Выбор и обоснование параметров технологического процесса криотерапевтического воздействия

Актуальность проблемы: Криотерапия — метод лечения, основанный на охлаждении поверхности кожного покрова человека. Широкий список медицинских показаний к применению криотерапии определяет потребность общества в специальной техники. Производство криотерапевтических систем долгое время развивалось спонтанно, без достаточного теоретического обоснования. Сложившиеся технологические решения крайне противоречивы и не поддаются систематизации. Существуют множественные примеры производства аппаратов с технологиями, не обеспечивающими лечебный эффект. Развитие производства криотерапевтических систем в России нуждается в четких и обоснованных технологических рекомендациях. С учетом высокого социального и гуманитарного значения эффективности технологии криотерапевтического воздействия, параметры охлаждения должны быть утверждены на уровне Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации. Исходя из этого, актуальность работы очевидна и обоснована.

Цели и задачи исследований: Исследования направлены на выбор и обоснование оптимальных значений основных технологических параметров процесса криогенного охлаждения, объектом которого является поверхность тела человека. Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие исследования:

1. Выполнить обзор и анализ техники и технологии криотерапии, определить основные параметры технологического режима, сформулировать тепловую задачу охлаждения, условия эффективности и безопасности;

2. Разработать физическую и математическую модели объекта криогенного охлаждения, программное обеспечение для моделирования конвективного охлаждения;

3. Сопоставить охлаждение объекта традиционными теплоносителями и криогенным газом, выявить физические причины известных из практики преимуществ криогенного охлаждения, проанализировать влияние структуры объекта, определить диапазоны выбора значений технологических параметров;

4. Исследовать влияние температуры газа на охлаждение в условиях естественной конвекции;

5. Определить интервал оптимальных температур и временные параметры процесса охлаждения;

6. Исследовать влияние сочетаний различных значений температуры и скорости газа на результаты охлаждения в условиях вынужденного движения;

7. Определить оптимальные сочетания значений температуры и скорости газа, временные характеристики процесса охлаждения.

Идея работы: состоит в организации многофакторного численного эксперимента по исследованию нестационарной теплопередачи при конвективном охлаждении поверхности биологического объекта.

Научная новизна:

1. Впервые исследован процесс неразрушающего охлаждения поверхности тела человека в лечебных целях, определены физические основы эффективности охлаждения криогенным газом;

2. Выявлена нелинейная зависимость позитивных результатов от экспозиции охлаждения, определены минимальные и максимальные значения продолжительности охлаждения;

3. Определен диапазон оптимальных температур при охлаждении в условиях естественной газовой конвекции (120 К — 150 К);

4. Исследовано охлаждение в условиях вынужденной конвекции, определены оптимальные сочетания температуры и скорости криогенного теплоносителя;

5. Доказаны эксплуатационные преимущества аппаратов с вынужденной конвекцией криогенного газа;

6. Разработаны физическая и математическая модели объекта, учитывающие локализацию охлаждения, нелинейность начального распределения температур и наличие внутренних источников теплоты.

Практическое значение: Разносторонний анализ тепловых процессов, сопровождающих криогенное охлаждение, определил причинно — следственные связи между технологическими параметрами, обеспечил выполнение широкого круга исследований по оптимизации конструкции элементов криотерапевтических комплексов. Конкретизация технологических требований создали условия для производства конкурентоспособного криотерапевтического оборудования. Законодательное закрепление технологии криотерапии, на уровне МЗ и CP РФ, сдерживает распространение некачественной криотерапевтической техники, повышает безопасность пациентов. Внедрение разработанной технологии при производстве комплекса «КАЭКТ — 01 Крион» создало условия для экспорта оборудования за рубеж, в том числе в страныпроизводители аналогичной продукции.

Внедрение: результаты работы внедрены при производстве криотерапевтических комплексов «КАЭКТ — 01 Крион» в ООО «НЛП КРИОН» (см. приложение). Рекомендованные значения основных технологических параметров утверждены МЗ и СЗ РФ. Результаты исследований используются при обучении студентов по специальности 140 401 в СПбГУНиПТ.

Апробация работы: Материалы работы докладывались на международной конференции «Криогеника 2002», первой Приволжской конференции по криологии, международной конференции по криогенике в Праге в 2003 г., международных конференциях «КриогенЭкспо 2004», «КриогенЭкспо 2005», международных конференциях по криотерапии в Польше в 2004 и 2005 годах, 6 съезде физиотерапевтов РФ в 2006 году.

Публикаиии: По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 работах, опубликованных в изданиях, рекомендованных в ВАК.

Криогенная медицина — новый быстроразвивающийся раздел прикладной криогенной техники. Основу для развития этого научно — практического направления составляют многочисленные специфические эффекты, связанные с изменением свойств биологических объектов при криогенных температурах. Широкое распространение получили такие отрасли криогенной медицины, как криоконсервации и криохирургии. В этих отраслях достигнуты значительные практические успехи, налажено производство отечественного оборудования и сформировались научные школы.

Иначе обстоят дела в такой области криогенной медицины, как криотерапия. Россия в течение длительного времени — с момента открытия криотерапевтического эффекта в 1965 году и до конца 80-х годов — являлась сторонним наблюдателем.

