CC BY
29
УДК 621.565.82; 621.564.25; 615.832.96
Исследование гибких капиллярно-пористых покрытий для локальной криотерапии
Канд. техн. наук Кондратенко Р.О. [email protected] д-р техн. наук Нестеров С.Б. [email protected] НИИ Вакуумной техники имени С.А. Векшинского д-р мед. наук Буторина А.В. [email protected] Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова д-р техн. наук Архаров А.М. [email protected] д-р техн. наук Матвеев В.А., Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
д-р техн. наук Борзенко Е.И.
Университет ИТМО 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Выполнено исследование гибких капиллярно-пористых покрытий для локальной криотерапии. Выполненные измерения по динамике изотерм по глубине ткани in vitro, или прозрачного геля (вода + желатин 2 — 4 %), при охлаждении его поверхности разными источниками холода с использованием прецизионного инфракрасного термографа удовлетворительно совпадают с расчетом.
Установлено, что актуально использовать струю смеси пропан-бутан (40/60 % мольн.) при местной криотерапии совместно с капиллярно-пористым покрытием на латексной основе с толщиной 0,5—2,5 см и диаметром 6,5—12 см, которое удобно для практики и имеется на рынке. Покрытие в течение 10 сек пропитывают смесью, что обеспечивает рациональный для криотерапии период охлаждения биоткани 3—6 минут и более быстрое охлаждение по сравнению с пакетом тающего льда. 1 см этого материала содержит до 15000 воздушных микропор. Объем воздуха в них составляет 85 % всего объема пенистой резины, средний радиус пор R = 0,1 мм.
Ключевые слова: криотерапия, гибкие капиллярно-пористые покрытия, охлаждающий аэрозоль, охлаждение тонкой пленкой кипящей газовой струи, пропан/бутан/Ю23, термограмма, биоткань.
Flexible capillary porous coverings for local cryotherapy
Ph.D. Kondratenko R.O. [email protected] D.Sc. Nesterov S.B. [email protected] JSC Vekshinski Research Institute of Vacuum Technology
D.Sc. Butorina A.V. [email protected] Pirogov Russian National Research Medical University, D.Sc. Arkharov A.M., D.Sc. Matveev V.A. [email protected] Bauman Moscow State Technical University D.Sc. Borzenko E.I. ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
Flexible capillary porous coverings have been studied. Measurements on the isotherm dynamics at the tissue depth in vitro or on transparent gel (water + gelatine 2-4 %) are made. Its surface is cooled by various cold sources using sensitive infrared thermograph. These measurements show satisfactory agreement with the calculation results.
It is appropriate to use the jet of propane/butane mixture (40/60% mole) by local cryotherapy alongside with capillary porous covering on the latex substrate 0,5 — 2,5 cm thick, 6,5-12 cm in diameter — it is convenient and available at the market. The covering is soaked with this mixture during 10 seconds - this provides rational cryotherapeutic biotissue cooling 3—6 minutes - and more rapid cooling in comparison to melting ice package. 1 cm of this material contains up to 15000 air micropores. The air volume in them is 85 % from the whole volume of expanded rubber, average pore radius is R = 0,1 mm.
Keywords: cryotherapy, flexible capillary porous coverings, cooling spray, cooling by thin film of boiling gas jet, propane/butane/R123, biotissue.
Охлаждение биологических тканей применяется в ортопедии, экстренной хирургии, спортивной медицине с целью быстрого достижения эффекта обезболивания, ликвидации гипертермии, улучшения микроциркуляции, снижения микробной активности, стимулирования процессов регенерации охлаждаемых и окружающих тканей [1, 2, 3]. В статье приведены результаты исследования температурного поля поверхностного слоя биологических тканей при охлаждении смоченным в хладагенте капиллярно-пористым покрытием.
В настоящее время существует разработанная Будриком В.В. удобная для практики методика получения базового графика для выражения мощности охлаждения применяемого источника холода, находящегося в контакте с тканью [4], где используется решение задачи охлаждения полуограниченного тела, полученное Шнейдером П.Д. [5]. Для криотерапии - это кривые Г(т) по динамике изотерм в биоткани для разных конвективных условий охлаждения (например, при использовании различных криоаппликаторов, системы газовых струй, холодной воды, криосауны).
Для внедрения в практику у рекомендованной методики отсутствует ряд важных экспериментальных доказательств. В этой связи, одной из задач настоящих исследований является экспериментальная проверка предложенной методики, которая будет удобна в практике криотерапии и криохирургии для установления мощности охлаждения применяемого источника холода любой конструкции в контакте с тканью.
