Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы и постановка задач исследования 12
1.1. Современное состояние термоэлектрической холодильной техники 12
1.2. Методы расчета и моделирования электро- и теплофизических процессов в термоэлектрических холодильниках 21
1.3. Основные направления и технические средства для локального холодового и теплового воздействий в медицине 27
1.3.1. Механизмы, методы и средства холодового и теплового воздействий на организм 27
1.3.2. Полупроводниковые термоэлектрические устройства длядиагностики заболеваний и проведения лечебных процедур в медицине 44
1.4. Постановка задач исследования 56
ГЛАВА 2. Математические модели термоэлектрических холодильников дляхолодового и теплового воздействий на конечности человека 59
2.1. Анализ тепловых схем для исследования ТЭХ 59
2.2. Математическая модель тэх и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в стационарном режиме 64
2.3. Математическая модель тэх и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в нестационарном режиме 81
2.4. Математическая модель тэх и зоны воздействия при локальном холодовом и тепловом воздействиях на биологические ткани человеческого организма 93
2.5. Выводы 103
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования термоэлектрических холодильников для холодового и теплового воздействий на конечности человека . 105
3.1. Описание экспериментального стенда и методика проведения опыта .106
3.2. Экспериментальные исследования термоэлектрического холодильника для холодового и теплового воздействий на стопу человека 110
3.3. Сравнительный анализ данных испытаний с результатами численного эксперимента 125
3.4. Оценка погрешности измерений 129
3.5. Выводы 131
ГЛАВА 4. Разработка полупроводниковыхтермоэлектрических холодильников для медицины 133
4.1. Термоэлектрические холодильники для холодового и теплового воздействий на стопу человека 133
4.2. Термоэлектрический холодилдьник для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма 140
4.3. Термоэлектрический холодильник для локального контрастного температурного воздействия 143
4.4. Методика применения термоэлектрических холодильников для холодового и теплового воздействий в медицине 146
4.5. Выводы 154
Заключение 156
Литература 158
- Механизмы, методы и средства холодового и теплового воздействий на организм
- Математическая модель тэх и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в стационарном режиме
- Экспериментальные исследования термоэлектрического холодильника для холодового и теплового воздействий на стопу человека
- Термоэлектрический холодилдьник для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма
Введение к работе
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция расширения круга задач, в которых находит применение термоэлектрическое охлаждение, что обусловлено возросшим во всем мире спросом на компактные, бесшумные и надежные устройства охлаждения. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических холодильников (ТЭХ) в различных областях техники. В результате этих работ были синтезированы новые полупроводниковые сплавы, которые позволили применить эффект Пельтье на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов с характеристиками, не уступающими другим способам охлаждения [106,107]. Перспективы развития и внедрения термоэлектрических преобразователей тепла и генераторов электрической энергии определяются целым рядом преимуществ, особенно эксплуатационных, которыми они обладают по сравнению с существующими аналогами. Это возможность получения искусственного холода на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода и тепла; простота реализации; компактность; взаимозаменяемость; высокая надежность; экологическая безопасность [71].
Повышение энергетических показателей ТЭХ связано также с поиском новых материалов, обладающих высокой термоэлектрической эффективностью, и исследованием методов их получения. Однако наличие качественных материалов является только необходимым, но недостаточным условием для создания термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и термоэлектрических охладителей (ТЭО) с высокими энергетическими показателями [223]. На эффективность данных устройств существенное влияние оказывают не только параметры полупроводникового вещества, но и особенности их конструктивного исполнения, тепловые схемы термоэлектрических преобразователей, режимы их работы, условия теплообмена и т.д.
Повышенный интерес к термоэлектрическим преобразователям связан прежде всего с экологическими ограничениями на использование хлор-фторсодержаших рабочих тел в парокомпрессионных холодильных машинах. Кроме того, появились обнадеживающие результаты исследований, направленных на повышение эффективности термоэлектрического вещества. Так, в исследованиях сверхрешеток с квантовыми ямами (QWSL-структур) удалось добиться значительного увеличения термоэлектрической добротности по сравнению с исходными материалами.
Термоэлектричество, все активнее начинает использоваться в самых разных сферах: железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, авиационная и космическая техника, промышленная электроника и энергетика, коммутационное и компьютерное оборудование, бытовая техника [54, 72, 86, 113, 117, 195, 196]. За последние годы проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований ТЭХ, результаты которых подтверждают возможность широкого применения термоэлектрических систем (ТЭС). Однако, несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день не решен вопрос о создании ТЭХ для физиотерапии, позволяющих с максимальной эффективностью использовать все преимущества как "холодового", так и теплового воздействий для лечения человека.
