автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Исследование криотерапевтических систем для локального охлаждения биологической ткани низкотемпературным газовым потоком

Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники ____

КОЗЛОВ ЭРКЕСТ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ ШЗКОТЕШЕРАТУРШМ ГАЗОВЫМ потеком

/ Специальность 05.11.17.-Медицинские приборы и измерительное системы /

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата .технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательскол и испытательном институте ыедицгшской техники.

Научный руководитель доктор технических наук, старший

научный сотрудник Ведонков В.Г,

Научный консультант - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Колобов Н.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Блинов H.H.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник .Логорычный В.И.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский

технологический институт г.Рязань

Защита диссертации состоится Ян&арр IS94 г. в 10 час. на заседании специализированного Совета Д 074.46.01 во Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники МЗ РФ по адресу: I293QI, г.Москва, уд.Касаткина, д.З

С диссертацией :.:о:ию ознаког.а?ься в библиотеке ВБМ1.ГГ. Автореферат разослан " ^'^-MP.^fofi 1993 г.

OBiÇAH ХАРШЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В касгорд ее время получило развитие новое направление применения низшее температур з медицине, основанное на терапевтическом воздействии низкотемпературной газовой струей на локальную область тела пациента. Впервые метод лечения неповреядающими дозами экстремального холода, нашел свое применение в середине 70-х годов в Японии, где использовался з качестве специфической физиотерапевтической процедуры при лечении полиартрита. Дальнейшее развитие метод получил в странах Западной Европы-Полызе и ФРГ, где успеино применялся при лечении люмбал-гии, плечелопаточного периартрнта, постхирургических и посттравматических контрактур, а также целого ряда других заболеваний опорно-двигательного аппарата.

Данный метод, оказывая стрессовое воздействие на систему терморегуляции, вызывает в результате ответной реакции организма, выделение биологически активных веществ, интенсификация периферийного кровотока, сопровоздаясь при отом аналгезнруодим и противовоспалительным эффектами. Вместе е этим, процедура криотерапевтического охлял'деггия проста и удобна в реализации как в стационарных, так и в амбулаторных условиях, и по субъективной оценке пациентов, позволяет создать комфортныеоцуценип в ходе лечения.

Кроме высокой лечебной эффективности метода локального криотерапевтического воздействия, необходимо отметить значительные положительные изменения социальных п экономических показателей при использовании экстремального холода в качестве лечебного фактора.

Несмотря на перечисленные преимущества,широкого распространения метод локальной газовой криотерапии не получил, по двум причинам: во-первых, из-за отсутствия эффективных и надежных в эксплуатации аппаратов для локального конвективного низкотемпературного охлаждения; во-вторых, из-за отсутствия научно-обоснованных методик применения, позволяющих осуществлять выбор параметров воздействия и получить прогностическую оценку результатов охлаждения.

В связи с этим, проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку криотерапевтической

аппаратуры, петодов безопасного, эффективного охлаждения и прогнозирования результатов криотерапевтического воздействия на биоткань, исследование термодинамических и теплообыенных характеристик криогенной газовой струи, экспериментальное изучение температурных полей в объекте воздействия является весьма актуальной задачей.

Цель работы и задачи исследования

Цель работы - разработка основных теоретических положений метода локальной криотерапии, создание криотерапевтических систем для низкотемпературного охлаждения биологической ткали'и научно-обоснованных методических рекомендаций для их практического применения.

Для достижения цели было необходимо:

- разработать, на основании методов математического моделирования, основные теоретические положения процесса локального конвективного низкотемпературного охлаждения живой биологической ткани;

- исследовать основные закономерности термодинамических и теплообменник процессов в дозвуковой ¿сесиыметричной криогенной газовой импактной струе;

- разработать криотерапевтическую аппаратуру для локального охлаждения биологической ткани криогенной газовой струей;

- провести экспериментальные исследования метода локальной газовой криотерапии на живкх биологических моделях;

- разработать научно-обоснованные методические"рекомендации для проведения локальногокриотерапевтического воздействия криогенной газовой струей.

