Работа аспиранта МАИ внесёт вклад в борьбу с раком
Аспирант института № 6 «Аэрокосмический» МАИ Дмитрий Семенов проводит исследование, призванное помочь в борьбе с онкологическими и другими тяжёлыми заболеваниями. В прошлом году на реализацию его проекта «Расчётно-экспериментальное моделирование процессов теплообмена в биологических тканях» был выделен грант от Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
Работы ведутся на кафедре 601 «Космические системы и ракетостроение», специалисты которой имеют большой опыт в изучении тепловых процессов в различных материалах. Руководитель проекта — доктор технических наук, профессор института № 6 Алексей Ненарокомов.
Пресс-служба МАИ разобралась, в чём заключается работа, какие перспективы она может открыть в медицинской и других сферах и как связаны терапия и математическое моделирование.
Лечение теплом
В медицине при лечении ряда заболеваний широко используется метод нагрева биологических тканей до температур, превышающих 40°С, — гипертермия. Терапевтический эффект достигается за счёт повышения клеточного метаболизма, улучшения кровоснабжения органов и насыщения клеток кислородом, а при температурах свыше 50°С — за счёт разрушения участков тканей, вызывающих нарушения в работе органов и систем. Этот метод помогает пациентам, страдающим аритмией сердца, болезнью Паркинсона, гиперподвижностью суставов, гиперметропией, гиперплазией, а также имеющим злокачественные опухоли.
— Лазерная гипертермия поверхностных опухолей с нагревом до температуры 41—45°С успешно применяется в онкологии, — рассказывает Дмитрий Семенов. — Результат данной процедуры зависит как от теплового режима воздействия на поражённые ткани, так и от продолжительности процедуры. При этом необходимо учитывать, с одной стороны, опасность перегрева окружающих опухоль тканей, а с другой — неэффективность лечения и некоторые негативные последствия при недостаточно высокой температуре воздействия.В то же время, нагрев тканей организма может быть нежелательным эффектом: при работе в условиях высоких температур, при недостаточной защите костюма пожарного и даже во время диагностических процедур, например МРТ.
Во всех указанных случаях крайне важным для прогнозирования и оптимизации процессов является точное математическое описание. Здесь, однако, возникает сложность: каждый человек уникален и предсказать параметры его организма практически невозможно.
Математика на службе медицине
Проект Дмитрия Семенова предполагает разработку комплексной методики построения математической модели теплопереноса с расчётно-экспериментальным определением параметров исследуемой системы. Эта задача отличается от тех, что ранее решались на кафедре 601, невозможностью использования традиционных подходов к измерению параметров.
— В данном случае для получения информации об образце мы не можем использовать помещённые внутрь него тепловые датчики, как это делалось обычно, — поясняет молодой учёный. — Поэтому перед нами стоит задача с использованием наработок кафедры 601 создать метод определения теплофизических и радиационно-оптических характеристик материала, основанный на решении обратной задачи теплообмена в условиях внешнего теплового воздействия. При этом ввиду высокой чувствительности биологических тканей к незначительным изменениям температур особенно важно минимизировать системные ошибки в расчётах.Для подтверждения корректности расчёта проводится эксперимент с использованием искусственного материала, схожего по характеристикам с биологическими тканями. При измерении температуры образца исследователи применяют метод инфракрасной термометрии, а регистрируют процесс нагрева поверхности при помощи тепловизионной камеры.
Результаты работы могут заинтересовать производителей медицинской техники, в частности — аппаратно-программных комплексов гипо- и гипертермии. Также они могут быть использованы для создания средств тепловой защиты, в том числе в авиационной и ракетно-космической отраслях, энергетике, металлургии и др.