Анализ возможных систем охлаждения для воздействия на биологический объект показал, что реализация сочетания режимов охлаждения и нагрева путем использования других холодильников возможна только при наличии дополнительных устройств нагрева.
В связи с этим ТЭХ становятся вне конкуренции по сравнению с другими способами охлаждения, так как предполагают организацию режима реверса. Именно поэтому в диссертационной работе в качестве холодильника для воздействия на биологический объект был выбран ТЭХ, с помощью которого путем простого переключения направления тока возможен переход с режима охлаждения в режим нагрева и наоборот.
В условиях современности, когда реальностью нашей жизни является возрастающее количество больных, необходимость воздействовать на организм человека средствами, обеспечивающими эффективность лечения, становится наиболее актуальной задачей. Сегодня все большее распространение для лечебно-профилактических целей приобретают немедикаментозные методы, среди которых ведущее место занимают естественные физические факторы, которые обладают адаптогенным, успокаивающим, болеутоляющим, противовоспалительным и антиспазмическим действием, способствуют повышению естественного и специфического иммунитета, образованию в организме биологически активных веществ. [81, 98, 199,200, 202].
Локальное тепловое воздействие - один из наиболее широко применяемых и эффективных методов медицинской реабилитации при экстремальных состояниях. Среди огромного арсенала физических факторов, используемых в медицинской практике, важную роль занимают факторы теплового воздействия [138, 173]. Средства теплолечения, как активное восстановительное лечение, применяются в период реконвалесценции для стимуляции жизнедеятельности организма, при развитии осложнений (например, длительном болевом синдроме), травматических поражениях опорно-двигательного аппарата, в период заживления ран, при состояниях переохлаждения, при воздействии на биологически активные точки и т.п. Причем воздействие различными температурными раздражителями необходимо повторять таким образом, чтобы каждое последующее воздействие оказало влияние на организм тогда, когда еще не исчезло последействие предшествовавшего.
Механизм термотерапии достаточно сложен и складывается из местных и общих реакций. Очаговые реакции проявляются в улучшении крово- и лимфообращения и нервнотрофических процессов, что обуславливает противовоспалительный, обезболивающий и рассасывающий эффект. В свою очередь, общие реакции связаны с рефлекторно-гуморальными влияниями на нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную и другие системы организма, которые бы обеспечивали бы его саморегуляцию. Следует отметить, что оптимальная реакция возникает только в тех случаях, когда нет чрезмерной тепловой нагрузки на организм, и изменения на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях не перекрываются последствиями процесса нагрева биологических тканей. Холод и тепло, прежде всего, действуют на кожу, играющую важную роль в жизнедеятельности организма и теснейшим образом связанную с центральной нервной системой. Вместе с тем, раздражая периферические рецепторы, тепло и холод влияют на весь организм. Действие их реализуется через кровь, которая нагревается (охлаждается) и обогащается различными биологически активными веществами, а, разносясь по организму, влияет на различные органы и ткани.
Таким образом, использование физиотерапевтических факторов для воздействия на отдельные органы человеческого организма на сегодняшний день актуально, что приводит к необходимости разработки ТЭХ для реализации новых методик лечения путем холодового и теплового воздействий.
Существующие в настоящее время методы и средства для проведения физиотерапевтических процедур с использованием контрастного и теплового воздействия (контрастные ванны, парафино- и озокеритолечение, водяные и электрические грелки, компрессы, нагретый песок и др.) [74,86,95], а также различные устройства, работа которых основана на использовании твердых и жидких хладоагентов не всегда обеспечивают требуемые медицинскими показаниями температурный режим и частоту переключения режимов воздействия, и отличаются большой инерционностью, большими геометрическими размерами и низкой точностью дозирования холодового и теплового воздействий.