Научная новизна работы

Впервые было получено решение задач стационарного и нестационарного теплообмена между криогенной газовой струей и биологической тканью, рассматриваемой в виде сложной структуры с источниками тепла за счет кровотока и процессов метаболизма.

Проведено экспериментальное исследование термодинамических и теплосбменкых характеристик криогенной, газовой, осесимметркч-ной, дозвуковой, импактной струи. Получена полуэмпирическая зависимость для расчета изменения осевой температуры струи, а также критериальные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в области критической точку, на охлаждаемой поверхности

- о -

биоткани.

Были установлены оптимальные соотношения между -термодинамическими, теплообменники параметрами криогенной газовой струи, расходными и конструктивными характеристиками криотерапевтического аппарата, сбсспечиваодие безопасное и эффективное охлаждение биологической ткали.

Практическая ценность работы

- разработаны два типа криотерапевтических аппаратов для локального охлаждения биологической ткани нриогенной газовой струей: установка с испарительной системой и установка с отбором паровой фазы над зеркалом жидкого криоагекта. Разработанные криотерапевтические системы могут использоваться в таких областях клинической . практики, как травматология, ортопедия, ревматология, реабилитация и др.

~ разработаны научно-обоснованные методические рекомендации для проведения низкотемпературного локального криотерапевтического воздействия.

Результаты диссертационной работы внедрены и используются в лечебной практике Института ревматологии РАЫН.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях секции Ученого Совета • В1ШИМТ, на П Международной конференции "Успехи современной криобиологии" (Харьков, 1992г.), на Научной конференции молодых ученых России "Здоровье и болезни человека на рубеже XXI века" (Москва, 1993г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь, печатных работ.

Объем и структура диссертации. Дисрертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 146 наименований и приложения. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 9 таблиц и 25 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проводится анализ современного состояния и развития криотерапии. Рассматриваются механизмы терапевтического дейстгия неповрездающих доз холода на организм. Показано, что результат охлаждающего воздействия зависит как от количества и скорости отводимого тепла, так и от характера общей и местной

- б -

реактивности организма- В основе которой лежит система обратной связи, компенсирующая отрицательное температурное воздействие за счет противоположно направленной реакции организма. Рассматривается влияние криотерапевтического охлаждения на нервно-мкнечный аппарат, на нейро-эндоприкнуа, сердечно-сосудистую и др. системы. Сравнение различных методов криотерапии показало, что применение именно экстремально низких температур воздействия (до - 1оО°С) дает максимальную результативность при достижении обезболивающего, противовоспалительного, спазмолитического и др. эффектов.

Проведен обзор существующей аппаратуры для криотерапевтического воздействия. Представлена ее классификация. Показано, что отечественная гипотермическая аппаратура ке может использоваться для целей экстремальной локальной криотерапии из-за недостаточного уровня достигаемых температур охлаждения, а также из-за своих медико-эксплуатационных особенностей. Анализ существующих зарубежных криотерапевтических систем для локального охлгддения биоткани низкотемпературной газовой струей показал, что до настоящего времени не обоснованы такие основные технические параметры этих аппаратов, как температурный уровень воздействия, напорные, расходные и др. характеристики. Кроме того, возможность их использования в нашей стране практически не реализуется из-за высокой стоимости.

Анализ теоретических работ, посвященных прогнозированию температурного состояния биоткани в процессе ее конвективного охлаждения, показал, что несмотря на существующий арсенал решений, практически отсутствуют математические модели, позволяющие адекватно описывать процесс локального криотерапевтического охлаждения биологической ткани газовой струей. Имеющиеся теоретические зависимости одновременно не учитывают, всего спектра специфических особенностей биоткани, как объекта охлаждения / многослойкости, наличия внутренних источников тепловыделений за счет кровотока и процессов метаболизма и др./.

Обзор результатов исследований в области изучения термодинамических и теплообменник характеристик газовых импактньк струй продемонстрировал, что известные зависимости для расчета изменения осевой температуры пригодны для расчетов слабонагретых струй с практически постоянной платностью, и не позволяют учитывать ее изменения в процессе истечения низкотемпературных струй, которые используются при криотерапевтическое воздействии. Имеющиеся крите-

риальные зависимости для расчета процесса теплообмена между криогенной газовой ишактной струей и охлаждаемой поверхностью не учитывают одновременного влияния комплекса таких величин как изменяющаяся по оси струи интенсивность турбулентности, неравномерность скоростного профиля струи и др., а также не могут использоваться для расчетов при малых числах Рейнольдса( Не =5000).

