Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства для проведения физиотерапевтических тепловых процедур, перспективы использования для этих целей термоэлектрического метода преобразования энергии
1.1 Применение теплового воздействия при лечении различного рода заболеваний 11
1.2 Методики и средства теплового воздействия в медицине 22
1.3 Использование термоэлектрических преобразователей энергии в медицине
1.4 Постановка задач исследования 41
ГЛАВА 2. Математическая модель термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 44
2.1 Тепловая и математическая модели термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 44
2.2 Численное решение задачи расчета температурного поля зоны воздействия термоэлектрической системой на руку человека 49
2.3 Результаты численного расчета температурного поля зоны воздействия термоэлектрической системой на руку человека 56
2.4 Расчет термоэлектрической батареи, входящей в состав термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 84
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования термоэлектрической системы для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 88
3.1 Описание экспериментального стенда и методики проведения натурных испытаний 88
3.2 Результаты экспериментальных исследований 92
3.3 Оценка погрешности измерений 105
ГЛАВА 4. Разработка термоэлектрических устройств для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 108
4.1 Конструкция термоэлектрического устройства для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека 108
4.2 Конструкция термоэлектрического устройства для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека с возможностью регулирования плотности контакта с биологическим объектом 112
4.3 Конструкция термоэлектрического устройства для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека с возможностью механического массажа биологического объекта 114
4.4 Методика проведения физиотерапевтических лечебных процедур с использованием термоэлектрических устройств для теплового воздействия на отдельные зоны руки человек. 116
Заключение 121
Список литературы 122
- Методики и средства теплового воздействия в медицине
- Численное решение задачи расчета температурного поля зоны воздействия термоэлектрической системой на руку человека
- Результаты экспериментальных исследований
- Конструкция термоэлектрического устройства для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека с возможностью регулирования плотности контакта с биологическим объектом
Методики и средства теплового воздействия в медицине
Охлаждение различных органов и зон человеческого организма в клинической хирургии применяется для различных целей: уменьшения воспалительных процессов, фиксации, обезболивания, разрушения патологического очагастимуляции регенеративных процессов и т.д. Можно привести различные примеры эффективного лечения и профилактики заболеваний с использованием охлаждающего воздействия. Например, имеет широкое распространение методика лечения начальных стадий тромбофлебита местным охлаждением участков кожного покрова хлорэтилом [45]. Хлорэтил также используется при криотерапии термических ожогов [38]. Однако в данных случаях требуется обеспечение специальных мер безопасности, так как используемый хладагент имеет высокую химическую активность.
Кроме указанных при низкой температуре осуществляется также криоконсервации отдельных тканей и органов человеческого организма при трансплантации, что достаточно долго сохраняет их способность к жизнедеятельности и нормальному функционированию.
Криогенный метод разрушения ткани при замораживании и размораживании применяется в медицине для удаления миндалин, бородавок и т.д. С этой целью разработаны специальные криогенные аппараты и криозонды [2, 25, 67, 69, 82, 109-111]. При использовании локального замораживания, обладающего анестезирующим свойством, можно удалить в головном мозгу пациента клетки ядер, ответственные за некоторые заболевания, например, паркинсонизм. Влияние низких температур широко применяется в офтальмологии при лечении и профилактики различных заболеваний. В качестве процедур используются холодные примочки, емкость со льдом и др. [7].
Криовоздействие на ткани и отдельные органы снижает интенсивность местной воспалительной реакции, притупляет болевую чувствительность, стимулирует процессы регенерации в зоне повреждения, а также обеспечивает эффективный гемостаз в ране [37, 41]. Противовоспалительное действие низких температур основывается на воздействии их на микроциркулярное русло, что приводит к уменьшению проницаемости капилляров, перивазального отека с исчезновением гиперемии в воспаленной зоне, предупреждению развития в будущем невроза тканей, снижению местной и общей интоксикации [57, 88, 89]. Пэтому он широко применяется в лечении очаговых гнойно-воспалительных заболеваний мягких тканей, гнойных ран, тромбофлебитов, ожогов и др. [9, 15, 28, 71-77, 85, 87].
