Термоэлектрические охлаждающие устройства для локального теплового воздействия в медицине

В последние годы наблюдается устойчивая тенденция расширения круга задач, в которых находит применение термоэлектрическое охлаждение, что обусловлено возросшим во всем мире спросом на компактные, бесшумные и надежные устройства охлаждения. Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А. Ф. Иоффе и его сотрудников, открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических холодильников (ТЭХ) в различных областях техники. В результате этих работ были синтезированы новые полупроводниковые сплавы, которые позволили применить эффект Пельтье на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов с характеристиками, не уступающими другим способам охлаждения [106,107]. Перспективы развития и внедрения термоэлектрических преобразователей тепла и генераторов электрической энергии определяются целым рядом преимуществ, особенно эксплуатационных, которыми они обладают по сравнению с существующими аналогами. Это возможность получения искусственного холода на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агентасочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода и теплапростота реализациикомпактностьвзаимозаменяемостьвысокая надежностьэкологическая безопасность [71].

Повышение энергетических показателей ТЭХ связано также с поиском новых материалов, обладающих высокой термоэлектрической эффективностью, и исследованием методов их получения. Однако наличие качественных материалов является только необходимым, но недостаточным условием для создания термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и термоэлектрических охладителей (ТЭО) с высокими энергетическими показателями [223]. На эффективность данных устройств существенное влияние оказывают не только параметры полупроводникового вещества, но и особенности их конструктивного исполнения, тепловые схемы термоэлектрических преобразователей, режимы их работы, условия теплообмена и т. д.

Повышенный интерес к термоэлектрическим преобразователям связан прежде всего с экологическими ограничениями на использование хлор-фторсодержаших рабочих тел в парокомпрессионных холодильных машинах. Кроме того, появились обнадеживающие результаты исследований, направленных на повышение эффективности термоэлектрического вещества. Так, в исследованиях сверхрешеток с квантовыми ямами (QWSL-структур) удалось добиться значительного увеличения термоэлектрической добротности по сравнению с исходными материалами.

Термоэлектричество, все активнее начинает использоваться в самых разных сферах: железнодорожный транспорт, автомобильная промышленность, авиационная и космическая техника, промышленная электроника и энергетика, коммутационное и компьютерное оборудование, бытовая техника [54, 72, 86, 113, 117, 195, 196]. За последние годы проведен достаточно большой объем теоретических и экспериментальных исследований ТЭХ, результаты которых подтверждают возможность широкого применения термоэлектрических систем (ТЭС). Однако, несмотря на значительный прогресс в области термоэлектрической техники, на сегодняшний день не решен вопрос о создании ТЭХ для физиотерапии, позволяющих с максимальной эффективностью использовать все преимущества как «холодового», так и теплового воздействий для лечения человека.

Анализ возможных систем охлаждения для воздействия на биологический объект показал, что реализация сочетания режимов охлаждения и нагрева путем использования других холодильников возможна только при наличии дополнительных устройств нагрева.

В связи с этим ТЭХ становятся вне конкуренции по сравнению с другими способами охлаждения, так как предполагают организацию режима реверса. Именно поэтому в диссертационной работе в качестве холодильника для воздействия на биологический объект был выбран ТЭХ, с помощью которого путем простого переключения направления тока возможен переход с режима охлаждения в режим нагрева и наоборот.

В условиях современности, когда реальностью нашей жизни является возрастающее количество больных, необходимость воздействовать на организм человека средствами, обеспечивающими эффективность лечения, становится наиболее актуальной задачей. Сегодня все большее распространение для лечебно-профилактических целей приобретают немедикаментозные методы, среди которых ведущее место занимают естественные физические факторы, которые обладают адаптогенным, успокаивающим, болеутоляющим, противовоспалительным и антиспазмическим действием, способствуют повышению естественного и специфического иммунитета, образованию в организме биологически активных веществ. [81, 98, 199,200, 202].

Локальное тепловое воздействие — один из наиболее широко применяемых и эффективных методов медицинской реабилитации при экстремальных состояниях. Среди огромного арсенала физических факторов, используемых в медицинской практике, важную роль занимают факторы теплового воздействия [138, 173]. Средства теплолечения, как активное восстановительное лечение, применяются в период реконвалесценции для стимуляции жизнедеятельности организма, при развитии осложнений (например, длительном болевом синдроме), травматических поражениях опорно-двигательного аппарата, в период заживления ран, при состояниях переохлаждения, при воздействии на биологически активные точки и т. п. Причем воздействие различными температурными раздражителями необходимо повторять таким образом, чтобы каждое последующее воздействие оказало влияние на организм тогда, когда еще не исчезло последействие предшествовавшего.