На основании проведенного- анализа современного состояния и • развития криотерапии были сформулированы основные задачи исследований настоящей работы.

Вторая глава посвящена разработке основных теоретических положений метода локальной газовой криотерапии на основании методов математического моделирования.

Было разработано несколько.модификаций математических моделей. Общая формулировка задачи принималась в следующем виде (рис.1):

- охлаждение биоткани, с целью предотвращения ее деструктивного повреждения,осуществляется газовой струей до температуры не ниже криоскопической температуры ткани;

- теплообмен между газом и поверхностью ткани осуществляется по закону Ньютона;

- теплофизические характеристики биоткани принимаются кусочно-постоянными и независящими от температуры и пространственной координаты;

- суммарные тепловыделения в биоткани за счет кровотока и процессов метаболизма, учитываются введением уравнения Пёрла.

Для экспресс-прогнозирования результатов локального конвективного охлаждения биологической ткани была разработана упрощенная нестационарная математическая модель, рассматривающая ткань в виде одномерного полубесконечного тела. В этом случае математическая формулировка задачи следующая:

•ъу * а йх2* Б,(ТСМ-Тослч)

Краевые условия: Т<*:о> = Т0 % Л + <* • - Т(о./5>):=0

где R - Ссо ♦ mca _ -Siá-

Уравнение решалось иетодаэд интегральных преобразований Лапласа.

В результате резекия было получено выражение для расчета температуры биоткани в следующем виде:

2 > »

- tS -IcmV^pí IT) Jexp(-<aS> ~ ^^•c^ct^r +

" - , ^+ expIaBt,].^.

Для упрощения практического использования полученной формулы, входящие в нее значения интегралов были определены численными методами длк наиболее характерных параметров воздействующей газовой струи и сведены в таблицу. При расчетах теплофизические характеристики различных слоев биологической ткани усреднялись по правилу аддитивности на основании данных приведенных в работах Резниц-кого В.Г., Цыганова Д.И., CHcCto У.С., EL-acKctricl R."W.

Для учета влияния на температурное распределение термических сопротивлений различных слоев биологической ткани, определяемых величиной теплофизических характеристик, толщинами слоев и интенсивностью тепловыделений в га«, был разработан более сложный вариант математической модели, рассматривавший охлаздаемую биоло-гическуи ткань в виде трехслойной структуры.

Для данного случал математически общую формулировку задачи можно записать в следувчеы виде: для первого слоя

tf>o; 0¿ х < Zt)

bViLXft) „ У(У , S су«

для второго слоя

(t>Ov 0<->C<B¿)

для третьего слоя (Т > о;

15С :«Г>_ _ г, ^ТлГ*:^ +

-^ - аъ

Краевые условия: Т^сх ¡0) - =_ ч?0

^и^-О'^мо-о', =Л5"Эч?Ь10Л)/Эх

Л&Ч^ъ/ЪхъЛгЪТцою/Эх; ^Тг^да/дХ =0 ,

где 2, а, - о ' Ч о, ( «г - номер слоя)

В хода решения полагали, что на границах слоев имеем контактную температуру Т^^; ' 1 ?0Рая удовлетворяет следующим условиям:

для первой границы

^ке^-с) 58 V Т1й(г) = ^(ОЯ?)