В работе [79] описан метод, в котором применяется хлорэтил для лечения гастродуоденальных язв за счет орошения их во время фибриоскопии. Данный метод обладает удобством, простотой, однако, наркотическое действие хлорэтила, а также его огне- и взрывоопасность ограничивают его применение.
Кроме этого, в последнее время противовоспалительное действие холода используют во время оперативного лечения панкреатита [92]. Кроме этого, установлено, что охлаждение поджелудочной железы до -15 С дает возможность уменьшить воспалительные реакции и предотвратить развитие панкреонекроза. Положительный результат имеет деструкция полипов желудочно-кишечного тракта замороженным криоапликатором, выполненным в виде зонда, вводимого через фиброскоп в полость. В качестве хладагента в данном случае используется фреон-12. Данный метод эффективен при полипах на широком основании, в том случае, когда трудно произвести диатермокоагуляцию [4].
К недостаткам существующих методик и технических средств, реализующих локальной охлаждение тканей и органов, относится кратковременность хранения, а также сложность транспортировки хладагента, невозможность использования в клиниках, удаленных от производства криоагентов, инерционность оборудования.
Охлаждение как всего организма человека в целом, так и его отдельных частей на сегодняшний день легло в основу ряда четко отграниченных методик, каждая из которых имеет свои области применения [42]. Одним из таких методов процедур является локальная гипотермия, к достоинствам которой относятся эффективное болеутоляющее и кровоостанавливающее действие, не оказывающее вредоносного действия на другие системы организма. В клинических условиях гипотермия используется при различного рода травмах, в частности воспалительные процессах, переломах костей, восстановительных операциях на конечностях и тд. [54].
Так, замораживание пальцев хлорэтилом при лечении панариция способствует сокращению репаративного периода. Кроме того, локальная гипотермия является целесообразной после введения в сосуды конечностей склерозирующего раствора для устранения варикозного расширения вен [45].
Литературные данные, изложенные в [8, 23, 65, 108, 112] свидетельствуют о благоприятном влиянии местного охлаждения и нагрева при травмах конечностей с непрекращающимся притоком артериальной крови.
Лечение открытых переломов совместно с локальной гипотермией при температурах порядка 12-е-18 С предупреждает развитие отека конечности и сохраняет жизнеспособность поврежденных тканей [84].
Исследование контрастного действия нагрева и охлаждения на закрытые повреждения конечностей свидетельствует, что местное тепловое воздействие (охлаждение до 13 С и нагрев до 40 С) оказывает благотворное влияние на процесс заживления раны. При этом предлагается чередование тепла и холода в течение 5 и 20 минут [100]. С помощью местной гипотермии кожи (температурный уровень до 24-26 С) может эффективно проводиться лечение гиперваскулярных форм несросшихся переломов и ложных суставов, заключающееся в подведении хладагента с температурой до 10 С контактным способом к лонгете.
Гипотермия, вызывающая сосудосуживающий эффект, является одним из методов лечения осложненных переломов, гиперваскулярных форм раневых нагноений и травматического остеомиелита [113]. При проведении лечебных процедур применяется охлаждение проточной водой, которая выравнивает термоасимметрию кожи и конечностей.
