kích thước vật ẩm bị hóa rắn ở dạng phẳng,
hình trụ và hình cầu bằng các dụng cụ đo trực tiếp và gián tiếp như: đồng hồ đo
nhiệt độ Thermo scientific, máy siêu âm, đồng hồ đo thời gian.

6. 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.


6

7. Những đóng góp mới của luận án
à Lý thuyết
- Đề xuất sử dụng máy lạnh ghép tầng để đạt đến nhiệt độ -1900C với nhiều
chế độ làm lạnh khác nhau;
- Lựa chọn sơ đồ thống lạnh Cryo với nhiều chế độ lạnh phục vụ cho các bệnh
viện Việt Nam;
- Tính nhiệt hệ thống lạnh Cryo cho Bệnh viện Trung ương Huế.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết để tính toán các thông số trong quá trình cấp đông
cục bộ tế bào bằng kỹ thuật lạnh Cryo;
- So sánh kết quả tính các thông số trong quá trình đông lạnh nhanh tế bào
giữa phương pháp giải tích và phương pháp số;
- 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;
- Mở rộng phạm vi áp dụng các công thức được thiết lập trong tính truyền
nhiệt theo chiều từ vỏ vào tâm vật ẩm.
à Thực nghiệm
- Chế tạo mô hình thực nghiệm thiết bị phẫu thuật lạnh;
- Đề xuất cách đo kích thước vùng đóng băng trong thực nghiệm với thiết bị
phẫu thuật lạnh;
- Kết luận về độ chính xác của các công thức đã được thiết lập;
- Kết luận về khả năng cách nhiệt giữa kim lạnh và môi trường.

7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về kỹ thuật lạnh Cryo
1.1.1. Khái niệm
Kỹ thuật lạnh Cryo được hiểu là kỹ thuật lạnh sâu (hay lạnh thâm độ). Để
thống nhất với cách gọi tên phổ biến hiện nay chúng ta thống nhất sử dụng thuật
ngữ “kỹ thuật lạnh Cryo” thay cho thuật ngữ kỹ thuật lạnh sâu hay lạnh thâm độ.
Theo quan điểm sản xuất và ứng dụng lạnh trong đời sống và sản xuất công
nghiệp và để tiện sử dụng người ta coi -1000C là ranh giới phân chia giữa hai lĩnh
vực lạnh vừa và lạnh sâu. Lĩnh vực nhiệt độ thấp hơn -1000C có tên gọi phổ biến là
lĩnh vực lạnh Cryo.
Trong lĩnh vực lạnh Cryo người ta còn phân biệt lĩnh vực nhiệt độ thấp và
nhiệt độ rất thấp. Ta biết rằng, không khí là hỗn hợp các khí có sẵn trong khí quyển,
lại không độc hại và những thành phần chính của nó là nitơ và oxy có nhiệt độ sôi
thấp (khoảng từ -1830C đến -1960C), nên không khí thường được dùng nhiều để hóa
lỏng. Trong môi trường có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi thì các khí đã hóa lỏng này
lại thu nhiệt và bay hơi, tạo môi trường có nhiệt độ thấp. Để tạo nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ -2000C người ta thường sử dụng các khí lỏng như hyđrô, hêli và nêon [12].

1.1.2. Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật lạnh Cryo
Khác với hệ thống lạnh thông thường, có các hộ dùng lạnh “tiêu thụ” lạnh liên
tục, trực tiếp từ nguồn lạnh hoặc gián tiếp qua chất tải lạnh, trong kỹ thuật lạnh
Cryo việc tạo nhiệt độ thấp ban đầu chỉ nhằm hóa lỏng môi chất rồi sau đó môi chất
lạnh đã hóa lỏng này mới được dùng để làm lạnh các đối tượng cần làm lạnh. Việc
hóa lỏng môi chất khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với việc “khai thác lạnh” của
môi chất hóa lỏng [12].
Khí đã hóa lỏng hoặc được dùng để tạo nhiệt độ rất thấp hoặc được dùng vào

những mục đích khác. Trong trường hợp dùng khí hóa lỏng để làm lạnh ta chỉ việc
cho khí lỏng bay hơi, thu nhiệt trong môi trường hay từ đối tượng cần làm lạnh. Nếu
áp suất môi trường không thay đổi thì nhiệt độ bay hơi của khí lỏng sẽ không đổi
(bằng nhiệt độ bão hòa ở áp suất môi trường, ví dụ nitơ lỏng ở áp suất 1bar là 77,4K