для второй границ

Далее в виде промежуточного результата решения была получена стационарная модель локального конвективного охлавдения биоткани как трехслойной структуры с внутренними источниками тепла. Выражение для стационарного распределения температуры биоткани пригашает вид:

для перзого слоя С О ^ "х <

. ёЬкГГоо -*-Л< • сН( -у) об ♦^и.слгБ^е*)

для второго слоя

I о< х<

^(Х)-*1« ЩлЗД + '»в --*

. -у Яг -у.)) х т

- 10 -

Для третьего слоя ( 0 < У < «*&)

При этом гыраления для расчета контактных температур следующие: __

___Тем. .

■Чс Т^Г^ТГ^^Т) ^■ сН ■ \У ' V/

Г Е ^-ь? ¿'а (

т _ «п ____Д г Л"?,_

. __.___,__

р - ^ко • ^КР Ьа" ^'^гг

При разработке нестационарной модели локального конвективного охлаждения живой биоткани полагали, что контактные температуры на границах слоев изменяются по параболическому закону:

Т}^ = А + ат + ^ , «Г^ = Аг + + где А,Аг.,Ь,ВХ1С)Сг, " константы

Решение задачи было получено в следующем виде: для первого слоя (О^Х < ) Б первой <|азе охлаждения СС ) температура биоткани могхет быть расчитана по полученной модели для полубесконечного тела; _

во второй фазе охлаждения, когда > )# расчетное выражение принимает следующий вид: ^

где- ^ _ • »Пкр!

& ""Я™ УРавнешя -- - • ^

(ля второго слоя ( О ОС <с Е^) в первой фале охлаждения

ТшдгТ Щ® Сехр^^О ^о - +

где г

е _ ■ гпВр ~ -

°г.--^-ч =

^ во второй фазе охлаждения СС >*ХГ ) V

П.--1

р«5й

* г М^-а-бьчС^^ л о

где

С'^ =

для третьего слоя ( 0 < X < со ) при >

•«ДО

где Т и Т - время достижения темпера-

турного возмущения до первой и второй границ соответственно.

Результаты проведенных на ЭВМ расчетов, с использованием разработанных математически зависимостей позволили выделить два основных параметра, оказывающих существенное влияние на тепловые режимы биологической ткани при ее охлаждении - это коэффициент теплоотдачи оС и температура воздействующей газовой струи Тст. Было установлено, что изменение величины коэффициента теплоотдачи не приводит к заметному изменению температуры в глубине ткани. Б тоже время, его увеличение, например,за счет возрастания скорости газовой струи, даже без изменения температуры воздействия, может привести к резкому понижению температуры на поверхности ткани и вызвать ее деструкции.

Поэтому для избежания возможного деструктивного повреждения тканевых структур, а также д.-:я аффективного охлаждения режим нес-

тацилпарного низкотемпературного воздействия должен обеспечивать низкие до 5О76О Вт/и^К значения коэффициентов теплоотдачи. При этом температура газовой струи может варьироваться в пределах -- 1004- -180°С.

Стационарное охлаждение биоткани соответствует случаи наступления термостабильного состояния в охлаждаемой области. При этом, отсутствие деструктивного повреждения биоткани определяет ограниченный диапазон применения стационарной модели, который будет определяться невысокими значениями коэффициента теплоотдачи ( 104-25 ВтДгК) в сочетании со щадящим температурным режимом охлаждения (О* -20°С).

Однако, подобный случай воздействия также находит своп .реализация в клинической практике-пр. необходимости длительного охлаждения с целью получения пролонгированного аналгезирущего эффекта.

Влияние на процесс охлаждения оказывает величина интенсивности кровотока. Сравнение результатов расчетов для разлтных значений объемной скорости кровотока показывает,что ее возрастание приводит к более медленному снижению температуры ткани, следствием чего является увеличение экспозиции охлаждения. Это доллио учи"'заться при воздействии на области интенсивно снабжаемые кровью, например, при охлаждении больших объемов мышечной ткани. Влияние тепловвделений процессов метаболизма на температурное распределение весьма незначительно.

Результаты расчетов для различной структурной комбинации биоткани показали, что изменение величины термического сопротивления слоев значительно влияет на процесс охлаждения. Так, уменьшение коэффициента теплопроводности слоя, а такке возрастание его толщины приводит к снижению скорости охлаждения ткани. Данный факт должен учитываться при воздействии на различные области тела пациента. Например, охлаждение областей со значительной величиной жирового слоя должно осуществляться более продолжительное время при низких значениях коэффициента теплоотдачи (<=< = 20т25 ВтДЙС).

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию метода локальной криотерапии.

Экспериментальные исследования включали в себя изучение характеристик криогенной газовой дозвуковой импактной струи, а также исследование тепловые рекимоа хивой биологической ткани

при ее локальном низко температуркой конвективном охлаждении.

