CC BY
18
УДК 617.089
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АППАРАТОВ ЛОКАЛЬНОГО БЕСКОНТАКТНОГО КРИОВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ ПРОЦЕССОВ
Н. Е. Курносов, А. А. Земцов, С. В. Рубцов, А. Н. Буданов
WAYS OF IMPROVEMENT OF LOCAL DEVICES CONTACTLESS CRYOTHERAPY BASED ON THE USE OF VORTEX PROCESSES
N. E. Kurnosov, A. A. Zemtsov, S. V. Rubtsov, A. N. Budanov
Аннотация. Актуальность и цели. В медицине при хирургическом лечении злокачественных опухолей существует необходимость обеспечения температурного воздействия на зону новообразования. Цель работы - применить возможности вихревых процессов и технологий для решения задачи совершенствования аппаратов криовоздействия. Материалы и методы. Реализация исследовательской задачи была достигнута на основе использования передовых разработок в области вихревых процессов и технологий, в том числе использования управляемой ионизации без дополнительных затрат электроэнергии. Результаты. Проведен анализ существующих аппаратов, определены их недостатки, сформирован перспективный план развития оборудования. Выводы. Использование вихревых технологий позволяет упростить аппараты бесконтактного криовоздействия и расширить их функциональные возможности.
Ключевые слова: вихревые технологии, криоохлаждение, хирургия, медицина, технология, ионизация, нагрев.
Abstract. Background. In medicine, the surgical treatment of malignant tumors, there is the need to ensure the temperature effect on the tumor area. Purpose - to apply the possibility of vortex processes and technologies to address the problem of improving cryotherapy devices. Materials and methods. Implementation of the research task was achieved through the use of cutting-edge developments in the field of vortex processes and technologies, including the use of controlled ionization without additional cost of electricity. Results. The analysis of existing devices, defined by their flaws, formed long-term plan of the equipment. Conclusions. Using vortex technology simplifies contactless devices cryothera-py and extend their functionality.
Key words: vortex technology, cryocooling, surgery, medicine, technology, ioniza-tion, heating.
При проведении оперативного вмешательства и удаления злокачественных новообразований необходимо осуществлять замедление скорости кровотока, местное сужение мелких капилляров и артериол кожи, замедление обменных процессов и т.д. для снижения потерь крови пациентом [1].
Холод оказывает антигипоксическое, гемостатическое, репаративное действие, уменьшает боль и степень выраженности воспалительного процесса, отека тканей, обеспечивает ликвидацию мышечного спазма [2].
Местное воздействие холода приводит к локальному замедлению обменных процессов в охлажденных тканях, снижению потребления кислорода [3].
На сегодняшний день охлаждение зоны новообразований в основном осуществляется за счет использования местного температурного воздействия контактным или бесконтактным способом с помощью специальных аппаратов.
Помимо охлаждения необходимо воздействие повышенных температур для экстренного или плавного отогрева замороженных участков тела после проведения оперативного вмешательства. Для этого используются специальные электрические нагреватели в дополнение к основному блоку существующих аппаратов охлаждения.
Кроме того, крайне актуальным является использование в хирургической практике для обеззараживания операционного поля дополнительных дезинфицирующих веществ. Относительно новым, но уже доказавшим свою эффективность дезинфицирующим средством является местное ионизационное воздействие (введение в обрабатываемую зону ионов серебра). При введении ионов серебра в клетках бактерий происходит подавление усвоения фосфатов, угнетаются функции ДНК, повреждаются клеточные мембраны и ингибируется трансмембранный транспорт органических и неорганических веществ, инактивируются ферменты, что приводит к гибели бактерий и, соответственно, к местному обеззараживанию.
В настоящее время для местного температурного воздействия (охлаждения) используются аппараты, работающие на основе жидких или газообразных хладагентов, а также жидкого азота [4].
На рис. 1 представлен аппарат ERBOKRYO 12 CRYO-GUN. Как и все существующие аппараты, он снабжен громоздким баллоном.