Механизм термотерапии достаточно сложен и складывается из местных и общих реакций. Очаговые реакции проявляются в улучшении кровои лимфообращения и нервнотрофических процессов, что обуславливает противовоспалительный, обезболивающий и рассасывающий эффект. В свою очередь, общие реакции связаны с рефлекторно-гуморальными влияниями на нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную и другие системы организма, которые бы обеспечивали бы его саморегуляцию. Следует отметить, что оптимальная реакция возникает только в тех случаях, когда нет чрезмерной тепловой нагрузки на организм, и изменения на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях не перекрываются последствиями процесса нагрева биологических тканей. Холод и тепло, прежде всего, действуют на кожу, играющую важную роль в жизнедеятельности организма и теснейшим образом связанную с центральной нервной системой. Вместе с тем, раздражая периферические рецепторы, тепло и холод влияют на весь организм. Действие их реализуется через кровь, которая нагревается (охлаждается) и обогащается различными биологически активными веществами, а, разносясь по организму, влияет на различные органы и ткани.

Таким образом, использование физиотерапевтических факторов для воздействия на отдельные органы человеческого организма на сегодняшний день актуально, что приводит к необходимости разработки ТЭХ для реализации новых методик лечения путем холодового и теплового воздействий.

Существующие в настоящее время методы и средства для проведения физиотерапевтических процедур с использованием контрастного и теплового воздействия (контрастные ванны, парафинои озокеритолечение, водяные и электрические грелки, компрессы, нагретый песок и др.) [74,86,95], а также различные устройства, работа которых основана на использовании твердых и жидких хладоагентов не всегда обеспечивают требуемые медицинскими показаниями температурный режим и частоту переключения режимов воздействия, и отличаются большой инерционностью, большими геометрическими размерами и низкой точностью дозирования холодового и теплового воздействий.

Решение задачи обеспечения сочетания режимов холодового и теплового воздействий при различной длительности импульсов, а также контроль их температурных уровней, возможен только путем использования ТЭХ. Оптимальным режимом переключения холодового и теплового воздействий, определенных биологическим объектом, является 3−5 минут при холодовом воздействии и 2−3 минуты — при тепловом воздействии. За один цикл охлаждения ТЭХ переходит от принудительного режима в режим максимальной энергетической эффективности и далее в режим максимальной холодопроизводительности. При таких кратковременных циклах работы ТЭХ изменяются их характеристики, в частности, холодильный коэффициент, максимальная холодопроизводительность, что требует проведения специальных исследований. Так как эффект холодового воздействия на биологический объект усиливается при одновременном совмещении механического массажа рефлексогенных зон организма, в работе учитывалось использование слоя гранулята между термоэлектрической батареей (ТЭБ) и объектом воздействия.

В связи с этим диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих в ТЭХ при различных режимах их работы, и их применению в медицинской практике.

Целью диссертационной работы является исследование процессов, протекающих в ТЭХ и их оптимизация в соответствии с определяемыми объектом воздействия режимами работы, разработка и создание на основе ТЭХ новых устройств для комплексного холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма при проведении физиотерапевтических процедур, обеспечивающих точность дозировки температурных уровней и высокую надежность, а также проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТЭХ, работающих в этих режимах, которые требуют соответствующих математических моделей, и методик расчета.

Для достижения этой цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов холодового и теплового ^ воздействий на отдельные органы человеческого организма и определить рациональные режимы работы ТЭХ в медицине для различных условий эксплуатации.

2. Разработать комплексную математическую модель ТЭХ, удовлетворяющую техническим требованиям, предъявляемым объектом воздействия.

3. Разработать новые конструктивные варианты ТЭХ для холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма на основе проведенных исследований.

4. Провести комплекс экспериментальных исследований ТЭХ с целью подтверждения полученных теоретических данных.

5. Практическая реализация результатов работы.

Для решения поставленных задач был проведен литературный и патентный обзор по известным методам и устройствам температурного воздействия, а также рассмотрены вопросы использования термоэлектрических явлений в медицинской практике. На основе проведенного анализа возможного I холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма и рассмотрения режимов работы ТЭХ, сочетающих в себе и тепловое воздействие, соответствующие определенному типу лечебных процедур, разработаны математические модели ТЭХ в различных режимах: стационарном и нестационарном. В данных моделях при решении уравнения Фурье использовался метод преобразования Лапласа.

Результаты теоретических исследований подтверждены серией ^ экспериментов, проведенных для ТЭХ на специально созданном стенде и разработанным методикам проведения испытаний.

Проведенные исследования позволяют правильно оценить возможности ТЭХ для холодового и теплового воздействий на конечности человека, провести обоснованный их выбор для различных условий эксплуатации и Ф сравнительный анализ с другими способами охлаждения.