Для проведения экспериментальных исследований был сконструирован и изготовлен экспериментальный стенд, состоящий из установки, создающей низкотемпературную газовую струю необходимых температурю -напорных параметров и комплекса контрольно-измерительных приборов. Приводятся основные техшческие характеристики стенда, а также изложена методика экспериментальных исследований..

По результатам изучения температурных характеристик криогенной газовой струи было установлено, что ь пределах начального участка струи осевая температура остается постоянной и равной температуре истечения из сопла. При этом существенное влияние на протяженность начального участка струи, а также на изменение осевой температуры оказывают ДЕе взаимосвязанные величины: неравномерность профиля скорости на срезе сопла и начальный уровень турбулентности. Выявлено, что использование цилиндрических насадков дает минимальную протяженность начального участка струи-- , конические сопла - , поджимающие - (5-ь6)о10

Для расчета осевой температуры в основном участке струи была получена полуэмпирическая зависимость:

где

Тщ = £ 0,4 (- Т0„р)/ ( + 0,5.9 )3 - 10«р •

Особенностью полученной формулы является то, что она позволяет учитывать при расчете отличие и изменение плотности холодного газа по отношению к окружающей среде в процессе истечения. Оценка влияния неравномерности скоростного профиля на распределение осевой температуры, при различных типах используемых сопел, осуществляется с помощью коэффициента (для цилиндрического

= 1,20, конического сО =1,045, поджимающего сб =1,00). Суммарная относительная погрешность при измерении осевой температуры криогенной газовой струи составила -I,6^.

Экспериментальное исследование локального коэффициента теплоотдачи в области критической точки осесимметричной импактной криогенной газовой струи осуществлялось электрокалориметрическим ые-

Тодом.

На основании результатов исследований били получены критериальные зависимости для расчета локального процесса теплообмена в области критической точки на плоской преграде: при 1,5 $ Н, 6

■На = ол- йе Р^'6- V'11 • (1 при 6 < н ^ а

Ли * 03 • аз013. (1+е.)

при & < Н ^ 1Б

где - эмпирический коэффициент .учитывающий возрастание

теплоотдачи из-за неравномерности профиля скорости струи (для цилиндрического сопла - =1,64-1,8, для конического =1,2,

для подымающего =1,00). Полученные уравнения справедливы

э диапазоне 5*1Сг^ ^ 5*1(Р. При расчетах теплофизические характеристики газа определяются по его температуре на срезе сопла. Суммарная относительная погрешность при измерении коэффициента теплоотдачи составила ¿0,52^.

Экспериментальное нсследозаниэ тепловых режимов живой биологической ткани при ее локальном охлаждении газовой струей проводились на кроликах массой 3*5 кг. Подвод холодного газа был локализован ка тканях бедра.

Для измерения температурных полей в биоткань вводился специальный зонд, выполненный в виде стальной полой иглы, по длине которой, с нагом 3*10"^ м, располагались дифференциальные ыедь--константановые термопары. С целью предотвращения влияния тепло-притоков по корпусу иглы на величину измеряемой температуры биоткани,рабочие спаи термопар изолировались в полости иглы от металлических стенок эпоксидной смолой. Суммарная относительная погрешность схемы измерения температуры биоткани составила - 8,4 %.

На основании результатов экспериментального исследования

процесса конвективного охлаждения биоткани La у1\о , были получены данные.для сравнения температурного состояния биологической ткани при различных режимах воздействия, реализованных в эксперименте, с результатами расчетов температурных полей биоткани, проведенных с использованием разработанных математических моделей.

Было установлено, что стационарная и нестационарная математические модели охлаждения биоткани, как трехслойной структуры с внутренними источниками тепла, с достаточно высокой степенью достоверности описыз&эт процесс распространения тепла в биологической ткани.