8
tương ứng -195,750C) và có khả năng tạo nhiệt độ môi trường lạnh không thay đổi
nếu công suất lạnh đủ lớn và các quá trình trao đổi nhiệt được tổ chức một cách hợp
lý.
Như vậy, kỹ thuật lạnh Cryo luôn gắn liền với kỹ thuật hóa lỏng khí. Khí được
hóa lỏng trong các hệ thống lạnh Cryo và chính những khí này lại có thể được dùng
làm môi chất trong các thiết bị sử dụng lạnh Cryo. Vì vậy, khi đã tạo được những
khí hóa lỏng có nhiệt độ bay hơi phù hợp ta coi như đã hoàn thành khâu “chuẩn bị
sản xuất” lạnh Cryo. Công nghệ tách và thu các khí thành phần là nhiệm vụ của kỹ
thuật sản xuất khí hóa lỏng, do vậy cũng là công nghệ của kỹ thuật sản xuất lạnh
Cryo.
Các môi chất lạnh lỏng có nhiệt độ bay hơi thấp hơn -1000C, vì thế được gọi là
các chất lỏng Cryo.
Không khí lỏng cũng được coi là một môi chất lạnh Cryo với nhiệt độ bay hơi
khoảng 800K (-193,150C). Sở dĩ nhiệt độ này không phải là hằng số mà có thay đổi
(tăng) một ít trong quá trình bay hơi cùng với sự giảm tỷ lệ thành phần có nhiệt độ
sôi thấp (nitơ) trong pha lỏng. Tuy nhiên, khi hóa lỏng không khí người ta thường
tách riêng các thành phần chủ yếu là nitơ và oxy, chứ không còn là hỗn hợp không
khí lỏng nữa, vì vậy không khí thường không có mặt trong các bảng thống kê chất
lỏng Cryo.
Các chất lỏng Cryo như nitơ, oxy, hyđro, không khí, acgon, nêon và hêli được
dùng nhiều để tạo nhiệt độ thấp, không chỉ thử nghiệm và dùng trong phòng thí
nghiệm mà đã đi vào sản xuất công nghiệp, phục vụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa
học và nhiều ngành công nghiệp quan trọng như kỹ thuật siêu dẫn, vật lý nguyên tử,

khoa học vũ trụ, sinh học, y học và trong kỹ thuật làm lạnh các sản phẩm và thực
phẩm…Nhờ phát triển kỹ thuật lạnh Cryo mà phương pháp làm lạnh đông cực
nhanh đã hình thành và ngày càng phát triển. Phương pháp này không chỉ cho phép
giảm đáng kể thời gian làm lạnh (rút ngắn khoảng 80% thời gian cần thiết) và tăng
công suất làm lạnh sản phẩm lên 3 đến 4 lần mà với hầu hết sản phẩm sau khi làm


9
lạnh đông cực nhanh còn giữ được gần như nguyên vẹn phẩm chất tươi sống và
giảm đáng kể khối lượng sản phẩm hao hụt.
Như vậy, cùng với kỹ thuật lạnh Cryo thì công nghệ Cryo cũng phát triển và
liên quan chặt chẽ với việc sản xuất, tích trữ, vận chuyển và phân phối các chất lỏng
Cryo.
Các chất lỏng Cryo phải được thường xuyên quan tâm và bảo quản trong
những điều kiện thích hợp, đảm bảo cách nhiệt tốt nhất chất lỏng Cryo với bên
ngoài để hạn chế dòng nhiệt truyền từ ngoài vào, đặc biệt là đối với các chất có
nhiệt ẩn hóa hơi nhỏ.
Để bảo quản lâu dài các khí hóa lỏng người ta phải dùng các bình chứa có kết
cấu đặc biệt kiểu bình Dewar, phổ biến là bình kim loại hai vỏ chân không.
Vật liệu dùng trong các thiết bị của hệ thống lạnh Cryo cũng có những yêu cầu
riêng, đặc biệt là độ bền cơ học ở áp suất cao, tính ổn định khi nhiệt độ thay đổi và
không bị vỡ ở nhiệt độ rất thấp…

1.1.3. Các phương pháp hóa lỏng khí
Ba phương pháp chính sử dụng trong kỹ thuật hóa lỏng khí là phương pháp
Pictet, phương pháp Linde và phương pháp Claude [12].