Решение задачи обеспечения сочетания режимов холодового и теплового воздействий при различной длительности импульсов, а также контроль их температурных уровней, возможен только путем использования ТЭХ. Оптимальным режимом переключения холодового и теплового воздействий, определенных биологическим объектом, является 3-5 минут при холодовом воздействии и 2-3 минуты - при тепловом воздействии. За один цикл охлаждения ТЭХ переходит от принудительного режима в режим максимальной энергетической эффективности и далее в режим максимальной холодопроизводительности. При таких кратковременных циклах работы ТЭХ изменяются их характеристики, в частности, холодильный коэффициент, максимальная холодопроизводительность, что требует проведения специальных исследований. Так как эффект холодового воздействия на биологический объект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма, в работе учитывалось использование слоя гранулята между термоэлектрической батареей (ТЭБ) и объектом воздействия.
В связи с этим диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих в ТЭХ при различных режимах их работы, и их применению в медицинской практике.
Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в ТЭХ и их оптимизация в соответствии с определяемыми объектом воздействия режимами работы, разработка и создание на основе ТЭХ новых устройств для комплексного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма при проведении физиотерапевтических процедур, обеспечивающих точность дозировки температурных уровней и высокую надежность, а также проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТЭХ, работающих в этих режимах, которые требуют соответствующих математических моделей, и методик расчета.
Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ существующих методов холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма и определить рациональные режимы работы ТЭХ в медицине для различных условий эксплуатации.
2. Разработать комплексную математическую модель ТЭХ, удовлетворяющую техническим требованиям, предъявляемым объектом воздействия.
3. Разработать новые конструктивные варианты ТЭХ для холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма на основе проведенных исследований.
4. Провести комплекс экспериментальных исследований ТЭХ с целью подтверждения полученных теоретических данных.
5. Практическая реализация результатов работы.
Для решения поставленных задач был проведен литературный и патентный обзор по известным методам и устройствам температурного воздействия, а также рассмотрены вопросы использования термоэлектрических явлений в медицинской практике. На основе проведенного анализа возможного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма и рассмотрения режимов работы ТЭХ, сочетающих в себе и тепловое воздействие, соответствующие определенному типу лечебных процедур, разработаны математические модели ТЭХ в различных режимах: стационарном и нестационарном. В данных моделях при решении уравнения Фурье использовался метод преобразования Лапласа.
Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для ТЭХ на специально созданном стенде и разработанным методикам проведения испытаний.
Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭХ для холодового и теплового воздействий на конечности человека, провести обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и сравнительный анализ с другими способами охлаждения.
В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:
1) Метод локального теплового воздействия на основе ТЭХ для проведения физиотерапевтических процедур, позволяющий обеспечить контрастное холодовое и тепловое воздействия с высокой точностью регулировки с требуемой объектом воздействия частотой переключения режимов и с высокой точностью регулировки их температурных уровней, совмещающий в себе эффект механического массажа.
2) Математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ с учетом параметров объекта воздействия, учитывающие тепловую нагрузку через теплофизические параметры стопы и тепловое сопротивление через "неплотность" контакта объекта и средства воздействия.
3) ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма, имеющие возможность работы в различных частотах переключения режимов работы, обеспечивая возможность умеренно низких и умеренно высоких температур. Полученные в работе методики температурных воздействий на органы человека могут быть использованы в различных областях медицины, в частности в физиотерапии и рефлексотерапии, при лечении и профилактике многих заболеваний.
Механизмы, методы и средства холодового и теплового воздействий на организм
На восприятие холода и тепла человеком, а, следовательно, и на реакции его организма, влияет не только температура. Весьма существенную роль играет разница температур лечебного фактора и поверхности тела в момент воздействия. Чем она больше, тем более отчетливо организм воспринимает термическую процедуру и активнее реагирует на нее. Необходимо учитывать и подвергающуюся воздействию площадь тела. Чем больше поверхность соприкосновения тела с теплоносителем, тем резче выражена реакция организма.
Известно, что все жизненно важные процессы протекают в нашем организме в определенном температурном интервале: 35-42С. Повышение температуры тела в пределах этого интервала увеличивает скорость всех биохимических реакций и, наоборот, при понижении температуры происходит их заметное торможение. Наиболее интенсивно они протекают при температуре 40-41 С. Под действием энергии, поступающей в организм из окружающей среды, усиливается кровообращение, ускоряется обмен веществ в тканях организма, существенно уменьшаются спастические явления, увеличивается скорость движения лимфы и отток патологических продуктов. При дальнейшем повышении температуры происходит не ускорение, а, наоборот, замедление всех физиологических процессов; в организме возникает ряд изменений необратимого характера (изменяется вязкость крови и лимфы, набухает протоплазма, изменяется дисперсность коллоидов и т.д.) и жизнь прекращается [160].