В настоящее время единого, принятого всеми определения, термина «криотерапия» не существует. Обычно криотерапию (КТ) понимают как совокупность физических методов лечения, основанных на применении низких температур для охлаждения тканей, органов или всего организма (греческое kryos-холод, therapya-лечение). Разные авторы при этом имеют в виду различные температуры. Поэтому мы считаем необходимым, определить КТ как группу физических методов лечения, основанных на отведении теплоты из организма.

Число публикаций, посвященных криотерапии за последние пять лет, значительно увеличилось, в отдельных странах в 3−8 раз (ФРГ, Япония, Болгария, Польша).

С технической точки зрения, криотерапевтические установки представляют собой наиболее перспективный класс медицинского оборудования. Вопервых, аппараты этой отрасли значительно дороже систем криоконсервации и криохирургии, поэтому производство криотерапевтических установок является высокорентабельным и быстро развивается. Во — вторых, криотерапевтические системы в большинстве случаях используют жидкий азот, поэтому их внедрение в отечественную медицину значительно расширяет сферу сбыта криопродуктов. Например, в 2006 году ежедневная потребность криотерапевтических установок Санкт — Петербурга составила до 25 тонн жидкого азота. В — третьих, как показала практика, зарубежные производители выбрали экстенсивный путь развития криотерапевтических систем, выпуская только групповые установки. В России, благодаря хронологическому отставанию и другим специфическим факторам, был избран другой путь развития криотерапевтических систем — производство индивидуальных аппаратов. Это направление оказалось гораздо перспективней, т.к. индивидуальные системы быстро вытесняют с рынка медицинской техники групповые аппараты.

Отечественное оборудование экспортируется в страны с развитым производством криотерапевтической аппаратуры (Польшу, ФРГ, Японию). Этот экономический успех в значительной степени основан на превосходстве технологического режима индивидуальных систем. По субъективным оценкам индивидуальные аппаратуры (криосауны) в 2 — 3 раза эффективней групповых аналогов.

В тоже время для дальнейшего развития криотерапевтического оборудования, расширения производства, экспорта, повышение доступности криотерапевтических услуг, важнейшее значение имеет обоснование оптимальных технологических параметров процесса охлаждения.

Поиск решений этой задачи, закрепление технологических рекомендаций в методических документах Министерства Здравоохранения и Социального Развития Российской Федерации, обеспечат условия для дальнейшего этой отрасли отечественной криомедицины.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие общие выводы:

1. Известные из практики эффекты от применения криогенного охлаждения имеют под собой четкие физические основания. Только применяя криогенный газ, можно обеспечить отвод теплоты с интенсивностью не менее 3 кВт/м при температуре поверхности объекта от +2 °С до — 2 «С.

2. При проектировании криотерапевтических систем следует учитывать л то, что в ходе охлаждения объект выделяет 400 — 440 кДж/м теплоты, а средний тепловой поток составляет 3−3,5 кВт/м. Источником этой теплоты является не процесс метаболизма, а переохлаждение покровных слоев. Недооценка истинной величины тепловой нагрузки является причиной значительных колебаний температуры газа в действующих криотерапевтических системах.

3. Криогенное охлаждение в условиях естественной конвекции эффективно в пределах температурного диапазона 120 К + 140 К при обязательном учете временных ограничений. Минимальное время охлаждения составляет 90 с, максимальное — 180 с.

4. Выбор оптимальных параметров КТВ зависит от структуры покровных слоев объекта, поэтому на практике следует уточнять общие рекомендации по температурно — временному режиму для каждого субъекта.

5. Организация КТВ в групповых установках нецелесообразно из — за существенного влияния субъективных отличий на оптимальный технологический режим.

6. В условиях вынужденной конвекции газа КТВ становится эффективней на 10%. Поэтому наиболее перспективно производство индивидуальных систем, т.к. в этом случае проще учесть субъективные отличия, а интенсификация теплоотдачи позволяет синхронизировать охлаждение различных участков поверхности.

7. В условиях вынужденного движения криогенного газа можно выделить три группы сочетаний параметров охлаждения:

• низкотемпературный режим с малой скоростью газа.

Ттн = 120−130/Г 0) тн < ОДм/с), который может реализоваться только в групповых системах;

• среднетемпературный режим (= 140−15 Off 03 < сотн < 0,1м/с), который реализуется в индивидуальных системах;

• высокотемпературный режим (Готн «160А* сотн > 0,1м/с), предназначенный для локальных криотерапевтических охладителей.

8. Можно однозначно утверждать, что групповые аппараты с компрессионным охлаждением с рабочей температурой 160 — 170К не пригодны для выполнения задач КТВ.

9. Локальные охладители с рабочей температурой 210 — 240К также не соответствуют целям КТВ.

10. Системы криостатирования должны обеспечивать синхронный отвод теплоты от всей поверхности объекта КТВ. Для этого максимальный перегрев газа следует ограничивать величиной 10 К, а время установления температурного режима в процедурной кабине не превышать 30с.

11. При организации КТВ следует избегать ситуаций, связанных со большим отклонением параметров газовой среды от рекомендованных значений.