Устройство для локальной гипотермии

Заявленное техническое решение относится к области медицинской техники и может быть использовано для охлаждения брюшины пациента при перитоните с целью снижения всасывательной способности воспаленной брюшины, повышения чувствительности микрофлоры к антибиотикам и снижения потребностей тканей в кислороде.
Из существующего уровня техники известно множество устройств, предназначенных для осуществления гипотермического воздействия на биологические ткани, отличающиеся друг от друга назначением, принципом действия и технико-эксплуатационными характеристиками.
Известно устройство для локального охлаждения (RU 2139015 С1, опубл. 10.10.1999 г.) содержащее термоэлектронный прибор, установленный в контакте с теплообменниками, регуляторы температуры с температурными датчиками. Теплообменники выполнены эластичными и многосекционными, в соответствии с рельефом отдельных участков тела соединены шлангами с теплообменниками термоэлектронного прибора и образуют контуры тепло- и хладоагента вместе с насосом для обеспечения циркуляции. Дополнительный теплообменник контура теплоагента размещен в теплоизолированной камере, выполненной с возможностью соединения ее с кондиционером.
Изобретение используется в медицине, а именно в приборах и устройствах для проведения гипотермии, криотерапии и может быть использовано в области физической культуры и спорта, а также для термостатирования. Оно обеспечивает сокращение времени выхода на рабочий режим, расширение температурного диапазона охлаждающего воздействия, возможность варьирования зоны охлаждающего воздействия вплоть до общего охлаждения с обеспечением при этом комфортных условий для человека.
Аналогичным принципом действия обладает установка для краниоцеребральной гипотермии (RU 101915 U1, опубл. 10.02.2011 г.), включающая шлем-аппликатор, блок управления, содержащий контроллер и пульт управления с электронным дисплеем, блок охлаждения, содержащий расширительный резервуар с жидким хладоносителем, теплообменник хладоносителя, средства транспортировки хладоносителя, включающие шланги и помпу, датчики потоков и температуры, и блок питания, снабженный охлаждающим средством в виде набора термоэлектрических элементов, обладающим возможностью избирательного включения элементов в работу, и выполнен с отводом холода с холодных и тепла с горячих спаев указанных элементов автономными замкнутыми контурами циркуляции жидких хладоносителя и теплоносителя, соответственно, при этом контур циркуляции хладоносителя образован шлемом-аппликатором, теплообменником и помпой хладоносителя, последовательно соединенными шлангами с возможностью транспортировки хладоносителя в направлении от помпы к шлему-аппликатору, а для образования контура циркуляции теплоносителя он снабжен дополнительно расширительным резервуаром с теплоносителем, теплообменником и радиатором теплоносителя, а также средствами транспортировки теплоносителя, включающими шланги и помпу, причем радиатор, теплообменник и помпа последовательно соединены шлангами с возможностью транспортировки теплоносителя в направлении от помпы к радиатору. Термоэлектрические элементы могут размещаться между теплообменниками с образованием термоэлектрической сборки «жидкость-жидкость». Контур циркуляции теплоносителя может снабжаться вентиляторами. В качестве хладоносителя может использоваться пропиленгликоль, а в качестве теплоносителя - вода.
Недостатком этих двух устройств является необходимость использования жидкого теплоносителя, что усложняет и удорожает конструкцию, так как требует создания специальной системы принудительной циркуляции жидкости. Кроме того, присутствует риск вытекания теплоносителя при нарушении герметичности системы, приводящего к полному прекращению работы установки и возникновению множества неприятных последствий.
Также известно устройство для локального охлаждения и/или согревания тела человека (RU 94149 U1, опубл. 25.05.2010 г.), содержащее аппликатор, выполненный в виде герметичной оболочки, разделенной на, по меньшей мере, две полости, выполненные с возможностью циркуляции в них жидкой среды, и средства подведения и отведения охлажденной или нагретой жидкой среды, соединенные с каждой из полостей, снабженное холодильной машиной, предназначенной для охлаждения жидкой среды, и жидкостным теплообменником, присоединенным к тепловыделяющей поверхности холодильной машины, предназначенным для нагрева жидкой среды.