Рис. 1. Аппарат ERBOKRYO 12 CRYO-GUN
На рис. 2 представлен отечественный аппарат КРИО-01 Еламед. Баллон спрятан в металлический корпус.
Рис. 2. Аппарат КРИО-01 Еламед
Недостатками существующих аппаратов являются:
- ограниченное время работы и большие затраты времени на подготовку аппаратов, работающих на жидком азоте;
- использование дорогих хладагентов в компрессионных аппаратах;
- ограниченность участка воздействия размерами самого инструмента;
- малая холодопроизводительность компрессионных аппаратов;
- большие габариты, громоздкость конструкций и невозможность их мобильного исполнения (использование в машинах скорой помощи);
- необходимость в отдельном устройстве отогрева обрабатываемых тканей;
- невозможность работы под всеми углами, что объясняется особенностями существующих аппаратов и ограничивает сферу их применения.
Для проведения отогрева участков используются специальные электрические нагреватели, в основном работающие на конвекционном теплообмене с нагревательным элементом. Недостатками данной техники являются большие массогабаритные размеры и высокое энергопотребление [5].
Для введения ионов используются ионизаторы, работающие на принципах коронного разряда, основным недостатком которых является высокая опасность поражения электрическим током из-за открытого источника разряда [6].
На сегодняшний день в мире не имеется бесконтактных аппаратов, совмещающих все функции (охлаждение, нагрев, ионизацию). Не существует технологий местного температурного воздействия потоком направленного ионизированного газа, позволяющего более эффективно проводить местное
воздействие на операционную зону, в особенности при хирургическом лечении злокачественных новообразований.
Решение задачи создания такого оборудования заключается в использовании эффектов, возникающих при течении закрученных вихревых потоков газа. В устройстве происходит разделение потока газа на две составляющие: с низкой и высокой температурами. Их можно использовать для охлаждения и нагрева. При этом любую из двух составляющих газа можно управляемо насытить как положительными, так и отрицательными ионами без применения дополнительной энергии для этого [7].
Температурное воздействие осуществляется ионизированным потоком, который обеспечивает охлаждение направленной струей газа с температурой от -1 до -30 °С с антибактериальным эффектом, а также одновременным нагревом направленным потоком ионизированного газа с температурой от +1 до +40 °С. Охлаждение, нагрев и ионизация осуществляются при едином процессе работы аппарата с выходом на рабочий режим не более 20 с.
Актуальность создания данного типа оборудования подтверждается тем, что основная масса существующих аппаратов является либо морально устаревшими, либо импортного производства с высокой стоимостью.
Данное направление медицинских аппаратов является перспективным согласно прогнозу научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 г., утвержденного Правительством РФ 3 января 2014 г.
При разработке технических основ создания таких аппаратов и в последующем при организации их производства Российская Федерация не только сможет отказаться от закупки данного оборудования за рубежом, но и за счет его технического превосходства начать экспорт данного оборудования.
Разрабатываемое оборудование будет превосходить существующее по следующим параметрам:
- масса до 10 кг (против 55-85 кг существующих);
- короткое время подготовки и выхода на рабочий режим: 5-20 с (против 10-30 мин у имеющихся аппаратов);
- неограниченное время работы, в отличие от ограниченности объемом баллона у аппаратов, работающих на жидком азоте;
- возможность прерывистого режима работы (быстрый старт-стоп);
- возможность вращения во время работы на 360 градусов, что расширяет область применения данного аппарата (возможность работы с младенцами в горизонтальном положении, отсутствие необходимости перемещения конечностей или всего пациента при работе со всеми участками тела);
- отсутствие механических насадок, способных при контакте травмировать здоровые ткани;
- возможность варьирования площади воздействия потока;
- экологическая безопасность, так как используется только очищенный и продезинфицированный газ;
- невысокая стоимость по сравнению с аппаратами компрессионного типа, использующими хладагенты (не более 50 тыс. руб. против 280-690 тыс. руб. у аналогичного оборудования).