Однако, как показали проведенные исследования, не менее важное значение имеет и холодовое воздействие. Под действием холода, наоборот, происходит сужение сосудов, движение крови и лимфы замедляется, нервно-мышечные ткани теряют возбудимость, что уменьшает болевые ощущения, в коре головного мозга усиливаются тормозные процессы, пульс и дыхание замедляются.
Однако при местном и кратковременном охлаждении число и сила сердечных сокращений увеличиваются, и за счет этого повышается артериальное давление крови, пульс улучшается. При локализации холода на сравнительно небольшом участке тела ткани способны охлаждаться до сравнительно низких температур, так как структура белковых молекул при этом не изменяется, и ферменты не разрушаются.
Эти особенности температурного воздействия нашли достаточно широкое применение в медицине.
Положительное действие холода во многом обусловлено физиологической реакцией организма, которая носит фазовый характер [51]. При раздражении кожи холодом в первый момент возникает спазм ее мелких сосудов (первая фаза реакции). В ответ на сигналы о снижении температуры кожи через механизм центральной нервно-эндокринной регуляции организма включаются механизмы несократительного термогенеза, что обусловливает ускорение обменных процессов главным образом в печени и поперечных полосатых мышцах. Вследствие этого температура в глублежащих тканях и внутренних органах повышается, что в свою очередь через систему терморецепторов внутренних органов и центральную нервную систему приводит к компенсаторному увеличению микроциркуляции в коже. Увеличивается количество капилляров и расширяется просвет функционирующих. Внешне это проявляется гиперемией кожи (вторая фаза реакции). Эта фаза сопровождается приятным ощущением тепла, бодрости.
В работах ряда авторов [193] показаны большие размерности приспособительных реакций организма к холоду. В этих реакциях у человека на первое место выступает физическая терморегуляция, обеспечивающая уменьшение теплоотдачи. Однако, уменьшение теплоотдачи на холодовое воздействие сочетается с повышением теплообразования. Увеличение теплообразования при охлаждении происходит в результате повышения основного обмена, главным образом углеводного, белкового и ферментативного. В силу ряда обстоятельств охлаждать человека до температуры, меньшей +10 - +12С рискованно. Но даже и эта гипотермия, названная умеренной полезна для лечения тяжелых заболеваний.
При местном интенсивном действии холода число сердечных сокращений уменьшается, сила сокращений увеличивается, вместе с тем отмечается лучшее наполнение пульса и нередко выраженное повышение артериального давления.
Кратковременное раздражение холодом повышает возбудимость нерва. Длительное или очень интенсивное воздействие холодом вызывает, наоборот, понижение или полное угнетение возбудимости и проводимости нервной ткани. Так, уменьшение болевых ощущений можно вызвать непосредственным воздействием холода не только на ту область, где ощущается боль, но и на соответствующий чувствительный нерв (при условии его поверхностного залегания) [130, 182].
Локальное и общее температурное воздействие применяется и при различных физиологических процедурах. Особенно это явно проявляется при теплолечении.
Обычно для нагрева выбирают сравнительно доступные среды, в которых можно создавать значительные запасы тепловой энергии, а затем ее медленно передавать организму. Физические свойства таких сред обусловливаются их назначением. Во-первых, используемые среды должны иметь большую удельную теплоемкость (например, вода) или удельную теплоту фазового превращения (парафин, лед). Во-вторых, среды, накладываемые непосредственно на кожу, не должны вызывать болезненных ощущений. Так, например, вода, применяемая для лечения, имеет температуру до 45С, а торф и грязи - до 50С, так как теплообмен в этих средах меньше, чем в воде. Парафин нагревают до 60 - 70С, так как он обладает небольшой теплопроводностью, а части парафина, непосредственно прилегающие к коже, быстро остывают, кристаллизуются и задерживают приток тепла от остальных его частей [153].
Математическая модель тэх и объекта воздействия при холодовом и тепловом воздействиях в стационарном режиме
Обзор существующей литературы, посвященной методам и средствам местного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма, выявил отсутствие развитого математического аппарата в этой области. Вместе с тем, без корректного математического описания теоретических процессов, происходящих, как в самом объекте воздействия (в данном случае конечностях человека), так и в приборе, осуществляющем это воздействие, невозможно оценить эффективность проведения процедур, выявить необходимый (достаточный) температурный диапазон воздействия, определить оптимальные параметры устройства (мощность, форму, размеры) и установить связь между условием проведения процедур и конечным результатом.
