автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Биотехнические системы термостабилизации для трансфузионной терапии

Введение

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ В ТРАНСФУЗИОЛОГИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Температурный фактор в терапии различных заболеваний

1.2. Термостабилизация в трансфузиологии

1.3. Оценка состояния и развития термоэлектрического приборостроения

1.4. Термоэлектричество в биологии и медицине

1.5. Постановка задач исследования

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕРМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В

СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

2.1. Биотехническая система термостабилизации для трансфузионной терапии

2.2. Математическая модель термоэлектрического устройства для термостабилизации замкнутого объема

2.3. Математическая модель термоэлектрического стабилизатора температуры проточного типа

2.4. Результаты численного эксперимента и анализ влияния конструктивных, теплофизических и режимных параметров на выходные характеристики термоэлектрических термостабилизаторов

2.5. Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ТРАНСФУЗИОННЫХ СРЕДСТВ

ЗЛ. Описание стендов и методика проведения испытаний

3.2. Результаты экспериментальных исследований термоэлектрических систем для термостабилизации трансфузионных средств

3.2.1. Экспериментальные исследования термоэлектрического термостата объемного типа

3.2.2. Экспериментальные исследования термоэлектрического термостата проточного типа

3.3. Оценка погрешностей измерений

3.4. Выводы

4. РАЗРАБОТКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ

ТРАНСФУЗИОННОЙ МЕДИЦИНЫ

4.1. Термоэлектрический стабилизатор температуры трансфузионных средств объемного типа

4.2. Термоэлектрический стабилизатор температуры трансфузионных средств проточного типа

4.3. Методика проведения лечебных процедур с применением разработанных полупроводниковых термоэлектрических систем для регулировки температуры трансфузионных средств

4.4. Выводы

Современный этап развития общества характеризуется возникновением большого числа политических, техногенных и экологических катастроф, ослаблением иммунной системы человека в результате влияния техногенного фактора, появлением новых форм заболеваний и поражений человеческого организма, требующих адекватных методов защиты и лечения и т.д. В этих условиях возникает необходимость в целенаправленном воздействии на организм человека современными средствами для проведения эффективного лечения и реабилитации пострадавших. Важное место среди современных средств лечения занимает трансфузионная медицина.

Трансфузиология - раздел медицинской науки об управлении функциями организма путем целенаправленного воздействия на морфологический состав и физиологические свойства крови введением органических и неорганических трансфузионных средств (ТС) в сосудистое русло человека. Предметом исследования современной трансфузиологии являются органические и неорганические ТС и механизмы их действия на организм человека. Исследование механизма действия ТС заключается в установлении закономерностей их влияния на организм в целом и на отдельные его системы (особенности воздействия, направленность, ближайшие и отдаленные последствия при введении различных ТС в зависимости от тактики их применения, дозировок, сочетаний и т.д., а также от исходного состояния организма).

Кроме самих вводимых веществ (химического состава и совместимости с акцептором) для трансфузиологии не менее важным является сам процесс подготовки и введения этого вещества. Ведь здесь используются различные биологические жидкости, которые очень критичны к транспортировке и хранению (кровь, плазма), а действие многих препаратов зависит от физических параметров, при которых это вещество вводится в организм человека.

Основными физическими параметрами, которые могут регулироваться при введении ТС в организм человека, являются температура вводимой жидкости и скорость ее потока, причем точность этой регулировки имеет очень большое значение. В медицинской практике возможно наступление таких состояний, как гипертермический синдром (чаще у детей), тиреотоксический криз и др., при которых обычные мероприятия по гипотермии не эффективны. В этих ситуациях, наряду с традиционной терапией, возникает необходимость охлаждения вливаемых внутривенно ТС. Достаточно снизить температуру ТС на 2 - 3 °С, доведя ее до +33 -+34°С, чтобы почувствовать положительный эффект. Минимальная температура ТС в процессе трансфузии - +24°С. Наоборот, при оказании помощи в экстремальных ситуациях (переохлаждение, замерзание) температура вводимых ТС может быть постепенно повышена до +39°С.

Цельная кровь и ее компоненты (плазма, эритроцитная масса, лейкоцитарная масса и др.) после заготовки хранятся в холодильнике при температуре +4°С. Перед переливанием во всех случаях необходимо их подогреть до температуры тела (+36 -т- +37°С). Все кровезаменители также должны быть подогреты до этой температуры перед трансфузией.

При оказании помощи в экстремальных ситуациях (переохлаждение, замерзание) температура вводимых ТС может быть постепенно повышена до +39°С. При повышении температуры выше +39°С может произойти денатурация белка.

