Techniki niskotemperaturowe w medycynie

Transkrypt

1 Marta Kapuścińska Gdańsk, Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Sem. 01, studia II stopnia Techniki niskotemperaturowe w medycynie Temat: Termoelektryczne urządzenia chłodnicze zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański

2 Spis treści 1. Chłodzenie termoelektryczne 2. Krioekstraktor termoelektryczny 3. Urządzenia do zamrażania tkanek 4. Urządzenie Kryotur 5. Termoelektryczny hełm chłodzący 6. System OCCS selektywnego chłodzenia mózgu dziecka 7. Przenośny termostat 8. Chłodziarki stacjonarne 9. Osmometr 10. Bibliografia

3 1. Chłodzenie termoelektryczne Termoelektryczność znana także pod pojęciem efektu Peltiera, działa w ten sposób, że dzięki prądowi elektrycznemu wytwarza się różnica temperatur i odwołuje się do doświadczeń Jean Peltiera z XIX wieku. Zjawisko to dokładnie polega na tym, że przy przepływie prądu stałego przez termoelement, na spoinach termoelementu wydziela się lub zostaje pochłonięta pewna ilość ciepła. Gdy użyjemy kilka materiałów o różnej przewodności elektronowej i dziurowej (typu p oraz typu n )na jednej spoinie następuje obniżenie temperatury, a podwyższenie na drugiej. W obecnie budowanych urządzeniach różnica temperatur stron ciepłej i zimnej dochodzi do 80 C. Jeśli kierunek przepływu ulegnie zmianie to zjawisko się odwróci. Ogniwo Peltiera, ze względu na łatwą produkcję oraz trwałość znajduje szerokie zastosowanie jako pompa cieplna. Zalety modułów Peltiera: - zwarta i prosta konstrukcja - małe rozmiary - trwałość parametrów - nieskomplikowana produkcja - brak części ruchomych Zalety przysłużyły się do zastosowania ich w: - chłodzeniu czujników podczerwieni, laserów półprzewodnikowych - chłodzeniu elementów elektronicznych - przenośnych chłodziarkach - urządzeniach laboratoryjnych Rys 1. Schemat działania ogniwa. 3

4 2. Krioekstraktor termoelektryczny Jednym z podstawowych narzędzi kriochirurgicznych służących do zamrażania i usuwania tkanek organizmu jest krioekstraktor. Poniżej umieszczono schemat krioekstraktora termoelektrycznego, używanego do usuwania zmętniałych fragmentów soczewki oka (np. podczas zaćmy). Zasada działania krioekstraktora: końcówka (1) przymarza do soczewki dzięki chłodzeniu termoelementem (3). Po czasie kilku minut, końcówka w trybie roboczym osiąga temperaturę od -25 do -30 C. Wykorzystując duże natężenie prądu zasilającego uzyskać można wysoką wydajność spowodowane jest to dużymi zyskami ciepła oraz ograniczonymi rozmiarami końcówki. Odmrażanie końcówki zachodzi poprzez zmianę kierunku przepływu prądu lub na skutek działania krótkotrwałego przepływu prądu zmiennego przez termoelement. Dane : Natęzenie prądu zasilającego 10 A Napięcie 1,7 V Rys 2. Krioekstraktor 4

5 3. Urządzenia do zamrażania tkanek Urządzenia te służą do miejscowego zamrożenia żywej tkanki w temperaturze do ok.-20 C. Zamrożenie następuje przez kontakt tkanki z chłodzoną końcówką roboczą. Natężenie prądu zasilającego w takim mechanizmie wynosi 1,5 A, przy napięciu 230 V. Aparaturą taką można usuwać także chorą tkankę i tu czynnikiem roboczym głównie jest ciekły azot o temperaturze -196 C. Poprzez działanie na tkankę niską temperaturą uzyskuje się: Zahamowanie procesu zapalnego, Spadek napięcia mięśniowego, Poprawę czynności chorych stawów, Poprawę drenażu krwionośnego i limfatycznego. Zalety urządzeń: Uniwersalne - możliwość stosowania krioaplikatorów o dowolnych kształtach we wszystkich specjalnościach chirurgicznych, Efektywne - pełne zniszczenie zadanej objętości tkanki, Ekonomiczne - niski koszt urządzenia, bardzo niski koszt eksploatacji. Zalety kriochirurgii: Kriochirurgia umożliwia pełne zniszczenie uprzednio wyznaczonej objętości tkanki. Oddziaływanie kriochirurgiczne w większości przypadków jest bezbolesne i nie wymaga wstępnego znieczulenia. Ognisko martwicy powstałej po zamrażaniu wywołuje minimalną reakcję wokółogniskową. Zamrażanie "blokuje" drobne naczyne siia tętnicze i żylne, co umożliwia przeprowadzenie zabiegu praktycznie bez krwawień. Ogniska kriodestrukcji szybko się goją, osiągany jest dobry efekt kosmetyczny. Możliwe jest zamrażanie wznów po radioterapii, chirurgii i krioterapii. Ze względu na mało obciążający charakter zabiegu, większość przypadków może być wykonana ambulatoryjnie, co jest nie bez znaczenia dla osób starszych. Rys 3. Urządzenie do zamrażania tkanek Kriopol K-11. 5