Настоящая глава посвящена вопросу математического моделирования ТЭХ для местного температурного воздействия на отдельные зоны конечностей человека.
В человеческом организме имеется ряд областей, насыщенных биологически активными точками. Помимо сегментарных на теле человека имеются и рефлексогенные зоны, соответствующие проекции различных органов и частей тела на кору мозга и топографически локализованные в определенных областях. В исследованиях, проведенных в этой области [98] показано, что в биологически активной точке и прилегающей к ней зоне имеются подкожные нервы, вены, артерии. Часто под зоной такой точки обнаруживают лимфатические сосуды, скопления клеток, играющих важную роль в обменных процессах организма. Воздействие на эти зоны (в том числе и тепловое) раздражает многочисленное количество рецепторов, что вызывает многообразные ответные биологические реакции.
К таким зонам относятся ладонная поверхность кисти, подошва стопы, зона области носа, ушная раковина и т.д. Именно поэтому в качестве объекта воздействия нами была выбрана область стопы, лечебная эффективность воздействия на которую обусловлена тем, что на подошве сконцентрирована масса кожных рецепторов: сюда выходят до 72 тысяч нервных окончаний, через которые организм связан с внешней средой. Зоны (точки) на стопах взаимосвязаны с внутренними органами посредством их общей проекции на уровне высших нервных (вегетативных) центров и их стимуляция приводит к определенным реакциям со стороны внутренних органов.
Анализ возможного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма (в дальнейшем объект воздействия) приводит к необходимости рассмотрения режимов работы ТЭХ, сочетающих холодовое и тепловое воздействия, соответствующие определенному типу лечебных процедур, приведенные на рис. 2.1.1
Каждая из приведенных на рис. 2.1.1 схема воздействия соответствует определенному типу лечебных процедур. Представленная на рис. 2.1.1 (а) схема соответствует наиболее простым для реализации процедурам, связанным с температурным воздействием на подошву стопы. Здесь предполагается непосредственный контакт объекта воздействия - подошвы стопы через эластичную высокотеплопроводную прослойку с ТЭБ. При этом тыльная часть стопы находится в тепловой изоляции.
Вторая схема, изображенная нарис. 2.1.1 (б), отличается от предыдущей наличием на верхней поверхности стопы второй ТЭБ. Если в первом варианте в процессе процедур охватывалась только подошвенная сторона, то в этом случае температурному воздействию подвергается и тыльная поверхность стопы, также весьма насыщенная кожными рецепторами, что значительно усиливает эффективность процедур за счет улучшения трофики тканей, подвергающихся воздействию.
Схема, приведенная на рис. 2.1.1 (в), как и первая предназначена для проведения терапевтических процедур на стопу человека. Для данного типа процедур, кроме температурного воздействия, имеет место и механическое, связанное с перемещением объекта воздействия по грануляту. При этом наличие гранулята требует введения при построении математической модели дополнительного условия, связанного с неплотностью теплового контакта между гранулятом и подошвой. Одновременное температурное и механическое воздействие на подошвенную поверхность стопы усиливает лечебный эффект, связанный с тепловым и механическим массажем.
Схема, представленная на рис. 2.1.1 (г) является наиболее общим случаем физиотерапевтических процедур на стопу человека. В данном случае температурное и механическое воздействие на стопу оказывается и с нижней поверхности (подошвы) и с ее тыльной стороны. Подобный тип процедур является наиболее приемлемым, учитывая повышение терапевтического эффекта за счет одновременного воздействия "холодом", "теплом", и механическим массажем. Основываясь на рассмотренных схемах, составим математические модели температурного воздействия посредством ТЭБ на отдельные зоны конечностей человека.
Экспериментальные исследования термоэлектрического холодильника для холодового и теплового воздействий на стопу человека
Для проведения экспериментальных исследований ТЭХ для воздействия на стопу человека нами был собран стенд [129], принципиальная схема которого приведена на рис. 3.1 Л, а внешний вид - на рис. 3.1.2.
Объектом экспериментальных исследований являлся опытный образец ТЭХ для воздействия на стопу человека, изготовленный в виде кожуха 1, содержащий термобатарею, выполненную из стандартных унифицированных ТЭМ 2, одними спаями приведенную в тепловой контакт с основанием кожуха в виде медной пластины 3, с возможным заполнением медным гранулятом 4. Противоположные спаи ТЭБ находились в тепловом контакте с жидкостным теплообменником 5, предназначенным для съема тепла.