Численное решение задачи расчета температурного поля зоны воздействия термоэлектрической системой на руку человека
Достаточно активно используются ТЭУ для лечения послеоперационных травм и ран. Так, в [47] предлагается на раны, закрытые швами, накладывать металлические пластины, состоящие из ТЭ и водяного теплообменного аппарата с резиновыми трубками для подвода и отвода жидкости. При реверсе тока питания производится смена режимов охлаждения и нагрева с целью создания тепловых пульсаций. Примером другого конструктивного решения указанной задачи являются [30, 64, 85, 119]. В перечисленных приборах используются либо эластичные материалы контактных рабочих пластин при гибких соединениях муфтами и проводниками систем отвода теплоты от горячих спаев ТЭБ, либо помещение горячих спаев ТЭБ в эластичные кожухи, которые омываются жидкостью. В перечисленных работах рассматривается вариант, когда ТЭБ закрепляются на эластичной основе, при этом каждая из батарей имеет индивидуальный жидкостной теплоотвод и температурный датчик. Другими областями применения ТЭС являются невропатология и косметология [85], где реализуются такие преимущества эффекта Пельтье как малая инерционность и способность к изменению направления теплового потока.
Реакция организма на раздражающее охлаждающее воздействие и его переносимость исследуется при проведении профессонального отбора, что реализуется посредством ТЭУ специальной конструкции. Управляемость циклическим охлаждающим воздействием используется в ТЭС, обеспечивающих бодрствование и высокий уровень работоспособности операторов при выполнении ответственных технологических процессов.
Так, в работе [48] предлагается использование ТЭБ для поддержания уровня бодрствования человека-оператора с помощью обруча одеваемого на голову так, чтобы холодные спаи батарей находились в тепловом контакте с кожей лба. Для предотвращения адаптации терморецепторов к воздействию ТЭБ включаются поочередно.
Рассматривая конструкции систем для рефлексодиагностики, следует отметить, что они в общем случае содержат систему теплового воздействия и регистрации ответной реакции организма. В описанных приборах используются системы автоматического отсчета времени реакции, системы регистрации импульсной активности, датчики плетизмографии. Обеспечение оптимальных тепловых режимов при транспортировке вакцин и компонентов крови эффективно реализуется в термоэлектрических приборах [63, 90, 101], которые можно отнести к гематологии. К приложениям ТЭС для биотехнологий следует отнести приборы, обеспечивающие термостабилизацию проб биообъектов, тепловые режимы биотехнологий, например при электрофорезе. Особо следует отметить ТЭУ космического назначения, обеспечивающие протекание биотехнологических процессов в состоянии невесомости [121]. Известны также устройства сельскохозяйственного назначения, [129], а также использование ТЭУ для задач амплификации ДНК в генной инженерии.
Достаточно перспективным является применение ТЭС в термостатирующих устройствах. В большинстве конструкций их использование позволяет исключить необходимость использования жидких хладагентов, что, увеличивает время хранения биологического материала, облегчает конструкцию, повышает безопасность и надежность приборов. В общем случае ТЭБ находятся в тепловом контакте с камерой для хранения биологического объекта и системой съема теплоты с их опорных спаев. В [30] предлагается использовать в качестве системы теплосъема корпус прибора, что в целом делает конструкцию более компактной. В устройстве, описанном в [47], для поддержания непрерывного отвода теплоты от опорных спаев используется вентилятор. Единым для всех устройств данного назначения является также использование датчиков температуры на поверхности камеры, аккумуляторов энергии и системы регулирования температуры. В [32, 103] рассматриваются вопросы использования ТЭБ совместно с компьютеризированным управлением их работы.
В литературе также отражены и другие области медицины, в которых достаточно эффективно используются ТЭС. К этим областям относится стоматология, где посредством ТЭУ обеспечивается хранение костной ткани, термостабилизация компаундов, экспресс оценка чувствительности зубной эмали, а также отторолинтология (исследования вестибулярного анализатора) и анестезиология (испарение наркотических средств).
На сегодняшний день существует достаточно много производителей термоэлектрического оборудования, используемого в медицинской практике. На рис.1.2 приведены некоторые разработки биомедицинского назначения, выполненные в ГСКБ ТФП (г. Санкт-Петербург), рис.1.3 – разработки, выполненные в СПбО ВНИИТ (г. Санкт-Петербург), рис.1.4 – продукция ОАО «Корпорация НПО РИФ» (г. Воронеж) [129], рис.1.5 – продукция ИПФ «Криотерм» (г. Санкт-Петербург) [121].