Отсутствие вышеуказанных базовых графиков в научной литературе и практических руководствах для врачей является препятствием для стандартизации и широкого внедрения в практику криометодов. В частности, это не дает возможности достоверно обобщать собственные результаты с подобными данными коллег, которые получены с применением других источников холода, а также сравнивать и выявлять на рынке либо создавать новую эффективную конструкцию криоаппарата, соответствующую условиям работы.
Далее исследована динамика изотерм Г(т) по глубине Z охлаждаемой ткани (гель 4 % раствор желатина, аналог ткани in vitro) с помощью прецизионного инфракрасного термографа.
Схема экспериментального стенда представлена на рис. 1. Хладагент в состоянии насыщения заправлялся в баллон 1. При проведении эксперимента смесь распылялась на различные капиллярно-пористые покрытия 3, расположенные на охлаждаемой поверхности. Для снятия температурного поля в сечении охлаждаемой среды использовался прецизионный инфракрасный термограф «ИРТИС-2000 С» 7. Для определения температурного поля по глубине охлаждаемой среды использовалась тонкая, прозрачная для ИК диапазона полиэтиленовая пленка 5, позволяющая получить ровное сечение. увеличения получаемого термографом снимка. Переменные величины в эксперименте представлены в таблице 1.
9 1
Рис. 1. Схема экспериментального стенда по исследованию динамики изотерм Т(т) по глубине Z охлаждаемой ткани с помощью прецизионного инфракрасного термографа: 1 - баллончик с охлаждающей смесью; 2 - защитная пленка; 3 - капиллярно-пористое покрытие;
4 - модельная среда (4 % раствор желатина, аналог ткани in vitro);
5 - прозрачная для ИК-диапазона тонкая полиэтиленовая пленка; 6 - линза; 7 - термограф;
8 - ЭВМ; 9 - температурное поле охлаждаемого объекта, полученное с помощью термографа
В результате были получены данные по динамике изотерм Т(т) охлаждаемого геля (4 % раствор желатина) на разной глубине [6, 7]. На рис. 2 представлена термограмма в инфракрасном диапазоне геля при охлаждении смоченным в хладагенте капиллярно-пористым покрытием с температурой Т0 = -15 °С.
Полученные расчётные по динамике изотерм Т(т) на глубине Z = 0, 2, 6 мм в растворе желатина при охлаждении тающим льдом при температуре Т0 = 0 °C приведены вместе с экспериментально полученными данными на рис. 3.
На рис. 4 приведены для сравнения расчётные и экспериментальные данные по динамике изотерм Т(т) в растворе желатина при охлаждении смесью пропан/бутан/Ю23 при Т0 = -15 °С с использованием капиллярно-пористого покрытия (марля, 18 слоев, 50*40*5 мм)
Таблица 1
Переменные величины в эксперименте по исследованию динамики изотерм Дт) в охлаждаемой среде на разных глубинах от охлаждаемой поверхности
Хладагент Пропан/бутан, 40/60 % мольн., То = -35,5 °С
Пропан/бутан/Ю23, 28/42/30 % мольн., Т0 = -25 °С
Пропан/бутан/Ю23, 12/18/70 % мольн., То = -15 °С
Тающий лед в полиэтиленовом пакете
Капиллярно-пористое покрытие Вата 40^35x5 мм, сжималась с 5 до 3 мм для получения хорошего контакта
Вата 40x35x5 мм, сжималась с 5 до 3 мм для получения хорошего контакта, перфорация ё = 2 мм; Ь = 6 мм
Марля 18 слоев 50x40x5 мм, сжималась с 5 до 3 мм для получения хорошего контакта
Наличие базовых графиков Т(т) для тех или иных конвективных условий охлаждения позволяет:
- достоверно сопоставить метод охлаждения биологической ткани смоченным в хладагенте капиллярно-пористым покрытием с другими методами локальной криотерапии: методом локальной криотерапии с применением различных криоаппликаторов, пакетов с криогелем, льдом, методом струйного охлаждения, а так же при общей криотерапии с применением холодной воды, криосауны;
- проследить динамику изменения температуры по глубине ткани во времени при ее охлаждении;
- сравнить полученные данные по динамике изотерм Г(т) с расчетными, тем самым подтвердив точность методики расчета;
- выбрать эффективные условия охлаждения заданного участка биологической ткани для достижения температуры Тт= 12 °С на глубине 7 = 3 мм (достижение эффекта обезболивания);
- определить рабочее время испарения хладагента из капиллярно-пористого покрытия при охлаждении.