Проведенный анализ по тенденциям развития аппаратов местного температурного воздействия позволил сделать вывод о том, что основными направлениями их развития являются снижение массы и стоимости, сниже-
ние времени выхода на рабочий режим, расширение областей применения данного оборудования.
Аккумулируя научно-технический задел по данному направлению, можно сделать следующие выводы:
1) использование в качестве рабочего тела очищенного газа (преимущественно воздуха) позволяет снизить стоимость разрабатываемого аппарата;
2) отказ от резервуаров для сжиженных газов, используемых в современных аппаратах, позволит существенно снизить массу оборудования;
3) технические принципы, подтвердившие свою работоспособность и закладываемые в конструкцию аппарата для местного температурного воздействия, позволят снять ограничения по времени непрерывной работы, снизить время выхода на рабочий режим до 5-20 с;
4) нагретый или охлажденный газ будет подаваться дистанционно, без контакта с поверхностью каких-либо частей аппарата;
5) насыщение потока подаваемого газа уни- и биполярными ионами без использования дополнительной энергии для их получения позволит обеспечить дезинфекцию операционного поля.
Таким образом, разработка данного типа оборудования является актуальной задачей, способной достичь высокого социально-экономического эффекта.
Список литературы
1. Апрелева, А. В. Общая криотерапия как новый метод интенсификации тренировочного процесса / А. В. Апрелева, А.Ю. Баранов // Ученые записки. - 2007. -№ 8. - С. 8-30.
2. Волотовская, А. В. Криотерапия : учеб.-метод. пособие / А. В. Волотовская, Г. К. Колтович, Л. Е. Козловская, А. Н. Мумин. - Минск : БелМАПО, 2010. - 26 с.
3. Ананин, В. В. Управление температурным режимом и ионизацией при проведении криотерапевтических процедур / В. В. Ананин, Н. Е. Курносов, К. В. Лебединский // Проблемы автоматизации и управления в технических системах. -Пенза, 2013. - С. 9-11.
4. Портнов, В. В. Локальная воздушная криотерапия: механизм действия и применение в практике / В. В. Портнов // Курортные ведомости. - 2009. - № 2. - С. 62-64.
5. Общая и локальная воздушная криотерапия / под ред. В. В. Портнова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М., 2008. - 51 с.
6. Скипетров, В. П. Аэроионы и жизнь / В. П. Скипетров. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Саранск, 2005. - 136 с.
7. Способ ионизации воздуха и устройство для его осуществления. Air ionization method and device for the implementation thereof : пат. WO 2013/009207 A1 А61Ь 9/22 / Н. Е. Курносов, Д. С. Иноземцев. - Заявл. 08.07.2011 ; Опубл. 17.01.13.
Курносов Николай Ефимович
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований,
Пензенский государственный университет E-mail: ttmo-pgu@mail.ru
Kurnosov Nicholai Efimovich doctor of technical sciences, professor, senior researcher of scientific research Institute of fundamental and applied research, Penza State University
Земцов Андрей Александрович инженер, кафедра транспортных машин, научный сотрудник Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований,
Пензенский государственный университет E-mail: ttmo-pgu@mail.ru
Рубцов Сергей Викторович
учебный мастер, кафедра транспортных машин, научный сотрудник Научно-исследовательского института фундаментальных и прикладных исследований,
Пензенский государственный университет E-mail: ttmo-pgu@mail.ru
Буданов Андрей Николаевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: ttmo-pgu@mail.ru
Zemtsov Andrei Alexandrovich
engineer,
sub-department of transport vehicles, scientific employee of scientific research Institute of fundamental and applied research, Penza State University
Rubtsov Sergey Viktorovich
educational master,
sub-department of transport vehicles,
scientific employee of scientific research
Institute of fundamental
and applied research,
Penza State University
Budanov Andrei Nikolaevich student,
Penza State University
УДК 617.089 Курносов, Н. Е.
Пути совершенствования аппаратов локального бесконтактного криовоз-действия на основе использования вихревых процессов / Н. Е. Курносов, А. А. Земцов, С. В. Рубцов, А. Н. Буданов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 1 (13). - С. 146-151.