В диссертационной работе защищаются следующие положения, представляющие научную новизну:

1) Метод локального теплового воздействия на основе ТЭХ для проведения физиотерапевтических процедур, позволяющий обеспечить контрастное холодовое и тепловое воздействия с высокой точностью регулировки с требуемой объектом воздействия частотой переключения режимов и с высокой точностью регулировки их температурных уровней, совмещающий в себе эффект механического массажа.

2) Математические модели для исследования различных режимов работ ТЭХ с * учетом параметров объекта воздействия, учитывающие тепловую нагрузку через теплофизические параметры стопы и тепловое сопротивление через «неплотность» контакта объекта и средства воздействия.

3) ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на отдельные органы человеческого организма, имеющие возможность работы в различных частотах переключения режимов работы, обеспечивая возможность умеренно низких и умеренно высоких температур. ц Полученные в работе методики температурных воздействий на органы человека могут быть использованы в различных областях медицины, в частности в физиотерапии и рефлексотерапии, при лечении и профилактике многих заболеваний. t.

4.5. ВЫВОДЫ.

В результате проведенных опытно-конструкторских работ были сделаны следующие выводы:

— разработанные конструктивные варианты ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека отличаются друг от друга методикой воздействия на различные органы человеческого организма;

— преимущество ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека с эластичной емкостью состоит в одновременном воздействии и на верхнюю поверхность стопы. В конструктивном исполнении дополнительная ТЭБ прилегает через тонкостенную эластичную емкость к верхней поверхности стопы человека посредством стойки, состоящей из секций, соединенных между собой шарнирами;

— ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на стопу человека с рельефной поверхностью выгодно отличается от предыдущих устройств возможностью температурного и механического массажа, что позволяет с наибольшей эффективностью воздействовать на рефлексогенные зоны стопы человека;

— преимущество ТЭХ для локального холодового и теплового воздействий на биологические ткани человеческого организма состоит в том, что возможность перехода с режима охлаждения в режим нагрева в широком интервале температур обеспечивает применение его в различных областях медицины для локальной гипотермии при воспалительных заболеваниях с целью воздействия на очаг патологии.

— ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека обеспечивает точность поддержания заданной температуры воздействия ±1° С в широком диапазоне (+10°С — +45°С), обладая при этом хорошими массогабаритными показателями и высокой простотой обслуживания;

— разработанные методики и рекомендации по использованию ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека внедрены в медицинскую практику и нашли практическое применение в ряде медицинских учреждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы было разработано ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека, позволяющее проводить адаптивную регулировку физических параметров воздействия в соответствии с состоянием биологического объекта и обеспечивающее точность и надежность регулировки.

Разработанные теоретические основы расчета ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека отличаются учетом «неплотности» контакта объекта и средства воздействия. Для исследования различных режимов работ ТЭХ на основе анализа различных тепловых схем, соответствующих определенному типу лечебных процедур, разработаны математические модели в стационарном и нестационарном режимах.

Доказана адекватность разработанных математических моделей путем проведения комплекса экспериментальных исследований, в результате которых расхождение полученных теоретических и экспериментальных данных не превысило допустимых значений.

Кроме этого нами были разработаны несколько различных вариантов ТЭХ для температурного воздействия на стопу человека, каждый из которых обладает своими преимуществами и дополняет другой.

Так, ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека с эластичной емкостью позволяет одновременно воздействовать и на нижнюю, и на верхнюю поверхность стопы.

Для осуществления температурного массажа разработана конструкция устройства, позволяющая сочетать механическое воздействие на рефлексогенные зоны ноги человека. Отличительной конструктивной особенностью здесь является наличие рельефной поверхности.

Немаловажную роль играет и холодовое воздействие на биологические ткани человека, что привело к разработке ТЭХ, которое можно использовать при воспалительных заболеваниях с целью воздействия на очаг патологии.

Кроме того, разработан ТЭХ для локального контрастного температурного.

156 воздействия, обеспечивающий «шахматное» распределение температуры на поверхности воздействия.

Разработаны медико-технические требования к ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека, позволившие произвести техническое воплощение его рабочего варианта. Также получены Патенты РФ на полупроводниковые термоэлектрические устройства для температурного воздействия на стопу человека [46].

Проведена клиническая апробация ТЭХ для локального температурного воздействия на стопу человека в условиях лечебно-диагностического центра «Гиппократ», Муниципальной поликлиники № 4 (г. Махачкала), а также санаторно-курортного учреждения «Энергетик» (г. Каспийск), которая показала их эффективность при решении задач точной регулировки температуры и комбинированного контрастного воздействия для повышения эффективности лечебных мероприятий.

Совокупность результатов проведенных исследований позволяет использовать их в качестве научной основы в дальнейшем при разработке и создании новых ТЭХ для медицины.