Computer simulation of the working tool of the thermoelectric device for cryodesstruction taking into account the phase transition
Keywords:
cryodestruction, working tool, temperature effect, human skin, dynamic mode, computer modelingAbstract
The paper presents the results of computer modeling of the working tool of the thermoelectric device for cryodestruction, taking into account the phase transition, as well as the cyclic temperature effect on the human skin in dynamic mode. A physical model of the working tool, a three-dimensional computer model of biological tissue, taking into account thermophysical processes, blood circulation, heat exchange, metabolic processes and phase transition, were built. As an example, we consider the case when there is a working tool on the surface of the skin, the temperature of which changes cyclically according to a predetermined law in the temperature range [50 ÷ +50] °C. Temperature distributions in different layers of human skin in cooling and heating modes were determined. The obtained results make it possible to predict the depth of freezing and warming of biological tissue at a given temperature effect.
References
1. Анатичук Л.І. Термоелектрика. Т. 2. Термоелектричні перетворювачі енергії. Київ, Чернівці: Інститут термоелектрики, 2003. – 376 с.
2. Москалик І.А., Маник О.М. Про використання термоелектричного охолодження у практиці кріодеструкції // Термоелектрика. − № 6. – 2013. – С. 84 – 92.
3. Москалик І.А. Про використання термоелектричних приладів у кріохірургії // Фізика і хімія твердого тіла. – №4. – 2015. – С. 742 – 746.
4. Анатичук Л.І., Денисенко О.І., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Про використання термоелектричного охолодження в дерматології та косметології // Термоелектрика. − № 3. – 2015. – С. 57 – 71.
5. Кобилянський Р.Р., Москалик І.А. Комп’ютерне моделювання локального теплового впливу на біологічну тканину // Термоелектрика. − № 6. – 2015. – C. 59 – 68.
6. Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Про перспективи використання термоелектрики для лікування захворювань шкіри холодом // Науковий вісник Чернівецького університету: збірник наук. праць. Фізика. Електроніка. – Т. 5, Вип. 1. – Чернівці: Чернівецький національний університет, 2016. – С. 67 – 72.
7. Анатичук Л.І., Денисенко О.І., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я., Перепічка М.П. Сучасні методи кріотерапії в дерматологічній практиці // Клінічна та експериментальна патологія. – Том XVІ. – №1 (59). – 2017. – С. 150 – 156.
8. Анатичук Л.І., Денисенко О.І., Шуленіна О.В., Микитюк О.П., Кобилянський Р.Р. Результати клінічного застосування термоелектричного приладу для лікування захворювань шкіри // Термоелектрика. − № 3. – 2018. – С. 52 – 66.
9. Кобилянський Р.Р., Маник О.М., Вигонний В.Ю. Про використання термоелектричного охолодження для кріодеструкції у дерматології // Термоелектрика. − № 6. – 2018. – С. 36 – 46.
10. Анатичук Л.І., Денисенко О.І., Кобилянський Р.Р., Степаненко В.І., Свирид С.Г., Степаненко Р.Л., Перепічка М.П. Термоелектричний прилад для лікування захворювань шкіри // Термоелектрика. − № 4. – 2019. – С. 62 – 73.
11. Анатичук Л.І., Тодуров Б.М., Кобилянський Р.Р., Джал С.А. Про використання термоелектричних мікрогенераторів для живлення електрокардіостимуляторів // Термоелектрика. − № 5. – 2019. – С. 60 – 88.
12. Анатичук Л.І., Вихор Л.М., Коцур М.П., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Оптимальне керування часовою залежністю температури охолодження в термоелектричних пристроях // Термоелектрика. − № 5. – 2016. – С. 5 – 11.
13. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Комп’ютерне моделювання локального теплового впливу на шкіру людини // Термоелектрика. − № 1. – 2017. – С. 69 – 79.
14. Анатичук Л.І., Вихор Л.М., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Комп’ютерне моделювання та оптимізація динамічних режимів роботи термоелектричного приладу для лікування захворювань шкіри // Термоелектрика. − № 2. – 2017. – С. 44 – 57.
15. Анатичук Л.І., Вихор Л.М., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я., Зварич О.В. Комп’ютерне моделювання та оптимізація динамічних режимів роботи термоелектричного приладу для рефлексотерапії // Термоелектрика. − № 3. – 2017. – С. 68 – 78.
16. Анатичук Л.І., Вихор Л.М., Кобилянський Р.Р., Каденюк Т.Я. Комп’ютерне моделювання та оптимізація динамічних режимів роботи термоелектричного приладу для кріодеструкції // Фізика і хімія твердого тіла. – Т.18. − № 4. – 2017. – С. 455 – 459.