На границе раздела полостей аппликатора со стороны контакта с телом человека может располагаться герметичная прокладка, выполненная из капиллярно-пористого материала, насыщенного жидкостью, площадь поверхности которой составляет 3-5% от площади поверхности аппликатора, контактируемой с телом человека. Полости аппликатора при этом разделяются теплоизолирующей перегородкой. Холодильная машина может включать в себя емкость с теплообменной жидкостью, в которой расположены змеевик, предназначенный для циркуляции хладагента, и змеевик, предназначенный для циркуляции жидкой среды, подводимой к аппликатору. Змеевик, предназначенный для циркуляции жидкой среды, подводимой к аппликатору, может выполняться в виде двух сообщающихся коаксиальных спиралей, расположенных одна в другой. Коаксиальные спирали могут иметь равные шаги навивки и быть сдвинуты относительно друг друга по оси симметрии на полшага. Холодильная машина может включать в себя емкость с жидкой средой, подводимой к аппликатору, в которой расположен змеевик, предназначенный для циркуляции хладагента. Внешняя поверхность теплообменника может отделяться от окружающей среды шторкой, имеющей возможность полного закрытия при подведении нагретой жидкой среды к аппликатору и полного открытия при отсутствии подведения нагретой жидкой среды к аппликатору.
Главный недостаток этого устройства связан с использованием холодильной машины, делающей его весьма громоздким и неудобным в обращении. Кроме того, этому устройству присущи все ранее перечисленные недостатки, связанные с использованием жидкого теплоносителя.
Известно устройство для локальной гипотермии (RU 96108763 А, опубл. 10.07.1998 г.), содержащее корпус, термоэлемент с радиатором охлаждения и аппликатор, контактирующий с холодным спаем этого термоэлемента, с электровентилятором, например, осевой конструкции и теплоизолирующей прокладкой, причем электровентилятор установлен на ребрах радиатора непосредственно или на некотором удалении от них таким образом, что поток охлаждающего воздуха, создаваемый им, направлен встречно оребренной плоскости радиатора, а теплоизолирующая прокладка установлена между нерабочей поверхностью аппликатора и неоребренной поверхностью радиатора вплотную или с воздушными зазорами. Ребра радиатора могут располагаться во взаимно перпендикулярных или радиальных направлениях относительно центральной части этого радиатора.
Достоинством этого решения является расположение термоэлемента непосредственно на охлаждаемой поверхности, что исключает необходимость использования жидкого теплоносителя и связанные с этим сложности. Недостатком устройства является отсутствие системы управления охлаждением, а так же постоянно работающий вентилятор, делающий его громоздким и неудобным в обращении. Особенно ярко эти недостатки проявляются при длительном применении, в частности в заявляемом приложении.
Более совершенным является устройство для локального охлаждения биообъекта (RU 2234893 С2, опубл. 27.04.2004 г.) состоящее из установленных в корпусе съемного контактного элемента, термоэлектрического модуля, к спаю которого присоединен накопитель холода, и термодатчика, блока управления. Накопитель холода выполнен из материала с высокой теплопроводностью и присоединен к охлаждающему спаю термоэлектрического модуля, со стороны нагревающего спая которого установлены радиатор и присоединенный к нему вентилятор, накопитель холода выполнен с участком контакта со съемным контактным элементом, на котором закреплен термодатчик, соединенный с сигнальным входом микроконтроллера блока управления. Один выход микроконтроллера соединен с первым входом дисплея, другой - с сигнальным входом регулируемого источника вторичного электропитания. Каждая кнопка регулирования температуры соединена своим выходом с соответствующим входом микроконтроллера, выход регулируемого источника вторичного электропитания соединен с нагревающим спаем термоэлектрического модуля, а опорный вход - с одним выходом нерегулируемого источника вторичного электропитания, второй выход которого соединен со вторым входом дисплея, опорным входом микроконтроллера, входом каждой кнопки регулирования температуры и вентилятором. Использование изобретения позволяет повысить эффективность работы устройства за счет повышения точности регулирования требуемой температуры и стабильного поддержания на контактном элементе температуры, соответствующей необходимому значению для проведения медицинской процедуры.
