CC BY
35
ЭЛЕКТРОНИКА, АВТОМАТИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА
УДК 621.362:537.322
ПРИБОРЫ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ОРГАНИЗМ
© 2003 г. Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов, Г.И. Аминов, Ш.А. Юсуфов
В последние годы польза применения локального и общего охлаждения при лечении различных заболеваний не вызывает никакого сомнения. Уже доказана возможность применения гипотермии для лечения сосудистых заболеваний, достоверно известно о заживляющем эффекте местной гипотермии при лечении трофических язв, заживлении ожогов и др., отмечается определенный положительный эффект при использовании температурного воздействия в офтальмологии [1].
Среди известных приборов для осуществления локального охлаждения в медицине в настоящее время значительными преимуществами перед остальными обладают устройства, основанные на термоэлектрических преобразователях. Такие приборы имеют малые габариты, удобны в использовании, технологичны, обладают улучшенными энергетическими характеристиками при небольших тепловых нагрузках, универсальны (имеют возможность перехода из режима охлаждения в режим нагрева при реверсе электрического тока).
В лаборатории термоэлектричества и полупроводниковых приборов, функционирующей при Дагестанском государственном техническом университете, уже достаточно длительное время проводятся исследования в области медицинского термоэлектрического приборостроения.
Описания некоторых конструктивных решений, явившихся результатом работы авторского коллектива в области создания эффективных устройств для локального температурного воздействия на человеческий организм, приводятся в настоящей работе.
Прибор для температурного воздействия на ограниченный участок кожи
В практике физиологических исследований часто требуется осуществить охлаждение или нагрев ограниченного участка кожи. Для этой цели обычно используются различные кожнотемпературные приборы.
Подача температурных раздражений с помощью «температурных коробочек» и других используемых для данной цели приборов - термодов, заполняемых водой или льдом, не обеспечивает точной дозировки температурного раздражения и требует дальнейшего усовершенствования. Кроме того, понижение температуры в этих приборах посредством различных охлаждающих сред (вода, лед, твердая углекислота и другие) не удовлетворяет требований практики из-за невозможности осуществить быстрое изменение температуры, что в ряде случаев крайне необходимо.
Устранить указанные недостатки возможно, используя в качестве термода полупроводниковый термоэлектрический модуль [2]. При проведении процедур термоэлектрический модуль прикладывается к участку кожи своим спаем и при пропускании через него электрического тока либо охлаждает, либо нагревает его. При незначительных габаритах и весе он позволяет осуществлять раздражение участка кожи и при необходимости в течение короткого времени переходить из режима охлаждения в режим нагрева. Недостатком такой конструкции является неточная локализация температурного воздействия, связанная с растеканием тепла на соседние участки кожи за счет процесса теплопроводности.
Данный недостаток устранен в конструкции прибора для температурного воздействия на ограниченный участок кожи, схематическое изображение которого приведено на рис. 1.
Рис. 1
Устройство содержит элемент температурного воздействия 1, присоединенный к ручке-держателю 2, два термодатчика 3 и 4, размещенные на элементе температурного воздействия 1 и соединенные с устройством управления 5, обеспечивающим питание электрической энергией и контроль работы элемента температурного воздействия 1.
Элемент температурного воздействия 1 показан на рис. 2.
Он представляет собой тонкостенную цилиндрическую поверхность 1, выполненную из металла с высоким коэффициентом теплопроводности, внутри которой размещен термоэлектрический модуль 3. Первый спай термоэлектрического модуля 3 приведен в тепловой контакт с нижним основанием тонкостенной цилиндрической поверхности 1, а второй спай - с тепловыравнивающей пластиной 2, имеющей форму диска и расположенной по высоте на одном уровне с верхним основанием тонкостенной цилиндрической
поверхности 1, имеющим в центре отверстие диаметром, немного превышающим диаметр тепловыравни-вающей пластины 2. Оставшийся объем тонкостенной цилиндрической поверхности 1 заполнен теплоизоляционным веществом 4.