Рис. 2. Термограмма в инфракрасном диапазоне геля (4 % раствор желатина, аналог ткани in vitro) по глубине при локальном охлаждении его поверхности смоченным в хладагенте капиллярно-пористым покрытием (марля 18 слоев 50x40x5 мм) с температурой 70 = -15 °С в течение 7 минут. Снимок сделан с помощью инфракрасного
прецизионного термографа ИРТИС - 2000 С Температура на снимке выражена в °С.
20
0 50 100 150 200 250 300
7Г,С
Рис. 3. Расчёт и экспериментально полученные данные по динамике изотерм Т(т) на глубине 2 = 0, 2, 6 мм в растворе желатина при охлаждении его поверхности пакетом с тающим льдом с 70 = 0 °С. Отклонение экспериментальных данных от расчётных ±2 °С: 1 - эксперимент, 2 = 0 мм; 2 - эксперимент, 2 = 2 мм; 3 - эксперимент, 2 = 6 мм; 4 - расчет, 2 = 0 мм; 5 - расчет, 2 = 2 мм; 6 - расчет, 2 = 6 мм
Рис. 4. Расчёт и экспериментально полученные данные по динамике изотерм Т(т) в растворе желатина при охлаждении смесью пропан/бутан^123 при Т0 = -15 °С с использованием капиллярно-пористого покрытия (марля 18 слоев (50x40x5 мм). Отклонение экспериментальных данных от расчётных ±2 °С: 1 - эксперимент, 2 = 0 мм; 2 - эксперимент, 2 = 2 мм; 3 - эксперимент, 2 = 6 мм; 4 - расчет, 2 = 0 мм; 5 - расчет, 2 = 2 мм; 6 - расчет, 2 = 6 мм
Выполненные измерения по динамике изотерм по глубине ткани in vitro, или прозрачного геля (вода + желатин 2-4 %), при охлаждении его поверхности разными источниками холода с использованием прецизионного инфракрасного термографа удовлетворительно совпадают с расчетом.
Установлено следующее: актуально использовать струю смеси пропан-бутан (40/60 % мольн.) при местной криотерапии (особенно в спорте) совместно с капиллярно-пористым покрытием на латексной основе с толщиной 0,5-2,5 см и диаметром 6,5-12 см, которое удобно для практики и имеется на рынке. Покрытие быстро (в течение 10 с) пропитывают смесью, затем фиксируют на заданной поверхности органа. Это обеспечивает рациональный для криотерапии период охлаждения биоткани 3-6 минут и более быстрое охлаждение по сравнению с пакетом тающего льда. Известно, что 1 см этого материала содержит до 15000 воздушных микропор. Объем воздуха в них составляет 85 % всего объема пенистой резины, средний радиус пор R = 0,1 мм.
Вид пористого покрытия на латексной основе представлен под микроскопом на рис. 5. Хорошо видно, что материал меняет свою форму после использования (смачивание покрытия хладагентом с последующим испарением).
Рис. 5. Вид пористого покрытия на латексной основе под микроскопом (одно деление на шкале равно 150 мкм): а) до впитывания хладагента; б) после впитывания и испарения хладагента
Список литературы
1. Черниговский В.Н., Курбатова И.Н. О температурах возникновения и снятия холодового стаза // Нейро-гуморальные регуляции в деятельности органов и тканей. - Л., 1941. - С. 164-168.
2. МихеевМ. А., МихееваИ. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. - 344 с.
3. Буторина А.В., Кондратенко Р.О., Архаров А.М. Новые криогенные технологии в фитнесе и спорте высших достижений // Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития: Материалы 8-ой Международной научно-практической конференции. - М., 2011. - С.73-75.
4. Будрик В.В. Физические основы криометодов в медицине. - М.: Лика, 2007. - 136 с.
5. Шнейдер П.Д. Инженерные проблемы теплопроводности. М.: МИР, 1977. - 478 с.
6. Кондратенко Р.О., Нестеров С.Б., А.В. Буторина. Охлаждение биологической ткани в локальной криотерапии. - М.: Новелла, 2010. - 50 с.
7. Кондратенко Р.О., Гарсков Р.В., Нестеров С.Б., Щербаков М.И. Исследование контактных методов охлаждения биологической ткани в локальной криотерапии // Вакуумная техника, материалы и технология: Материалы 7 Международной научно-технической конференции. М., 2012. - С. 264 - 268.