Различия в оценке'экспериментальных и расчетных данных укладывается в пределах 15%. Результаты сравнения упрощенной нестационарной однослойной .модели с экспериментальными данными показывают несколько большее расхождение - до 20 %. Это объясняется тем, что данный вид модели не учитывает индивидуальных особенностей охлаждаемых слоев биоткачитепло^изических характеристик и интенсивности тепловаделений, а согласно постановке дадачи, требует использования при расчетах усредненных значений, которые отличается от реальных величин. При этом, необходимо отметить, что различия в сценке экспериментальных и расчетных данных могут быть вызваны тем, что в живой биологической ткани имеют место значительные градиенты температур (на I'IO-^ м до 5-Ю°С), которые могут стать источником погрешности при измерении температурных полей. В целом можно отметить адекватное соответствие разработанных математических моделей реальным тепловым процессам в биоткани la

vivo

В работе проводилось экспериментальное исследование различных технологических приемов охлаждения (непрерывное и импульсное). Полученные результаты позволяют констатировать,что воздействие криогенной газовой струей в импульсном режиме дает возможность осуществлять пролонгированное воздействие экстремально низкими температурами на биологическую ткань без замораживания ее поверхностных структур.

Подобный режим воздействия может использоваться в целях долговременного подавления болевых ощущений, а также при работе на "пограничных режимах", когда температура биоткани, прежде всего на ее поверхности, длительное время поддерживается (более 300 с) под-

^ерживается в окрестности криоскопического уровня. При этом, оптимальная. величина интервала порционной подачи газа долхна находиться в пределах 3*20 с.

Экспериментальные исследования процесса естественного отогрева живой биологической ткани после проведения криотерапевтического воздействия показало, что интенсивность процесса отогрева и величина компенсаторного возрастания ее тегшературы, связанной с увеличением периферийного кровообращения, разно как и длительность эффекта сохранения достигнутого повнзенного уровня температуры биоткани, находятся в прямой зависимости от времени экспозиции охлаждающего воздействия и полученного уровня температуры ткани при завершении охла;«дения. То есть/снижение температуры биоткани до минимально возможного уровня без ее деструктивного повреждения определяет максимальную компенсаторную реакцию организма на криотерапевтическое воздействие.

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований, а тагске данных математического моделирования процесса локального конвективного охлаздения биоткани, были разработаны но-могргкмы выбора режима низкотемпературного терапевтического воздействия, которые легли в основу методики проведения локальной газовой криотерапии.

Номограмма состоит из нескольких взаимосвязанных графических зависимостей. На рис.2а приведен условный треугольник, ограничивающий оптимальные пределы^ которых осуществляется выбор комбинации диаметра проходного сечения сопла и расхода криоагента. Графическая зависимость на рис.26 устанавливает соответствие между температурой газа на срезе сопла и расходом. На рис.2э представлена зависимость изменения осевой температуры криогенной газовой струи от безразмерного расстояния до охлалдаемой поверхности. Обобщенные значения локальных коэффициентов теплоотдачи в критической точке приведены в виде графиков на рис.2г. Время охлаждения,необходимое для достижения тепловых режимов биоткани, соответствующих температуре кожного покрова О (+2)°С, определяется из графиков,представленных на рис.2д.

Последовательное применение указанных графических зависимостей (по стрелке) позволит установить необходимый набор параметров криотерапевтического воздействия Тсв.'С

В четвертой главе сформулирован основной комплекс медицин-

■1

Рис. 1 . Схема процесса гоздейстЕяя криогенной газопой струей на биологяческуа ткань.

1-сопло ксяоииструментг, 2-криогекная газозая струя, 3-5иологяческая ткань.

Рис . 2 ~ ■' Номогргмла для выбора режима криотерапевтичес-кого'-в оздейстнггя.

ских, общетехнических и эксплуатационных требований .предъявляемый к криотерапевтическим системам для локального воздействия на биоткань криогенной газовой струей. Произведен выбор и обоснование схемы построения криотерапевтических аппаратов. На основании анализа конструктивных особенностей и функциональных возможностей различных схемных решений криотерапевтических систем показано, что наиболее полно установленному коьяиексу требований соответ-, ствуют установки с испарительной системой и отбором паровой фазы над зеркалом годного криоагента. Рассмотрены конструктивные решения и принцип действия указанных аппаратов, приведены их основные технические характеристики, а такие данные сравнения с зарубежными аналогами.