12 3 4
Вид сбоку 1
Вид сверху Рис. 2
Прибор работает следующим образом.
Для проведения медицинских процедур необходимо установить устройство в рабочее положение, прижав посредством ручки-держателя 2 элемент температурного воздействия 1 к активной точке на поверхности кожи, и осуществить его питание электрической энергией блоком управления 5 (рис. 1). При питании электрической энергией термоэлектрического модуля, являющегося рабочим компонентом элемента температурного воздействия, между его первым и вторым спаями возникнет разность температур, пропорциональная величине протекающего электрического тока. Эта разность температур сохранится между верхним основанием тонкостенной цилиндрической поверхности 1 и тепловыравнивающей пластиной 3, имеющими тепловой контакт с первым и вторым спаями термоэлектрического модуля 3 соответственно (рис. 2). Локализация температурного воздействия на конкретный участок кожи будет осуществлена за счет поддержания постоянного градиента температуры на границе сопряжения тепловыравнивающей пластины и верхнего основания тонкостенной цилиндрической поверхности. Постоянный градиент температуры в процессе раздражающего воздействия на участок кожи поддерживается при помощи блока управления 5, изменяющего величину электрической энергии, питающей термоэлектрический модуль в соответствии с сигналами, поступающими от термодатчиков 3 и 4 (рис. 1).
Использование теплоизоляционного вещества в элементе температурного воздействия необходимо для устранения перетоков тепла с боковой поверхности тонкостенной цилиндрической поверхности на термоэлектрический модуль.
Прибор для пульсирующего теплового воздействия на назолабиальную область
Методика тепловых пульсаций на назолабиальную (носогубную) зону применяется при неврозах, невро-зоподобных состояниях различной природы (астено-невротический синдром после перенесенных инфекций, травм и т. д.) и приводит к общему успокоению пациентов, нормализации ночного сна, а также способна купировать приступ бронхиальной астмы без применения фармакологических препаратов.
Известен способ местного теплового воздействия путем наложения на назолабиальную область термо-дов и ритмически изменяющейся температуры [3]. В данном способе в качестве термодов используются парные рамки из диэлектрика, на которых закреплены витки изолированной проволоки с высоким удельным сопротивлением (константан) и малым сечением. На данную спираль с помощью генератора ритмически подается постоянный электрический ток. Питание электрическим током проволоки осуществляется подачей напряжения на нее в ритме дыхания пациента.
Недостатком данного способа является невозможность установить четкий температурный диапазон теплового воздействия. Перепад температур либо слишком мал, что приводит к недостаточно сильному лечебному эффекту, либо настолько велик, что может вызвать ожог у пациента.
Для устранения указанного недостатка предлагается конструкция устройства, показанная на рис. 3 а, б.
8
6
3 2 1
4 5
.4 .3 5
б
Рис. 3
а
Устройство содержит опорную пластину 1, изготовленную из пластичного материала со значением коэффициента теплопроводности, лежащим в пределах 20-80 Вт/(мК) (например, свинца), толщиной 3-4 мм. К нижней поверхности опорной пластины 1 присоединена с хорошим тепловым контактом дополнительная пластина 2 толщиной 2-3 мм, изготовленная из пластичного диэлектрического материала, в объеме которой на расстоянии от ее нижней поверхности, равном 1/4 ее толщины, находится металлическая решетка 3, содержащая два боковых ребра, выполненных из материала с высокой теплопроводностью (меди), длина которых немногим меньше ширины дополнительной диэлектрической пластины 2. Они находятся вблизи ее противоположных боковых торцов на расстоянии от ее краев, равном 2-3 мм. Ребра металлической решетки 3 соединены между собой отрезками нихромовой проволоки, следующими друг за другом через одинаковые промежутки, равные 2 мм.
С верхней поверхностью опорной пластины 1 приведены в тепловой контакт своими теплопогло-щающими спаями две термоэлектрические батареи 4, тепловыделяющими спаями сопряженные с радиаторами 5. Питание термоэлектрических батарей осуществляется источником электрической энергии.