1.1.3.1. Phương pháp Pictet
Phương pháp này còn có tên gọi là phương pháp hóa lỏng nhiều tầng, là
phương pháp cổ nhất, mang tên nhà vật lý Thụy Sĩ Pictet R., được phát minh từ năm

1887 [12].
Đây là phương pháp sử dụng nhiều chu trình ghép của máy lạnh nén hơi, như
sơ đồ hình 1.1.
Hệ thống gồm 4 chu trình ghép sử dụng 4 loại môi chất lạnh khác nhau. Trong
chu trình I, môi chất lạnh được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước
NT1. Trong các chu trình II và III, môi chất lạnh được ngưng tụ trong các bình
ngưng NT2 và NT3 do môi chất lạnh của tầng trên bay hơi làm mát. Các thiết bị
ngưng tụ NT2 và NT3 vừa đóng vai trò là thiết bị ngưng tụ đối với tầng dưới vừa là
thiết bị bay hơi của chu trình tầng trên. Như vậy môi chất lạnh phải được chọn sao


10
cho ở cùng một áp suất thì nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh tầng dưới phải nhỏ
hơn của môi chất lạnh tầng trên.
Ở chu trình tầng cuối cùng (ở đây là tầng IV) môi chất lạnh phải là khí cần hóa
lỏng. Như vậy khí này được làm lạnh sơ bộ trong thiết bị bay hơi NT4 của tầng III
và đi qua van TL4 để giãn nở đến trạng thái của hỗn hợp hai pha rồi vào thiết bị
phân li PL. Phần lỏng của hỗn hợp được tách ra khỏi chu trình, còn phần chưa hóa
lỏng được hòa trộn với khí mới để đưa vào máy nén 4 lặp lại chu trình.
NT1

NT2

NT3

NT4

TL1

TL2

TL3

TL4

I

II

III

MN1

MN2

MN3

MN4
IV

PL
Khê hoïa loíng

Khê måïi

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị hóa lỏng kiểu Pictet
Khối lượng khí mới bổ sung bằng khối lượng của khí đã hóa lỏng, do đó quá
trình hóa lỏng được thực hiện liên tục.
Ở thiết bị hóa lỏng loại này, số lượng tầng phụ thuộc vào tính chất của khí hóa
lỏng và của các môi chất lạnh sử dụng. Chẳng hạn, để hóa lỏng không khí theo

phương pháp này, người ta sử dụng thiết bị hóa lỏng 4 tầng như kiểu sơ đồ hình 1.1.


11
Môi chất lạnh sử dụng ở các tầng trên thường là amôniắc, ôxy và tầng cuối
cùng là không khí. Hyđrô được hóa lỏng trong thiết bị 5 tầng, hêli trong thiết bị 6
tầng ...

1.1.3.2. Phương pháp Linde
à Hệ thống thiết bị
Phương pháp Linde là phương pháp hóa lỏng có làm lạnh khí trước khi tiết lưu
đoạn nhiệt do Linde, người Đức đề xuất và thực hiện lần đầu tiên năm 1895. Sơ đồ
của thiết bị được trình bày trên hình 1.2 [12].
TÂN

MN

3
4

2

8

Khê måïi
5
7

HN

TL

5

6
Loíng

Hình 1.2. Sơ đồ hoạt động của thiết bị hóa lỏng Linde
Khí mới và khí lạnh từ thiết bị hồi nhiệt HN được máy nén MN hút về và nén
tới áp suất P3 qua thiết bị trao đổi nhiệt- làm lạnh TĐN, rồi đi qua thiết bị hồi nhiệt
tới van tiết lưu TL. Khi qua van tiết lưu sẽ có áp suất và nhiệt độ giảm. Nhưng nếu
nhiệt độ khí còn cao hơn nhiệt độ bão hòa tương ứng với áp suất hút P2 của máy nén
(thường bằng áp suất khí quyển) thì khí chưa hóa lỏng được mà lại được hút về qua
thiết bị hồi nhiệt để làm lạnh khí đi trong ống và được nén trong máy nén, tiếp tục
chu trình.