6 4. Urządzenie Kryotur Kryotur 600 jako aparat stołowy zasilany sieciowo działa w ten sposób, że zimno jest wytwarzane przy pomocy elementów Peltiera i doprowadzane do pacjenta przez wymienne aplikatory. Indywidualnie wedle potrzeb można ustawiać za pomocą przycisków: tryb pracy, temperaturę terapii, czas terapii, cykle, co jest pokazywane na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu. Takiego typu nowoczesne urządzenia mają zastosowanie zarówno w miejscowej, kontaktowej kriostymulacji, jak i w kriochirurgii. Kryotur 600 ma w wyposażeniu podstawowym dwa rodzaje aplikatorów. Stosując aplikator plastyczny w formie mankietu o nerkowatym kształcie możemy uzyskać temperaturę chłodzenia do +12 C. Natomiast aplikator twardy w kształcie walcowatej głowicy z nasadką mrożącą uzyskuje temperaturę do -10 C. Zalety: Głębokie chłodzenie tkanek, Łatwość obsługi, Tania eksploatacja, Urządzenie posiada niewielkie gabaryty i mała wagę, Nie występuje szok termiczny, Urządzenie nie wymaga oddzielnego pomieszczenia z przystosowaną specjalnie wentylacją, Tania eksploatacja (wykorzystanie elementów Peltiera, gdzie chłodziwem jest roztwór wodny Aqua Conservata pracujący w obwodzie zamkniętym). Dodatkowo posiada możliwość pracy w trzech trybach: praca ciągła urządzenie utrzymuje stałą temperaturę chłodzenia w określonym przez obsługę czasie, praca przerywana określona temperatura i czas chłodzenia oraz określona temperatura i czas przerw, praca naprzemienna określona temperatura i czas chłodzenia i powrotu do temperatury wyjściowej. Rys 4. Kryotur 600 6

7 Najczęstsze wskazania do stosowania kriostymulacji miejscowej: 1.Choroby narządu ruchu: Stłuczenia, krwiaki i urazy tkanek miękkich, Obrzęki po złamaniach i zwichnięciach (okres wczesny), Ostre zapalenie ścięgien, torebek stawowych i mięśni, Przykurcze stawowe pourazowe, Stany po amputacji urazowej kończyn. 2. Choroby reumatyczne: Ostry okres reumatoidalnego zapalenia stawów, Ostre stany bólowe w chorobie zwyrodnieniowej stawów. 3.Choroby układu nerwowego: Bóle głowy pochodzenia naczyniowego, Ostry okres zapalenia splotów i nerwów obwodowych, Ostry zespół rwy kulszowej. 5. Termoelektryczny hełm chłodzący Jest to urządzenie, które wykorzystanie swoje znajduje w obniżeniu temperatury tkanki mózgowej i zahamowania jej obumierania, na skutek niedotlenienia wywołanego ciężkimi urazami głowy. Hełm posiada elastyczną membranę ściśle przylegającą do głowy chorego. Przestrzeń zawartą między membraną i skórą głowy chłodzą moduły Peltiera. Temperatura tego urządzenia może być regulowana w zakresie od 20 C do + 50 C. Ogólnie rzecz biorąc przypomina kask motocyklowy, którego wewnętrzna część wyścielona jest 120 sztukami sztukami jednakowych pod względem termicznym i elektrycznym termoelementów pobierających prąd o napięciu 0,1 V. Odbiór ciepła ze stron gorących zapewniony jest przez wodę przepompowywaną przez kanały umieszczone wewnątrz. Ogrzana w kanałach woda pompowana jest do urządzenia chłodzącego, następnie powtórnie zużywana jest do odbioru ciepła po stronie gorącej. Sterowanie temperaturą urządzenia może odbywać się w zakresie od -5 C do +46 C z dokładnością do 0,5 C poprzez 8 bitowy mikrokontroler PIC. Jednostka zasilająca termoelektrycznego hełmu dostarcza prąd stały o napięciu 12V i natężeniu 40 A potrzebnego do zapewnienia prawidłowego działania wszystkich termoelementów. 7