Для согласования теплового воздействия с ритмом дыхания пациента на передней части брюшной полости больного устанавливается датчик дыхательных движений 6, сигналы с которого подаются посредством подводящих проводов 7 на вход блока управления 8, который осуществляет подачу электрических импульсов на металлическую решетку 3.
Устройство работает следующим образом.
Устройство накладывают рабочей поверхностью, представляющей собой нижнюю поверхность дополнительной диэлектрической пластины 2, на назолаби-альную область пациента, причем последнюю предварительно смазывают мазью, хорошо проводящей тепло (вазелиновое масло). В то же время на передней части брюшной полости пациента размещают датчик дыхательных движений 6, соединенный с блоком управления 8. Далее осуществляют запитку электрической энергией термоэлектрических батарей 4, причем таким образом, чтобы последние охлаждали опорную пластину 1, дополнительную диэлектрическую пластину 2 и металлическую решетку 3 до температуры, лежащей в пределах 10-15 °С.
После включения блока управления 6 в момент вдоха пациента на его вход поступает сигнал с датчика дыхательных движений 6, в соответствии с которым через подводящие провода 7 на металлическую решетку 3 подается импульс электрического тока, вызывающий практически мгновенный нагрев отрезков нихромовой проволоки вследствие ее малой теплоемкости. Датчик дыхательных движений 6 имеет двухсекционную схему переключения, в которой сигнал, инициирующий передачу электрического тока на металлическую решетку 3, соответствует полному вдоху, а сигнал, прекращающий подачу электрической энергии, - полному выдоху пациента.
Охлаждение термоэлектрическими батареями 4 опорной пластины 1, дополнительной диэлектрической пластины 2 и металлической решетки 3 не позволяет последней излишне перегреваться и обжигать назолабиальную область пациента. Вместе с тем в процессе подобного воздействия сохраняется весьма ощутимый раздражающий эффект, связанный с наличием достаточного перепада температур между дополнительной диэлектрической пластиной и металлической решеткой 3.
Использование в качестве опорной 1 и дополнительной 2 пластин пластичных материалов позволяет обеспечить плотное прилежание устройства к назола-биальной области пациента вне зависимости от его индивидуальной формы лица.
Прибор для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока
В офтальмологической практике издавна широко используется влияние низких положительных температур при лечении различных заболеваний (холодные примочки, пузырь со льдом и др.).
Из анализа большого числа экспериментальных работ выяснилось [4], что применение локальной гипотермии по своему воздействию на ткани глаза изучено в различных аспектах: длительности экспозиции, вида охлаждающего вещества и температурного режима, значения формы, веса, величины рабочей части инструмента, места приложения низкой температуры, воздействия холода на патогенную флору и др. Установлена прямая зависимость между кратковременностью экспозиции действия холода и применением низкой до - 79°С температуры. Выявлены терапевтический эффект локальной гипотермии без повреждающего действия холода на окружающие ткани глаза и при некоторых повреждениях роговой оболочки; гипотензивный - в случаях воздействия холода на цилиарное тело; возможность образования хориоретинальной спайки при криоретинопексии. Некоторые авторы отмечают перспективу локальной гипотермии в области сосудистой патологии при аневризмах, ретините, гемангиоматозе, болезни Коат-са и других, в лечении туберкулеза радужки, сосудистых бельм, для профилактики развития сосудов после кератопластики, в лечении химических ожогов роговицы и др.
К сожалению, следует отметить отсутствие в офтальмологической практике удобного, простого в использовании, эффективного устройства, позволяющего проводить направленное воздействие как холодом, так и теплом, на оболочки переднего отрезка глазного яблока человека. Существующие на данное время устройства, основанные на использовании различного рода примочек, грелок, криоинструмент, работающий по принципу предварительного охлаждения рабочей части каким-либо хладагентом (жидкий азот, углекислота), неудобны в применении, малоэффективны, не имеют возможности переходить от охлаждения к нагреву и наоборот.