Во всех приведенных приборах основной целью использования термоэлектричества в устройствах медицинского назначения является создание универсального теплового источника с функцией быстрой смены режимов охлаждения и нагрева. В соответствии с этим, типовая конструкция ТЭС медицинского назначения, как правило, включает в себя ТЭБ как источник теплоты, работающий в двух направлениях. В дополнение к нему каждая из конструкций содержит систему отвода теплоты от горячих спаев ТЭБ и систему сопряжения последней с биологическим объектом. В зависимости от способа применения некоторые из устройств могут иметь схему автоматического регулирования температуры.
Результаты экспериментальных исследований
Расчет осуществлялся в соответствии с режимами проведения тепловых физиотерапевтических процедур: диапазон температур биологического объекта - 277 315 К, длительность теплового воздействия - до 25 мин., возможность чередования режимов охлаждения и нагрева. За исходные данные принимались следующие величины: Хг = 0,407 Вт/(м-К), Х2 = 0,439 Вт/(м-К), 3=0,34 Вт/(м-К); Pl =1036 кг/м3, р2=1050 кг/м3, р3 =1036 кг/м3; с1=3458 Дж/(кг-К), с2=4020 Дж/(кг-К), с3=3127 Дж/(кг-К); QBHi=0, QBH2=30 Дж/(кг-с), На рисунках 2.6-2.7 изображены двумерные температурные поля сечения зоны средней трети плеча и предплечья при охлаждающем воздействии посредством исследуемой ТЭС при величине теплового потока на боковой поверхности биологического объекта, равного 2500 Вт/м2.
На рисунках 2.8-2.13 показаны соответствующие одномерные графики распределения температуры вдоль поперечной и продольной осей сечения средней трети плеча и предплечья, а также вдоль поперечной оси, проходящей через костную ткань. При этом для случаев, соответствующих указанным рисункам рассмотрены значения при различных величинах теплового потока на боковой поверхности объекта воздействия, равных - ЧТЭБ=2500 Вт/м 2 , qТЭБ = 2250 Вт/м 2 , qТЭБ = 2000 Вт/м 2 . В соответствии с приведенными характеристиками температура объекта воздействия с увеличением значения ЧТЭБ уменьшается. Для зон средней трети плеча и предплечья наибольшее понижение температуры приблизительно одинаково и наблюдается на слое кожи при qТЭБ = 2500 Вт/м 2 , равняясь 280 К. При этом температура в центральной части биологического объекта изменяется незначительно (на величину примерно 0,5 К), что определяется наличием внутренних удельных тепловыделений в объекте, а также его относительно небольшой теплопроводностью и высокой теплоемкостью.
Согласно рассмотренным графикам на распределение температуры в объекте воздействия определенным образом влияет наличие в его объеме костной ткани. При принятых условиях, определяющих отсутствие внутренних тепловыделений в костной ткани, такое изменение температуры составляет примерно 1-2 К по отношению к случаю, когда бы данный объект отсутствовал в объеме ткани.
На рисунке 2.14 изображено двумерное температурное поле сечения средней трети плеча при нагревающем воздействии посредством исследуемой ТЭС, а на рисунке 2.15 соответствующие данные для сечения предплечья, при величине теплового потока на боковой поверхности биологического объекта, равного 700 Вт/м2. Соответствующие одномерные графики приведены на рисунках 2.16-2.20. Данные зависимости по большей мере подобны полученным для случая работы ТЭС в режиме охлаждения. Очевидно, что отличие состоит в увеличении температуры всех зон биологического объекта с ростом значения qТЭБ, а также меньшими величинами теплопроизводительности ТЭБ для поддержания требуемого температурного уровня, определяемого методикой физиотерапевтических процедур. Для случая, соответствующего условиям численного эксперимента, максимальное увеличение температуры кожи средней трети плеча и предплечья (315 К) получено при qТЭБ =700 Вт/м 2 . Для случая работы ТЭС в режиме нагрева, наличие костной ткани в объеме биологического объекта также вносит соответствующие изменения в структуру его температурного поля. Указанное влияние соответствует работе ТЭС в режиме охлаждения и составляет также величину порядка 1-2 К.
