Другие предметы \ Криогенные технологии в медицине и биологии

Сравнительный анализ гипотермических и криотерапевтических процедур

Страницы работы

8 страниц (Word-файл)

Скачать файл

Содержание работы

Цель: сравнить физические процессы, чтобы установить физические причины преимуществ криотерапии.

Допущения, используемые при создании математической модели оболочки:

1) оболочка тела образована из трех плоскопараллельных слоев различных по физическим свойствам тканей;

2) жировой слой не имеет внутренних источников теплоты, но они есть в эпителии и мышцах (теплота метаболизма);

3) холодовые рецепторы распределены по поверхности тела равномерно на глубине до 17 мм;

4) распределение температур:

t_э=32°C=const по толщине

t_м=t_я=37°C=const по толщине.

Рис. 1. Тепловая схема объекта охлаждения.

Таблица 1

Теплофизические свойства покровных тканей человека

Орган или ткань	Плотность, кг/м³	Содержание воды, %	Теплоёмкость, Дж/кг·К	Теплопроводность, Вт/м·К	Тепловыделение, Вт/кг
Эпителий	1093	53,5 –72,5	3600	0,389	10,06
Мышцы	1041	68,5– 80,3	458	0,439	6,99
Жировая ткань	916	15 – 20	250	0,200	–

Таблица 2

Результаты численного эксперимента

Результаты	Теплоноситель
Результаты	Газ 140 К	Вода 273 К
Продолжительность охлаждения, с	161	201
Температура поверхности кожи, ^оС	-2,0	5,5
Температура на границе мышечного и жирового слоёв, ^оС	36	36
Эффективное время, мин	325	32
Максимальный тепловой поток, кВт	3,5	17,9
Общие теплопотери, кДж\м²	446	410
Общие потери теплоты от ядра, кДж\м²	10,2	12,5

Выводы:

1. Продолжительность (допустимая) гипотермического и криотерапевтического воздействия примерно равны, что связано с тепловой энергией оболочки.

2. Температура поверхности объекта при гипотермическом воздействии равна 5,5^оС, что значительно выше диапазона температур, в котором холодовые рецепторы стимулируют тревожный сигнал (< -2^оС).

3. Оба эксперимента прекращены по разным причинам. Криотерапевтическое воздействия – из-за достижения минимальной температуры на поверхности, а гипотермическое воздействие – из-за угрозы переохлаждения ядра.

4. Расчётная эффективность криотерапевтического воздействия (эффективное время) в 10 раз выше, чем у гипотермического воздействия, что говорит о качественном различии стимулирующего воздействия криогенного газа и холодной воды.

5. Гипотермическое воздействия обладает большим коэффициентом теплоотдачи, поэтому в начальный момент процедуры отвод теплоты с поверхности тела достигает 18 кВт. Из-за быстрого выравнивания температур тела и воды к концу сеанса отвод теплоты снижается до 1 кВт.

6. В криотерапевтической системе наблюдается больший отвод теплоты с единицы поверхности тела (446 кДж\м²), что достигается за счёт охлаждения эпителиального слоя до отрицательных температур.

7. Из-за введённых ограничений на изменение температуры ткани на границе мышечного и жирового слоя потери теплоты от ядра тела составляют приблизительно сороковую часть от общего количества отведённой теплоты (2,5%).

Вся отведённая теплота получается за счёт теплоаккумулирующих свойств оболочки тела. Система терморегуляции на ход процедуры практически не влияет.

При гипотермических процедурах существенную роль играет градиент температуры между поверхностью объекта и водой. На старте градиент составляет 32 К, к конце процедуры = 5 К. При естественной конвекции разность температур определяет значение коэффициент теплоотдачи. Т.о. расчётный тепловой поток при уменьшении градиента в 6 раз уменьшается в 18 раз и достигает минимальной величины порядка 1 кВт. Между водой и телом достигается условное тепловое равновесие, из-за чего практически прекращается падение градиента температур.

При криотерапии разность температур между поверхностью объекта и газа за время процедуры меняется незначительно. На старте 166 К, а на финише – 131 К. Из=за этого плотность теплового потока за время процедуры меняется незначительно, а зависимость t=f(t) почти линейна.

Значение гипотермического дискомфорта показывает, что при криотерапевтическом воздействии негативные ощущения у пациента при процедуре приблизительно в 2 раза слабее, чем при гипотермическом воздействии, а изменение чувства дискомфорта происходит более плавно.

В результате разного по интенсивности отвода теплоты с поверхности тела меняется распределение температур в оболочке объекта криотерапевтического воздействия. При криотерапии основная теплота отводится от эпителиального слоя (60%); температура изменения эпителия 34^оС.