При снижении общей температуры тела человека снижается скорость обмена веществ, уменьшается потребность тканей в кислороде, суживаются сосуды среднего и меньшего калибра, за счет чего уменьшается кровоточивость тканей. Поэтому при операциях на сердце, крупных сосудах, головном мозге и других подобных операциях используется искусственная гипотермия. Снижение температуры тела в этих случаях достигается сочетанием химических препаратов и физических факторов, в том числе вливанием охлажденных ТС.

Существующие в настоящее время устройства для проведения трансфузии не всегда предоставляют возможность регулировки температуры вводимого в организм пациента ТС, а если и предоставляют, то это регулировка только в сторону повышения температуры.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом уделяется большое внимание вопросу использования полупроводниковых термоэлектрических систем (ТЭС) в различных отраслях народного хозяйства. Важное место здесь занимает исследование применимости термоэлектрических преобразователей в области здравоохранения. Это обусловлено рядом достоинств ТЭС, некоторые из которых особо важны для медицины, к числу которых относятся [127]: отсутствие токсичных рабочих тел; отсутствие шума и вибрации (кроме побудителей расходов); простота управления и возможность реверсирования теплового потока; быстрый выход на режим; высокая надежность; теоретически неограниченный ресурс работы; гравитационная независимость; высокая конструктивная пластичность; хорошие массогабаритные характеристики; эффективность при малых тепловых нагрузках; сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода или тепла и теплообменный аппарат; простота устройства, компактность и взаимозаменяемость, возможность применения практически любой компоновочной схемы.

За последние два десятилетия проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований полупроводниковых ТЭС. Накопленный опыт по эксплуатации, надежности, работоспособности в специфических условиях и др. технико-экономическим показателям подтверждает возможность широкого применения ТЭС.

Несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день не решен вопрос о создании ТЭС для трансфузиологии, позволяющих с максимальной эффективностью использовать все преимущества термоэлектрической стабилизации температуры для лечения человека.

Актуальность рассматриваемой в работе проблемы непосредственно связана с необходимостью разработки и всестороннего исследования полупроводниковых ТЭС термостабилизации ТС.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка на основе полупроводниковых термоэлектрических преобразователей (ППТЭП) биотехнической системы (БТС) термостабилизации ТС.

Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать БТС для термостабилизации ТС в процессе трансфузии.

2. Разработать метод проведения трансфузии с термостабилизацией ТС при протекании последнего по трубке одноразовой системы переливания.

3. Разработать теоретические основы ТЭС стабилизации температуры ТС как в объеме хранения, так и протекающего по системе переливания.

4. Провести экспериментальную проверку полученных теоретических результатов путем физического моделирования.

5. На основе проведенных исследований разработать различные конструктивные варианты новых ТЭС для термостабилизации ТС.

6. Практическая реализация результатов работы.

Результаты теоретических исследований подтверждены серией экспериментов, проведенных для БТС термостабилизации на специально созданном стенде, и разработанными методиками проведения испытаний. Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭС термостабилизации, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и сравнительный анализ с другими способами отвода теплоты и термостатирования.

В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:

1) Метод термостабилизации ТС, протекающего по трубке одноразовой системы переливания, удовлетворяющий всем гигиеническим требованиям и повышающий точность регулировки температуры.

2) Математическая модель ТЭС термостабилизации ТС проточного типа, учитывающая тепловое сопротивление стенки трубки одноразовой системы переливания.

3) Разработка ТЭС термостабилизации ТС в объеме хранения, отличающаяся от аналогов тем, что позволяет регулировать температуру ТС непосредственно в процессе трансфузии.

4) Разработка ТЭС термостабилизации ТС проточного типа, повышающая точность термостабилизации тем, что температура ТС регулируется непосредственно в момент его протекания к точке трансфузии по трубке одноразовой системы переливания.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные в ней методики и системы термостабилизации ТС могут быть использованы в различных областях медицины при лечении людей, а также для проведения научно-исследовательских работ по разработке различных БТС. В диссертации разработаны теоретические основы систем термостабилизации ТС на базе полученных автором обобщенных уравнений, учитывающих характеристики охлаждаемых сред, термоэлектрических преобразователей, а также параметры окружающей среды. Определена методика для всестороннего анализа работы теплоотводящих систем, а также влияния характеристик охлаждаемого препарата и других факторов на их энергетические и технико-экономические показатели. На основе анализа работы ППТЭП разработаны рекомендации по оптимизации режимов работы и использованию их в качестве систем термостабилизации биологических жидкостей.

Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности представленных к рассмотрению систем термостабилизации, проводить целенаправленный и обоснованный их выбор для организации заданного температурного режима различных ТС. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать практические рекомендации по использованию систем термостабилизации при различных условиях эксплуатации с учетом гигиенических требований, массогабаритных характеристик и других показателей.

Полученные результаты исследований нашли практическое применение в различных организациях и предприятиях. Отдельные разработки при непосредственном участии автора испытаны, внедрены и переданы организациям Министерства здравоохранения Республики Дагестан. Реализация результатов работы в медицинских учреждениях повышает эффективность лечебных методик и приводит к получению социального эффекта.

Основные результаты диссертационной работы: разработана БТС термостабилизации для трансфузионной терапии, позволяющая проводить адаптивную регулировку физических параметров вводимого ТС в соответствии с состоянием биологического объекта и обеспечивающая точность и надежность регулировки; разработаны два принципиально различных варианта ТЭС термостабилизации ТС - объемного и проточного типов, каждый из которых обладает своими преимуществами и дополняет другой. ТЭС термостабилизации ТС объемного типа должна использоваться при больших скоростях ввода ТС, а ТЭС проточного типа - при малых скоростях трансфузии. При объединении обоих вариантов мы получаем единую систему, подходящую для трансфузии при любой скорости ТС; разработаны теоретические основы расчета ТЭС стабилизации температуры ТС для обоих вариантов исполнения, отличительным признаком которых является непосредственный контакт ТЭБ с объемом статирования, и включают в себя расчет условий теплообмена между теплообменниками, ТЭБ и ТС, а так же вычисление электрических и теплофизических параметров ТЭБ; впервые представлена математическая модель теплового поля жидкости, протекающей с заданной скоростью по трубке с заданной температурой внешней стенки, позволяющая, в отличие от подобных задач, освещенных в литературе, учитывать тепловое сопротивление стенки трубки, которое оказывает существенное влияние на процесс теплообмена с ТС;

- разработана инженерная методика расчета ТЭБ для систем термостабилизации ТС, предоставляющая простой способ определения геометрических размеров ТЭ и батареи в целом, а так же его оптимальных нагрузочных характеристик;

- доказана адекватность разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило 12%;

- разработаны медико-технические требования к ТЭС термостабилизации ТС, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта. Получен Патент РФ на полупроводниковое термоэлектрическое устройство для термостатирования трансфузионных средств [48];

- проведена клиническая апробация ТЭС термостабилизации ТС в условиях хирургического отделения Муниципальной больницы №1 и офтальмологической клиники им. Х.О.Булача (г.Махачкала), которая показала их эффективность при решении задач точной регулировки температуры для повышения результативности лечебных мероприятий.

Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых ТЭС для медицины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. A.c. 1393423 СССР. Устройство для рефлексотерапии // Б.И. 07.05.88. № 17.

2. A.c. 1147398 СССР. Устройство для рефлексотерапии // Б.И. 30.03.85. № 12.

3. A.c. 1162430 СССР. Устройство для рефлексотерапии//БИ 23.06.85. №23.

4. A.c. 1174687 СССР. Термоэлектрический охладитель / Абдинов Д.Ш., Абдулаев Н.И., Аскеров Г.М., Бабаев P.A., Салаев Э.Б. // Б.И. 1985. №11.

5. A.c. 1179986 СССР. Термоэлектрическая охлаждающая медицинская повязка / Бутырский В.И., Богин Г.В., Кулиев А.З. // Б.И. 1985. №35.

6. A.c. 1193394 СССР. Термоэлектрическое устройство / Голубев Б.А., Тайц Д.А., Таубер А.Г, и др. // Б.И. 1985. №43.

7. A.c. 1311732 СССР. Устройство для внутриполостного лечения / Жаркин А.Ф., Жаркин H.A., Маргус М.Е., Фирстков В.В. // Б.И. 1987. №19.

8. A.c. 1313439 СССР. Способ лечения заболеваний периферической нервной системы // Б.И. 30.05.87. № 20.

9. A.c. 1371694 СССР. Способ лечения задержки мочеиспускания после операций на прямой кишке и устройство для его осуществления // Б.И. 07.02.88. № 5.

10. A.c. 1393394 СССР. Устройство для стимуляции вестибулярного анализатора / Орлов И.В., Семенов Л.А., Сулин А.Б., Цветков Ю.Н. // Б.И. 07.05.88. № 17.

11. A.c. 1483234 СССР. Теплообменник с регулируемым теплосъемом / Волков В.И, Волков М.Ю., Губенко С.М., Утемесов М.А. // Б.И. 1989.12.15.