При проведении эксперимента опытный образец помещался в теплоизолированную климатическую камеру 13, термостатируемый рабочий объем которой составляет 120 л. Камера обеспечивает поддержание температуры в пределах от 283 до 343 К с точностью 1 Си при относительной влажности от 30% до 98%. Заданная температура и относительная влажность в камере регулируется блоком управления 15, связанным с датчиком температуры и влажности 14, показания которого регистрируются цифровым табло 16.
В качестве ТЭБ использовались 6 стандартных унифицированных ТЭМ типа ICE-71, выпускаемых инженерно-производственной фирмой «Криотерм» [235], соединенных параллельно. Питание ТЭМ осуществлялось источником электрической энергии. Скорость течения жидкости в теплообменнике регулировалась посредством регулятора 12. Для проведения измерений использовались встроенные в источник электрической энергии амперметр и вольтметр, датчик скорости потока жидкости в регуляторе скорости течения жидкости и многоканальный измеритель ИРТМ 2402/ МЗ, подключенный к ПЭВМ.
В ходе эксперимента определялись напряжение и ток на ТЭБ, температура окружающей среды, температуры в различных точках опытного образца. Измерения температуры проводились посредством медь-константановых термопар 10, опорные спаи которых размещались в сосуде Дьюара 9, а сигнал снимался измерителем ИРТМ 2402/ МЗ.
Термопары размещались на опорных и рабочих спаях ТЭМ, на входе-выходе теплообменника, на поверхности пластины (край и центр), в окружающей среде, на слоях гранулята (при использовании последнего в процессе проведения опыта), а также непосредственно на биологическом объекте (в данном случае стопа пациента).
Измерения проводились для случая холостой работы устройства (без тепловой нагрузки), с тепловой нагрузкой, при отсутствии и наличии гранулята в устройстве (измерения проводились при использовании гранулята разного диаметра, начиная с 4 мм и заканчивая 10 мм шагом 2 мм). Эксперимент проводился при непосредственном тепловом воздействии на стопу человека, температура которой контролировалась термопарами, установленными на подошве стопы.
В процессе эксперимента выходные сигналы с термопар поступали на вход измерителя ИРТМ 2402/МЗ, предназначенного для многоканального измерения температуры, а также других неэлектрических величин. Существенными преимуществами данного измерителя являются многоканальность, наличие встроенного интерфейса RS232 для обмена информацией с ПЭВМ, следствием чего является простота представления и обработки полученной информации. Перед проведением эксперимента проверялась надежность тепловых и электрических контактов. Опыты проводились сериями по пять экспериментов в идентичных условиях. На основе экспериментального стенда, описанного в предыдущем параграфе, нами был проведен ряд опытов, позволяющих судить о приемлемости разработанной в настоящей работе математической модели устройства для воздействия на конечности человека. Основной задачей при проведении экспериментальных исследований опытного образца термоэлектрического устройства являлось определение зависимости температуры исследуемого объекта от времени при » фиксированных значениях тока питания ТЭБ. Важным являлось сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими с целью проверки адекватности математической модели практике. Исходя из технических требований, предъявляемых к устройству при его эксплуатации, в процессе эксперимента задавались следующими исходными данными: - диапазон температурного воздействия - от 10 до 45 С; - температура окружающей среды - 25-27С; - точность поддержания температуры - 0,5С; - охлаждение опорных спаев ТЭБ осуществлялось жидкостным теплообменным аппаратом. На рис. 3.2.1 приведены графики изменения температуры пластины во времени при токах питания ТЭБ в ЗА, 4А и 5А для работы термоэлектрического устройства в режиме охлаждения (рис. 3.2.1, а) и в режиме нагрева (рис. 3.2.1,6).
Термоэлектрический холодилдьник для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма
Структурная схема разработанного нами ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека [46] приведена на рисунке 4.1.1, а внешний вид - на рисунке 4.1.2. Устройство содержит термоэлектрическую батарею (ТЭБ) 1, первыми спаями находящуюся в тепловом контакте с нижней поверхностью стопы человека 2 через ванночку 3, выполненную из высокотеплопроводного материала, на дне которой располагаются металлические шарики 4, также изготовленные из материала с высокой теплопроводностью. Отвод тепла со вторых спаев ТЭБ 1 производится жидкостным теплообменником 5. Управление режимами работы ТЭБ 1 осуществляется программированным блоком питания.