Технические испытания разработанных установок показали, что они просты и надерни в эксплуатации, обладают широкими возможностями регулировки температуры воздействия газовой струи <-30^--180°С) и ее напорных характеристик (10*10^ Па), а также в полной мере отвечают предъявляемому комплексу медицинских и технических требований.

Разработанная аппаратура и методика локального конвективного криотерапевтического воздействия прошли апробацию в клинике, где использовались при лечении ревматоидного артрита. Отмечался выраженный обезболичагадий эффект, что доказывалось статистически достоверным уменьшением субъекгивного показателя боли в суставах, уменьшением суставного индекса и числа болезненных суставов. Зафиксировано статистически достоверное уменьшение симптома утренней скованности и ее длительности. Претерпели улучшение такие объективные показатели, как сила сжатия пораженной кисти, окружность проксимальных ыежфаланговых суставов, уменьшение числа воспаленных суставов. Вместе с этим, наблюдался своеобразный резорбтивный эффект от криотерапевтического воздействия. По результатам исследований были выработаны практические рекомендации для учета индивидуальных психофизиологических особенностей пациентов при проведении криотерапевтической процедуры.

Проведенные медицинские исследования продемонстрировали терапевтическую эффективность метода локальной криотерапии, перспективность его клинического изучения. Была доказана высокая степень достоверности разработанных номограмм при выборе режима воздействия, а также подтверждены высокие эксплуатационно-технические качества разработанной криотерапевтической аппаратуры.

выводы

1. Разработаны математические модели стационарного и нестаци-г онаркого процессов охлаждения биоткани как трехслойной структуры

с внутренними источниками тепла, позволяющие установить зависимость интенсивности охлаждения ткани от теплофизических характеристик ее слоев, их толщин, от величины объемной скорости кровотока и интенсивности внутренних тепловыделений метаболизма.

2. Разработана упрощенная модификация математической модели процесса нестационарного охлатдения биоткани, как одномерного по-луограничешого тела с источниками тепла, для экспресс прогнозирования результатов криотерапевтического воздействия на различные области тела пациента.

3. Получена полуэкпирическая зависимость для расчета изменения осевой температуры криогенной газовой струи, как функции расстояния от среза сопла, его геометрических размеров, структурных и теплофизических характеристик струи.

4. Получены критериальные зависимости для расчета процесса теплообмена в области критической точки осесимметричной импахтной газовой криогенной струи. Данные зависимости позволяют учитывать влияние на величину коэффициента теплоотдачи таких параметров, как интенсивность турбулентности струи и неравномерности скоростного профиля, создаваемой различными типами применяемых сопел.

5. Установлено оптимальное соответствие между основными температурными и теплообменными параметрами криогенной газовой струи, сочетание которых позволяет получить безопасное и эффективное охлаждение биоткани:

- при нестационарном процессе охлаждения режим низкотемпературного воздействия должен обеспечивать низкие до 50+60 Вт/А значения коэффициентов теплоотдачи. При этом температура газовой струи может варьироваться в пределах - 100+-1Ь0°С;

- для стационарного воздействия коэффициент теплоотдачи должен лежать в пределах 10+25 Вт/м% и сочетаться со щадящим температурным режимом охлаждения, при котором диапазон изменения температуры газовой струи составит 0т~20°С.

Причем для случаев нестационарного и стационарного охлаждения, более низкой температуре воздействия должен соответствовать меньший коэффициент теплоотдачи.

6. Проведенные исследования различных технологических приемов охлаждения показали, что способ воздействия криогенной газовой струей в импульсном режиме позволяет осуществлять пролонгированное воздействие экстремально низкими температурами на биоткань без замораживания ее поверхностных структур. Установлено, что оптимальная величина интервала порционной подачи газа должна находиться в пределах 3+20 с.

7. Проведены исследования режимов естественного отогрева биологической ткани. Установлено, что интенсивность процесса отогрева биоткани и величина компенсаторного возрастания ее температуры, связанной с увеличением переферийного кровообращения, равно как и длительность эффекта сохранения достигнутого повышенного уровня температуры биоткани, находятся в прямой зависимости от времени экспозиции охлаждающего воздействия и полученного уровня температуры биоткани при завершении охлаждения. В этой связи использование методов криотерапевтического экстремального воздействия является особенно ценным, из-за возможности охлаждения биоткани до максимального низкого (около криоскопичесного) уровня, без ее деструктивного повреждения.