Авторами разработан прибор для локального температурного воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, свободный от приведенных недостатков.
Структурная схема предлагаемого прибора приведена на рис. 4.
Рис. 4
уровня температурного воздействия. Подачей тока питания с блока контроля и регулировки 9 на термоэлектрический модуль 2 осуществляется регулировка температуры контактной головки 1. Тепловой демпфер 3 и термоэлектрический модуль 4 служат для точной стабилизации температуры вторых спаев термоэлектрического модуля 2, что необходимо для достижения точности поддержания температуры контактной головки 1.
Термостабилизация горячих спаев термоэлектрического модуля 2, осуществляемая в предлагаемом устройстве, позволяет повысить точность теплового воздействия. Это обусловлено характером зависимости температуры холодных спаев термоэлектрического модуля от температуры горячих спаев. Выражение для определения температуры холодных спаев 70 при заданной температуре горячих спаев Т выглядит следующим образом:
^ + kT + 112 R
aI + k
Прибор состоит из контактной головки 1, выполненной из инертных высокотеплопроводных материалов, допускающих общепринятые способы ее стерилизации, термоэлектрического модуля 2, опорного теплового демпфера 3 в виде полого металлического цилиндра, наполненного веществом, имеющим стабильную температуру плавления, термоэлектрического модуля 4, назначение которого состоит в отводе избытка тепла от теплового демпфера 3. Для отвода тепла от вторых спаев термоэлектрического модуля 4 используется воздушный радиатор 5, который крепится к ручке 6. С конца ручки при помощи электрического разъема 7 выводятся проводные соединения с датчиков 8 на вход блока контроля и регулировки 9, а с его выхода - на термоэлектрические модули 2 и 4. Для электроизоляции термоэлектрических модулей от контактной головки, теплового демпфера 3 и радиатора проложены тепло-проводящие керамические прокладки 10. Для термоизоляции от окружающей среды модули по бокам окружены термоизолирующей прокладкой 11.
Прибор функционирует следующим образом. После предварительной анестезии передней поверхности глазного яблока закапыванием 0,5-1,0 %-го раствора дикаина в конъюнктивальную полость, контактная головка 1 вводится в плотный контакт с глазным яблоком пациента. Обслуживающим персоналом на блоке контроля и регулировки 9 выставляется значение
где Q0 - холодопроизводительность термоэлектрического модуля; к - теплопроводность термоэлементов; Я - электрическое сопротивление термоэлементов; I - ток питания; а - коэффициент термоЭДС; п -число термоэлементов.
Из этого соотношения следует, что, в частности, для области температур Т = (25 ± 50) °С изменение температуры холодных спаев ТЭБ составляет примерно половину отклонения температуры горячих спаев, т. е. ДТ0 « 0,5ДТ . Таким образом, если температура горячих спаев поддерживается с точностью до 1 %, то температура холодных до - 0,5 %.
Поддержание плавящегося вещества в состоянии фазового перехода контролируется с помощью рези-стивных датчиков 8, служащих для контроля над процессом теплового воздействия на глаз и поддержания температуры в заданных пределах. В случае аварийного выхода температуры за границы заданного диапазона блок контроля и регулировки выключает ток питания и подает звуковой сигнал.
Для удобства хранения и эксплуатации соединение устройства с блоком контроля и регулировки выполнено разъемным.
Литература
1. Исмаилов Т.А., Магомедов К.А., Хамидов А.И., Али-
ев А-Г.Д. Термоэлектрические полупроводниковые преобразователи в медицине. Махачкала, 2000.
2. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л., 1967.
3. А. с. СССР № 639546. Способ местного теплового воздействия, кл. А 61 Е 7/00, 1978.
4. Золотарева М.М., Чвялева К.И., Василевич А.И. Гипотермия глазных заболеваний. Минск, 1979.
Дагестанский государственный технический университет
18 декабря 2002 г.
n