Устройство работает следующим образом. Пациент помещает стопу 2 в ванночку 3. Врач начинает проведение процедуры с включения программируемого блока питания, который по заданной программе осуществляет питание электрическим током необходимой величины и полярности ТЭБ 1. При этом одни спаи ТЭБ 1 нагреваются, другие охлаждаются, изменяя температуру шариков 4, от размеров которых зависит степень теплового воздействия, причем помимо температурного воздействия оказывается и механическое воздействие посредством возвратно поступательного движения ногой по поверхности шариков 4, что позволяет одновременно достигать эффект лечебного массажа. Необходимая температура воздействия лежит в следующих пределах: температура охлаждения - 15-18С, температура нагрева - 42-45С. Анализ конструкции данного устройства показал его высокую практичность, но вместе с тем обнаружился и некоторый недостаток, заключающийся в том, что на верхнюю поверхность стопы, так же богатую нервными рецепторами, не оказывается тепловое воздействие. Для устранения этого недостатка нами разработано устройство [45], структурная схема которого приведена на рисунке 4.1.3. Устройство содержит две термоэлектрические батареи (ТЭБ) 1 и 2, первыми спаями находящиеся в тепловом контакте со стопой человека 3 через прослойки, выполненные в виде герметичных тонкостенных эластичных емкостей из высокотеплопроводного материала 4 и 5, заполненных жидкостью с высоким коэффициентом теплопроводности 6. Отвод тепла со вторых спаев ТЭБ 1 и 2 производится жидкостными теплообменниками 7 и 8 соответственно. ТЭБ 1 первыми спаями сопряжена через тонкостенную эластичную емкость 4 с нижней поверхностью стопы человека. ТЭБ 2 посредством стойки, состоящей из секций 9, 10, 11, соединенных между собой шарнирами 12, прилегает через тонкостенную эластичную емкость 5 к верхней поверхности стопы человека. Секция 10 стойки выполнена телескопической. Управление режимами работы ТЭБ 1 и 2 осуществляется двухканальным программируемым источником электрической энергии (на фиг.1 не указан). Независимое управление работой ТЭБ 1 осуществляется по одному каналу, ТЭБ 2 - по другому. Принцип работы предлагаемого устройства следующий. Пациент помещает стопу 3 на тонкостенную эластичную емкость 4, заполненную теплопроводящей жидкостью 6, которая под воздействием веса ноги принимает форму подошвы. Для осуществления теплового воздействия на верхнюю поверхность стопы 3 пациента на нее кладется тонкостенная эластичная емкость 5. С другой стороны емкости 4 и 5 приводится в тепловой контакт с первыми спаями ТЭБ 1 и 2. Место расположения тонкостенной эластичной емкости 5 и сопряженной с ней ТЭБ 2 определяется при помощи секции 10 и шарниров 12 в соответствии с геометрическими размерами стопы 3 пациента. При осуществлении процедур врач включает двухканальный программируемый источник электрической энергии, который по заданной программе осуществляет питание электрическим током ТЭБ 1 и 2. Причем, питание ТЭБ осуществляется таким образом, что одна батарея работает в режиме нагрева, а другая - охлаждения. Через некоторый промежуток времени происходит переключение режимов работы ТЭБ: та ТЭБ, что нагревала стопу человека, начинает ее охлаждать, а та, что охлаждала - нагревать. Данное устройство просто в изготовлении, обладает высокой надежностью и не требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Предлагаемое устройство может работать в различных температурных режимах, при этом малая инерционность термомодулей позволяет осуществить быстрый переход с одного режима на другой, что позволяет чередовать воздействие теплом и холодом.
Контрастные процедуры, т.е. чередование воздействием тепла и холода, направляя кровоток то к коже, то в глубь организма, улучшают микроциркуляторные процессы, причем для большего эффекта рекомендуется одновременное использование механического массажа, реализуемого при перемещении стопы по рельефной поверхности.
Для данной цели разработано устройство, которое представляет собой рамку 1, выполненную из высокотеплопроводного материала (например, меди), две противоположные боковые поверхности которой с внешней стороны сопряжены с первыми спаями термоэлектрических батарей 2, вторыми спаями приведенными в тепловой контакт с теплообменниками 3 (например, жидкостными).
