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긴 부분을 냉각시키는 폐쇄형 극저온 수술용 프로브의 개발 = Development of closed-loop cryoablation device for long area cooling
서명 / 저자 긴 부분을 냉각시키는 폐쇄형 극저온 수술용 프로브의 개발 = Development of closed-loop cryoablation device for long area cooling / 이천규.
저자명 이천규 ; Lee, Cheon-Kyu
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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초록정보

Cryosurgery is an effective procedure to destroy or remove the malignant tissue such as prostate cancer, wart or cardiac surgery. Cryoablation device or cryoablation probe is an instrument to produce the cooling effect to destroy detrimental biological tissue by utilizing low temperature The cooling effect is usually concentrated on its tip because the device is operated by J-T (Joule-Thomson) effect. Therefore, this device is acceptable for concentrated and thick target but not suitable for dispersed and thin target especially incompetent great saphenous vein(GSV), likes around 3 mm diameter, 0.3 mm thickness and 200 mm length hollow cylinder type target. In this thesis study, the design procedure of a closed-loop cryoablation device with multiple J-T expansion part is developed. The design procedure contains 6 parts, considering cell destruction mechanism, solving 1-Dimensional (1-D) bio-heat equation, design of closed cycle, energy balance, high and low pressure drop analysis. First of all, the cell destruction mechanism is considered to decide destruction constraint of target cell. Next step, bio-heat equation is employed to clarify suitable cooling capacity with constraint of cell destruction mechanism. This equation is calculated numerically to find the required heat flux for cooling of the probe. Appropriate refrigerant and closed cycle is designed with following constraints, condensing by room temperature water at high pressure part and proper temperature for cell destruction within the probe at low pressure part. Energy balance is applied to design the procedure to determine minimum mass flow rate of refrigerant for consecutive flow boiling with the calculated heat flux for cooling. At last, high pressure drop analysis is applied to figure out the mass flow rate. The calculated result is re-estimated after experiment and it is compared with experimental result. Pure refrigerant experiment is verified the working principle of flow boiling in the probe. R22($CH_2Cl_2$) is applied to achieve the flow boiling on the probe part. Experimental result shows that the flow boiling can achieve uniform cooling over 20 cm range. The temperature non-uniformity over the range is 257 K ±1.7 K. The results show that flow boiling condition is indeed suitable for uniform cooling. The limiation of refrigerant, target temperature is not achieved. Therefore, Azeotropic mixed refrigerant R410A and zeotropic refrigerant mixture of R22 and R23($CHF_3$) are used to the cryoablation device to develop sufficient temperature and to verify the quality of cryoablation probe. By the design procedure, the selected zeotropic mixed refrigerant(zeotropic MR) is composed of 70% and 30% by molar basis R22 and R23. The experi-mental results of R410A and zeotropic MR show the temperature non-uniformity over the range are 244.8 K ±2.7 K and 239.8 K ±4.7 K respectively. The experimental results show that the probe experienced consecutive flow boiling over the target range. Therefore, the design procedure using with real experimental condition is well estimated of experimental result. Finally, the detailed information about the design procedure is to be useful for realizing the closed-loop cryoablation probe for uniform cooling of moderate length.

극저온 수술은 암세포나 심장 판막 등과 같은 비 정상 세포를 효과적으로 제거하는 수술방법이다. 이중 극저온 제거수술은 극저온 수술용 프로브를 이용해 낮은 온도를 필요치 않은 세포 혹은 조직 주변에 형성하여 세포를 얼려 파괴시키는 방법이다. 상용 극저온 수술용 프로브는 주로 줄-톰슨(Joule-Thomson)효과를 이용하여 구현하기 때문에 냉각효과가 끝부분에 집중되어 있어 밀집되어 있는 세포나 조직을 파괴시키는데 적합하다. 하지만 이런 극저온 제거수술은 다른 시술에도 사용할 수 있으며 그 예로 하지정맥류를 시술하는데 적용할 수 있다. 이 시술은 목적세포가 약 0.3 mm 두께의 매우 얇고 길이 200 mm 의 긴 형태를 지니고 있어 기존의 프로브를 개선하여 긴 부분에 균일한 냉각을 할 필요가 있다. 그러므로 본 연구에서는 긴 부분을 균일하게 냉각 시킬 수 있는 프로브를 제작하고자 다중 팽창부를 지니는 극저온 수술용 프로브를 설계하고 구현하였다. 균일하게 냉각시키기 위해서 목적 길이에 포화 비등 열전달이 연속적으로 형성되도록 열적 설계를 수행하였다. 세포파괴 메커니즘에 따라 고려하여 일차원 반경방향 생체 열전달식을 해석하여 적절한 프로브의 냉각능력을 선정하였다. 폐쇄형 사이클을 구현하기 위해 적절한 냉매 및 고압, 저압을 선정하였고, 에너지 보존법칙을 이용하여 냉매의 질량유량 조건을 결정하였다. 선정된 조건을 토대로 구현된 프로브가 잘 작동하기 위한 조건을 만족하는지 확인을 거침으로서 설계법을 확립하였다. 이 설계법은 추후 구현을 한 후 실험을 통해 검증되었다. 구현을 위해 프로브는 외부 직경 3.2 mm 내부 직경 2.8 mm의 관이 사용되었고 여러 종류의 냉매로 실험이 되었다. R22 순수 냉매로 실험한 결과, 온도 불균일도는 257 K 기준 ±1.7 K의 결과를 얻었고 모든 부분에 포화 비등 열전달이 형성되어 균일한 온도를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 프로브 내부의 건도를 확인하기 위하여 비공비 혼합냉매인 R22와 R23의 혼합물이 이용되었으며, 온도 불균일도는 239.8 K 기준 ±4.7 K 로 내부의 건도를 유추해 볼 수 있었다. 마지막으로 원하는 온도 및 냉각속도를 도달하고자 공비 혼합냉매인 R410A를 이용하여 실험을 수행하였으며 244.8 K 기준 ±2.7 K으로 균일 냉각이 형성되었다. 그러므로 200 mm 의 목적길이를 온도 불균일도 244.8 K 기준 ±2.7 K 의 균일 냉각 할 수 있는 프로브를 설계하고 구현하였다.

서지기타정보

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청구기호 {MME 11039
형태사항 ix, 75 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Cheon-Kyu Lee
지도교수의 한글표기 : 정상권
지도교수의 영문표기 : Sang-Kwon Jeong
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 70-72
주제 극저온 수술용 프로브
줄톰슨 냉각기
폐쇄형 사이클
하지정맥류
cryoablation device
J-T cooler
closed-loop
great saphenous vein
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