Недостатком данного устройства, так же как и предыдущего, является небольшая охлаждающая поверхность и необходимость использования вентилятора, а также - использование массивного накопителя холода делающего его весьма инерционным. Система управления данного устройства является сравнительно медленной, так как работает, ориентируясь лишь на показания температуры накопителя холода и никак не учитывает ни скорость тепловыделения с охлаждаемой поверхности ни температуру нагревающей поверхности. Все усложняет процесс регулирования температуры и снижает его эффективность, что в результате может приводить к существенным отклонениям температуры охлаждаемой поверхности от требуемого значения при резком изменении тепловыделения с этой поверхности, например при прогрессировании либо затихании воспалительного процесса.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, т.е. прототипом, является устройство для осуществления реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека (RU 99965 U1, опубл. 10.12.2010 г.) содержащее исполнительный элемент в виде последовательно или параллельно соединенных между собой групп с последовательно или параллельно соединенными термоэлементами, датчики температуры, подключенные к тепло-воздействующим поверхностям термоэлементов, источник постоянного тока, коммутатор первого типа, входом соединенный с выходом источника постоянного тока, выходом соединенный с группами термоэлементов, блок программного управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора первого типа, при этом в состав устройства введен двухуровневый задатчик температуры, блок сравнения, коммутатор второго типа, блок регулирования тепловой мощности термоэлементов, управляющий вход коммутатора второго типа соединен с выходом блока программного управления, выходы двухуровневого задатчика температуры, соединены с входами коммутатора второго типа, выход которого и выходы датчиков температуры соединены с входами блока сравнения, выход блока сравнения соединен с управляющим входом блока регулирования, а контакты блока регулирования включены в цепь электропитания группы термоэлементов.
Полезная модель реализует на участке тела человека все всевозможные варианты изотермичного и термоконтрастного термоцикличного процесса осуществления со строго контролируемыми критериальными параметрами с целью достижения требуемого эффекта. Она может быть использована для снятия состояния монотонии у водителей транспортных средств, авиадиспетчеров, операторов конвейерного типа производств, снятия стрессовых и невротических состояний, лечения широкого ряда заболеваний, в том числе, заболеваний периферической нервной системы, для косметологических целей.
К недостаткам устройства прототипа относятся наличие последовательных соединений термоэлементов, снижающих его надежность, так как при обрыве цепи прекращает работу не один термоэлемент, а вся содержащая его ветвь, в устройстве так же отсутствует система контроля и оповещения о нарушениях нормального режима работы, которые могут быть связаны не только с выходом из строя термоэлементов, но и с нарушением теплового контакта. Особенно актуально это при длительном охлаждении брюшины, поверхность которой меняется при неизбежных перемещениях пациента и возникнувшие нарушения работы устройства могут остаться незамеченными.
Как и в предыдущих технических решениях, система управления охлаждением ориентируется только на температуру охлаждающих поверхностей, но никак не учитывает скорость тепловыделения с нее, что снижает быстродействие и адаптивность к изменениям состояния охлаждаемого объекта.
Задача, на решение которой направлено заявленное технического решение, заключается в повышении безопасности и эффективности проводимой локальной гипотермии, а также в повышении удобства использования устройства для локальной гипотермии в условиях длительного лечения пациентов с перитонитом в условиях стационара.
Данная задача решается за счет того, что все охлаждающие термоэлектрические модули независимо друг от друга подключаются к микропроцессорной системе управления, которая контролирует температуру нагревающей поверхности термоэлектрических модулей и падение напряжения на них, и на основании этих данных к каждому термоэлектрическому модулю от источника питания подводит необходимый для максимально быстрого выхода в требуемый температурный режим электрический ток. А при выходе электрической мощности термоэлектрического модуля за заданные пределы подает звуковой сигнал, свидетельствующий о нарушении работы охлаждающего устройства, в частности - о нарушении теплового контакта термоэлектрического модуля с поверхностью тела пациента.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение скорости выхода охлаждающей системы на требуемый температурный режим, повышение надежности и обеспечение контроля работоспособности устройства для локальной гипотермии.
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1, на которой изображены основные функциональные узлы устройства для локальной гипотермии и схематичное расположение его на теле пациента.