В работе наряду с исследованием работы ТЭС в режиме равномерного нагрева или охлаждения также изучены возможности единовременного контрастного теплового воздействия на отдельные зоны руки человека. На рисунках 2.21-2.22 представлено двумерное температурное поле сечения зоны средней трети плеча и предплечья при контрастном тепловом воздействии, когда на правую поверхность биологического объекта поступает тепловой поток ЧТЭБо =-3500 Вт/м 2 , а на левую - ЧТЭБн =1000 Вт/м 2 . Соответствующие одномерные графики, отражающие распределение температуры указанной зоны руки вдоль поперечной оси для разных значений qТЭБ,, и яТЭБн, представлены на рисунках
Наличие на противоположных поверхностях тепловых потоков, имеющих разные знаки, изменяет температурное поле объекта по отношению к случаю его равномерного охлаждения, либо нагрева. Температура уменьшается от боковой поверхности, соответствующей тепловому потоку ЧТЭБн к поверхности, на которую поступает тепловой qТЭБo. При этом уменьшение значения qТЭБo от величины 3500 Вт/м2 до 2500 Вт/м2 при неизменном ЧТЭБн =юоо Вт/м 2 повышает температуру вдоль поперечной оси на 4 К. Данное обстоятельство определяет, что при проведении контрастных тепловых процедур с использованием разнознаковых тепловых потоков на противоположных поверхностях биологического объекта, для достижения необходимой температуры кожного покрова, требуется учет взаимного влияния qТЭБ н и яТЭБо.
Подбор яТЭБн и qТЭБo с соответствующим анализом температурного поля объекта воздействия по рассмотренной модели даст возможность оптимизировать энергетические параметры разработанной ТЭС.
Конструкция термоэлектрического устройства для теплового воздействия на отдельные зоны руки человека с возможностью регулирования плотности контакта с биологическим объектом
На основе разработанного экспериментального стенда, рассмотренного в предыдущем параграфе, была проведена серия натурных испытаний опытного образца ТЭС, позволяющая судить об адекватности практике разработанной для нее математической модели.
Основной задачей при проведении натурных испытаний опытного образца ТЭС являлось определение зависимостей изменения температуры в различных точках исследуемого объекта во времени при определенных величинах тока питания ТЭБ. Полученные значения сравнивались с теоретическими с соответсвующим определением расхождений между экспериментом и расчетными данными.
Основываясь на технических требованиях, предъявляемых к прибору при его работе, в процессе эксперимента задавались следующими исходными данными: допустимый диапазон температур биологического объекта -283-318 К; температура окружающей среды - 293 К; - точность поддерживания температуры - 0,5 К. На рис. 3.4-3.5 представлены кривые изменения температуры модели руки человека на уровне средней трети плеча, а на рис.3.6-3.7 предплечья во времени при охлаждающем и нагревающем воздействии для значений токов питания ТЭБ, равных 2,6 А, 2,9 А, 3,2 А, 3,5 А и 0,5 А, 0,7 А, 0,9 А, 1,1 А. Как следует из представленных данных продолжительность выхода в стационарный режим системы ТЭС - биологический объект соответствует полученным ранее расчетным результатам и составляет при работе системы в режиме охлаждения и нагрева около 15 мин. При этом увеличение значения тока питания ТЭБ приводит к уменьшению температуры биологического объекта при работе ТЭС в режиме охлаждения и увеличению его температуры при работе ТЭС в режиме нагрева, что соответствует повышению холодо- и теплопроизводительности ТЭМ. При этом необходимо отметить, что ток питания ТЭС при работе последней в режиме нагрева существенно меньше (1,1 А), чем в случае ее эксплуатации в режиме охлаждения (3,5 А), что определяется ограничением температуры кожного покрова значением 318 К, соответсвующим появлению болевых ощущений от процедуры. Также наблюдается различие температур средней трети плеча и предплечья на уровне примерно в 1 К при одних и тех же токах питания ТЭБ, что соответствует теоретическим данным.