8. Созданы два типа криотерапевтических аппаратов для локаль-, ного охлаждения биологической ткани низкотемпературной газовой струей: аппарат с испарительной системой и аппарат с отбором паровой фазы над зеркалом жидкого криоагента. Разработанные криотерапевтические" системы обладают широкими возможностями регулировки температуры воздействия криогенной газовой струи (-30-г-180°С) и ее напорных характеристик (10г10^ Па), а также отвечают предъявляемому комплексу медицинских, обцетехкических и эксплуатационных требований.

9. Разработана методика и практические рекомендации проведения локального криотерапевтического воздействия, в основе которых лежат номограммы выбора режима охлаждения, полученные

на основании результатов теоретического и экспериментального исследования метода локальной криотерапии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ' работах:

1. Ведекксв Е.Г., Колобов Н.И., Козлов Э.В. Аппаратурное обеспечение метода локальной криотерапии// Успехи современной криобиологии.П-я Международная конференция. 21-25 апреля,1ЭЭ2г.: Тез. докладов.-Харьков,-IЭ92.-С.27-26.

2. Козлов Э.В., Колобов Н.И., Веденкоз.В.Г. Математическое-моделирование процесса нестационарной теплопроводности живой биологической ткани в условиях локального охлаждения однофазным криогенным газовым потоком-!.?. ,1992.-13.с.-Деп.в ВИНИТИ,

К 16С,2-В92.

3. Экспериментальное исследование метода локальной криотерапии /¡Колобоз Н.И., Веденков З.Г., Козлов Э.В., Еурдейный А.П., Еочкоза А.Г.-IJ. ,1ЭЭ2,-20с.-Деп. в БИНЯ7Л, № 332S-B92.

4. Колобов H.H., Веденков В.Г., Козлов З.В. Исследование тепловых режимов биологической ткали и оптимизация параметров воздействия при локальной терапии низкотемпературным газовым по-током//Медицинская техника. -1993. -Л1. -С. 29-32.

5. Веденков В.Г., Жолобоэ Н.И..Козлов З.В. Выбор и обоснование схемы построения криотерапевтических аппаратов для локального охлаждения биологической ткани//Мздицинская техника.-1993.-№2.--С.15-18.

6. Козлов Э.В., Нолобоз Н.И. Экспериментально-теоретическое исследование метода локальной криотерапии// Здоровье и болезни человека на рубеже XXI века. Научная конференция.1993р.:Теэ.докладов. -М. -1993. -С. 37.

7. Колобов Н.И., Птуха Т.П., Козлов Э.В. /Способ охлатсде-ния локальной области биологической ткани// Положительное решение по заявке К* 5050743/14 от 25.03.93.

Условные обозначения

Т (ОСТ ) - текущая температура биоткани, °С; Т0 - начальная температура биоткани,°С; Т - те.'шература артериальной крови,°С; Тст-тешература газовой струи;°С; ТСр-температура газовой струи на срезе сопла,°С; Т0 -температура окружающей среды,°С; а -коэффициент температуропроводности биоткани, С -удель-

ная теплоемкость ткани, Д-кДг К; р -плотность биоткани,мг/м^; Я -коэффициент теплопроводности биоткани, Вт/м.'К; ^ -координата глубины в ткани,м; -время охлаждения,с; СКр -удельная теплоемкость крови,Дж/кг К; тСр -объемная скорость кровотока, кг/ь^ с; Су^ -теплозвделения за счет кровотока,Вт/ы^;

-тепловыделения процессов метаболизма, Вт/ы^; с>С -коэффициент теплоотдачи, Ет/ы^К; с10 -проходной диаметр сопла,м; Ут, -расстояние от среза сопла до охлаждаемой поверхности ,м; О" -расход криоагента, кг/с; .Ни, -критерий Нуссельта; Яе -критерий Рейнольдса; Р^ -критерий Прандля.

Зак.600

ВНИИИМТ

Тир.100