Устройство для локальной гипотермии содержит термоэлектрические модули 1, имеющие плоскую охлаждающую поверхность из инертного материала с высокой теплопроводностью и развитую нагревающую поверхность (радиатор), окрашенную в черный цвет для лучшей теплоотдачи; расположенные на радиаторах нагревающей поверхности терморезистивные датчики температуры 2; устройство аварийной сигнализации 3; источник электропитания 4; микропроцессорную систему управления, соединенную с каждым термоэлектрическим модулем, каждым датчиком температуры, устройством аварийной сигнализации и источником питания 5; корсет из эластичного воздухопроницаемого тканевого материала 6, на котором зафиксированы термоэлектрические модули так, что их охлаждающая поверхность расположена с внутренней стороны и выступает по направлению к охлаждаемому телу относительно внутренней поверхности корсета, а нагревающая поверхность и токоподводящие проводники расположены снаружи, и имеющий с наружной поверхности карман для размещения микропроцессорной системы управления и устройства аварийной сигнализации; застежки 7, обеспечивающие плотное прилегание всех термоэлектрических модулей к телу пациента.
Устройство для локальной гипотермии работает следующим образом. Микропроцессорная система управления последовательно измеряет напряжения на всех термоэлектрических модулях и температуры их нагревающих поверхностей, и в зависимости от измеренных значений устанавливает в цепи каждого термоэлектрического модуля оптимальную силу тока, обеспечивающую максимально быстрый выход на требуемый температурный режим.
Размещение датчиков температуры на нагревающей поверхности термоэлектрических модулей, вместо их размещения на охлаждающей поверхности, как это сделано в многочисленных аналогах и прототипе, позволяет полностью освободить охлаждающую поверхность от посторонних элементов и проводов, что улучшает тепловой контакт с охлаждаемой поверхностью тела, повышает удобство эксплуатации, надежность и безопасность устройства. Температура охлаждающей поверхности термоэлектрического модуля при этом может быть вычислена исходя из температуры нагревающей поверхности, силы тока, протекающего через термоэлектрический модуль и падения напряжения на нем
Х
Г
где Т и Т - температуры охлаждающей и нагревающей поверхностей, U - падение напряжения на термоэлектрическом модуле, I - сила тока, протекающего через термоэлектрический модуль, R - омическое сопротивление термоэлектрического модуля, α - коэффициент термо-ЭДС.
Из формулы (1) следует выражение для определения силы тока, обеспечивающей создание требуемой температуры охлаждающей поверхности
Неизвестные параметры, входящие в формулу (2), определяются в процессе калибровки устройства для локальной гипотермии и хранятся в памяти его микропроцессорной системы управления. Таким образом, управление работой термоэлектрического модуля осуществляется не путем отслеживания динамики изменения температуры его охлаждающей поверхности и постоянной коррекции подводимой к модулю электрической мощности, в соответствии с определенным алгоритмом управления, а путем точного вычисления тока, необходимого для создания требуемой температуры охлаждающей поверхности, по формуле (2), следующей из законов термоэлектричества и закона Ома, и подведения этого тока к термоэлектрическому модулю. Причем для осуществления этого способа регулирования температуры необходимо знать именно температуру нагревающей, а не охлаждающей поверхности, которая измеряется значительно проще. Это позволяет создать более эффективное надежное и удобное охлаждающее устройство.
При превышении электрической мощности потребляемой термоэлектрическим модулем заданного предела, что может свидетельствовать о нарушении теплоотведения, например, при случайном накрывании радиатора теплоизоляционным материалом, включается устройство аварийной сигнализации, подающее звуковой сигнал. Включение устройства аварийной сигнализации, подающего звуковой сигнал, происходит так же в случае снижения электрической мощности потребляемой термоэлектрическим модулем ниже заданного предела, что может свидетельствовать о нарушении теплового контакта термоэлектрического модуля с охлаждаемым телом. Звуковой сигнал подается и при других нарушениях работы. Это позволяет своевременно устранить неполадки в работе устройства для локальной гипотермии.
В лабораторных условиях был создан опытный образец заявляемого устройства. Результаты клинических испытаний, проведенные в Пензенской городской больнице №6 им. Захарьина, при проведении гипотермии брюшной полости больных с перитонитом, убедительно продемонстрировали работоспособность устройства и полностью подтвердили заявляемый технический результат и ожидаемый положительный эффект от его использования.
Источники информации:
1. RU 2139015 С1, опубл. 10.10.1999 г.
2. RU 101915 U1, опубл. 10.02.2011 г.
3. RU 94149 U1, опубл. 25.05.2010 г.
4. RU 96108763 А, опубл. 10.07.1998 г.
5. RU 2234893 С2, опубл. 27.04.2004 г.
6. RU 99965 U1, опубл. 10.12.2010 г.