17. Anatychuk L., Vikhor L., Kotsur M., Kobylianskyi R., Kadeniuk T. (2018). Optimal control of time dependence of temperature in thermoelectric devices for medical purposes. International Journal of Thermophysics 39:108. https://doi.org/10.1007/s10765-018-2430-z.
18. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Федорів Р.В. Методика врахування фазового переходу в біологічній тканині при комп’ютерному моделюванні процесу кріодеструкції // Термоелектрика. − № 1. – 2019. – С. 46 – 58.
19. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Федорів Р.В. Комп’ютерне моделювання процесу кріодеструкції шкіри людини при термоелектричному охолодженні // Термоелектрика. − № 2. – 2019. – С. 21 – 35.
20. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Федорів Р.В. Комп’ютерне моделювання циклічного температурного впливу на шкіру людини // Термоелектрика. − № 2. – 2020. – С. 48 – 64.
21. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Федорів Р.В. Комп’ютерне моделювання циклічного температурного впливу на онкологічне новоутворення шкіри людини // Термоелектрика. − № 3. – 2020. – С. 29 – 46.
22. Miller P., Metzner D. (1969). Cryosurgery for tumors of the head and neck. – Trns. Am.Ophthalmol. Otolaringol. Soc., 73 (2), 300 – 309.
23. D’Hont G. La cryotherapie en ORL (1974). Acta. Otorhinolaringol., 28 (2), 274 – 278.
24. Mazur P. (1968). Physical-chemical factors underlying cell injury in cryosurgical freezing. In:Cryosurgery ed. by R.W. Rand, A.P. Rinfret, H. Leden – Springfield, Illinois, U.S.A.1968 p. 32 – 51.
25. Gill W., Fraser I. (1968). A look at cryosurgery. Scot, Med, I., 3, 268 – 273.
26. Van Venrjy G. (1975). Freeze-etching: freezing velocity and crystal size at different size locations in samples. Cryobiology, 12 (1), 46 – 61.
27. Bause H. (2004). Kryotherapie lokalisierter klassischer, neues Verfahren mit Peltier-Elementen (– 32 °C) Erfahrungsbericht Hamangiome. Monatsschr Kinderheilkd. 152, 16 – 22.
28. Анатичук Л.І., Кобилянський Р.Р., Федорів Р.В. Комп’ютерне моделювання робочого інструменту термоелектричного приладу для кріодеструкції без врахуванням фазового переходу // Термоелектрика. − № 2. – 2022.
29. COMSOL Multiphysics User’s Guide (2010). COMSOLAB.
30. Jiang S.C., Ma N., Li H.J., Zhang X.X. (2002). Effects of thermal properties and geometrical dimensions on skin burn injuries. Burns, 28, 713 – 717.
31. Cetingul M.P., Herman C. (2008). Identification of skin lesions from the transient thermal response using infrared imaging technique. IEEE, 1219 – 1222.
32. Ciesielski M., Mochnacki B., Szopa R. (2011). Numerical modeling of biological tissue heating. Admissible thermal dose. Scientific Research of the Institute of Mathematics and Computer Science, 1 (10), 11 – 20.
33. Filipoiu Florin, Ioan Bogdan Andrei, Carstea Iulia Maria (2010). Computer-aided analysis of the heat transfer in skin tissue. Proceedings of the 3rd WSEAS Int. Conference on Finite Differences – Finite Elements – Finite Volumes – Boundary Elements, 53 – 59.
34. Carstea Daniela, Carstea Ion, Carstea Iulia Maria. (2011). Interdisciplinarity in computer-aided analysis of thermal therapies. WSEAS Transactions on Systems and Control, 6 (4), 115 – 124.
35. Deng Z.S. Liu J. (2005). Numerical simulation of selective freezing of target biological tissues following injection of solutions with specific thermal properties. Cryobiology, 50, 183 – 192.
36. Han Liang Lim, Venmathi Gunasekaran (2011). Mathematical modeling of heat distribution during cryosurgery. https://isn.ucsd.edu/last/courses/beng221/problems/2011/project10.pdf.
37. Shah Vishal N., Orlov Oleg I., Orlov Cinthia, Takebe Manabu, Thomas Matthew, and Plestis Konstadinos (2018). Combined cryo-maze procedure and mitral valve repair through a ministernotomy. Multimed Man Cardiothorac Surg. doi: 10.1510/mmcts.2018.022.
38. Rykaczewski Konrad (2019). Modeling thermal contact resistance at the finger-object interface. Temperature, 6 (1), 85 – 95.