При изучении параметров разработанной ТЭС представляет интерес оценка потерь, связанных с конечным значением коэффициента теплопередачи от устройства к биологическому объекту, а также оценка температуры опорных спаев ТЭБ. Для этого построены графики зависимости изменения во времени температуры в различных точках исследуемой системы, а именно непосредственно модели руки человека, холодного и горячего спая ТЭБ при тепловом воздействии на среднюю треть плеча. Графики приведены на рис.3.8-3.9 и соотвествуют токам питания ТЭБ в 2,5 А при работе ТЭС в режиме охлаждения и 1,5 А при работе ТЭС в режиме нагрева.
Согласно полученным данным разность температур между рабочими спаями ТЭБ и биологическим объектом составляет 3 К. Данные потери складываются из неплотности контакта между моделью руки и спаями ТЭБ, конечной величины коэффициентов теплопроводности элементов системы, а также теплопритоков из окружающей среды. Уменьшить перепад температур между биологическим объектом и спаями ТЭБ можно за счет использования специальной теплопроводной пасты, наносимой на поверхность объекта воздействия, а также уменьшением теплопритоков из окружающей среды за счет хорошей теплоизоляции участка руки, подвергающегося воздействию ТЭС. Т, К
Изменение температуры модели руки человека (средней трети плеча) во времени при охлаждающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ Изменение температуры модели руки человека (средней трети плеча) во времени при нагревающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ Изменение температуры модели руки человека (предплечья) во времени при охлаждающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ
Изменение температуры модели руки человека (предплечья) во времени при нагревающем воздействии для различных значений тока питания ТЭБ Изменение температуры в различных точках системы ТЭС -модель руки человека (средней трети плеча) во времени при нагревающем воздействии для 1 = 1,5 А 1 - горячий спай ТЭБ, 2 - биологический объект, 3 - холодный спай ТЭБ
Для изучения динамических режимов работы ТЭС получены кривые изменения температуры средней трети плеча человека (на соответствующей модели) во времени при изменении функционирования прибора с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот, приведенные на рисунках 3.10-3.11. Результаты рассмотрены для режимов: 1 - 1охл = 3,1 А, 1нагр = 0,9 А; 2 - 1охл = 2,8 А, Інагр = о,б А; 3 - 1охл = 2,5 А, Інагр = 0,3 А. Полученные данные также соответствуют результатам расчета. В обоих случаях продолжительность переходного процесса с режима охлаждения на режим нагрева и наоборот составляет порядка 17 мин, что с приемлемой точностью соответствует теоретическим выкладкам.
На рисунке 3.12 приведены результаты изменения температуры в охлажденных и нагретых областях модели руки человека (средней трети плеча) во времени при единовременном контрастном тепловом воздействии. При этом рассматривался случай, когда в режиме охлаждения и нагрева находились два соседних ТЭМ модуля при токах питания соответственно 1охл = 3,5 А и Інагр = із5 А. В соответствие с полученными данными при работе ТЭС в указанном режиме наблюдается взаимное влияние охлажденных и нагретых зон, что приводит к некоторому уменьшению уровня снижения (повышения) температуры биологического объекта по сравнению с равномерным тепловым воздействием. Данное отличие тем больше, чем сильнее различие в тепловых потоках на охлаждаемой и нагреваемой стороне (что соответсвует различию в величине токов питания ТЭБ), которое в случае, соответсвующем рис.3.12 составляет примерно 2,5-3 К. Данное обстоятельство следует учитывать при проектировании ТЭС путем подбора соответсвующих типов ТЭМ.