8 Rys 5. Hełm chłodzący termoelektrycznie 6. System OCCS selektywnego chlodzenia mozgu noworodka Zjawisko niedotlenienia okołoporodowego zamartwicy, które związane jest np. z zaburzeniami wymiany gazowej pomiędzy matką, a dzieckiem; wadą wrodzoną, nieprawidłowym ułożeniem płodu, czy zaburzeniami adaptacyjnymi noworodka zwykle dotyka płód w trakcie ciąży, porodu, lub już po nim. Zapoczątkowana zostaje wówczas kaskada ekscytotoksyczna, która prowadzi do śmierci komórek nerwowych. Leczenie w takim przypadku może być dwojakie. Pierwszą metoda jest selektywna, wybiórczo jest chłodzony mózg, druga- wprowadza dziecko w hipotermie ogólną, czyli całe ciało doprowadzane jest do danego zakresu temperatur rdzenia. System OCCS jest systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka dopuszczonym do stosowania na oddziałach intensywnej opieki na terenie USA. System opatentowany został 6 grudnia 2001 roku w Stanach Zjednoczonych Ameryki (US Patent nr ). Jednym z systemów chłodzenia mózgu przy niedotlenieniu okołoporodowym jest system Olympic Cool Cap. Złożony jest z 3 głównych elementów: warstwa chłodząca kanał o półokrągłym przekroju, którego przebieg i system zapięć, zakładek zaprojektowano tak, aby zapewnić jak najlepsze przyleganie płaskiej części chłodzącej do głowy noworodka. Zaprojektowane specjalne ułożenie wlotu i wylotu uniemożliwia zagięcie rurek dolotowych i wylotowych przez ułożone na nich dziecko, jak również zapewnia komfort pacjentowi. Chłodzenie nie obejmuje czoła, gdyż nagłe oziębienie twarzy z czołem włącznie może doprowadzić do zaburzeń rytmu serca, czy oddechu. 8

9 Warstwa ta zrobiona została z poliuretanu. Tworzywo to nie szkodzi i można go stosować przy bezpośrednim kontakcie ze skórą.( 2a ); część utrzymująca odbieranie i odprowadzanie wilgoci, ochrona uszu i czoła dziecka przed zbytnim przechłodzeniem(2b ); czapka izolacyjna izolacja warstwy chłodzącej od otoczenia, która wykonana jest z wełny poliestrowej pokrytej na zewnętrznej powierzchni warstwą metalu odbijającego promieniowanie podczerwone (2c ). Chłodzenie zapewnione jest dzięki dwóm ogniwom Peltiera, które są zamocowane do aluminiowego wymiennika ciepła, przez który to przepływa chłodzona woda. System Olympic Cool Cap zapewnia uzyskanie temperatur z zakresu hipotermii umiarkowanej w istocie szarej mózgu dziecka. Chłodzenie mózgu tą metodą odbywa się za pomocą czapki chłodzącej, w której przepływa płyn chłodzący - sterylna woda o temperaturze ok. 10 C. Urządzenie przystpspwane jest do użycia z konwencjonalnym promiennikiem podczerwieni służącym do ogrzewania noworodków. Rys 6. System OCCS. 9

10 Rys 7. Chłodząca czapka systemu OCCS. 7. Przenośny termostat W czasach bardzo rozwiniętej transplantologii pojawiła się potrzeba przewozu narządów, tkanek i komórek ludzkich oraz specjalistycznych leków. W tym celu stosuje się pojemniki termoelektryczne, które utrzymują temperaturę w zakresie 0-4 C w przypadku narządów i 2-8 C w przypadku leków. Obecnie na rynku jest duży wybór chłodziarek przenośnych. Zazwyczaj różnią się one od siebie pojemnością przegród oraz zakresem utrzymywanych temperatur. Rys 8. Chłodziarka przenośna Waeco TropiCool. 10

11 8. Chłodziarki stacjonarne Zjawisko termoelektryczności wykorzystuje się też do chłodzenia. Lodówki takie muszą znajdować się w dziale farmacji szpitalnej, gdzie zamawia się towar i przechowuje się leki w odpowiedniej temperaturze, tj. od +2 do +8 C. Również na terenie bloku operacyjnego tego typu wyposażenie musi się znajdować, na oddziale zabiegowym oraz w przychodniach. Chłodziarki stacjonarne są również stosowane w technice laboratoryjnej. Wyróżniamy chłodziarki: pionowe tzw. szafowe oraz poziome tzw. skrzyniowe. Izolację zapewnia pianka poliuretanowa, a wewnątrz wyposażone są w stelaże do przechowywania pudełek na probówki. Do dodatkowego wyposażenia należą: system zasilania awaryjnego, alarmowy system powiadamiania telefonicznego, system kontroli dostępu za pomocą kart magnetycznych, system rejestracji zdarzeń. Rys 9. Zamrażarka niskotemperaturowa -85 C seria UPUL. 11

12 9. Osmometr Osmometr - przyrząd do badania osmolarności biologicznych roztworów. Oznaczenie odbywa się poprzez pomiar temperatury zamarzania badanej próbki. Sterowany jest za pomocą mikroprocesorów i wysoce stabilnych podzespołów elektronicznych. Urządzenie to odznacza się duża niezawodnością. Do tego jest prosty w obsłudze. Zasada działania: porcję płynu (0,3 2g) umieszcza się za pomocą pipety w probówce następnie zanurza się w wannie z cieczą (90% wodny roztwór glikolu etylenowego). Wannę schładza się dzięki dwustopniowemu kaskadowemu urządzeniu chłodniczemu, zawierającym 160 termoelementów. Zainicjowana zostaje krystalizacja przy ściśle określonej temperaturze przechłodzenia. Efektem tego zjawiska jest wydzielanie się ciepła krystalizacji, gdzie temperatura mieszaniny lodu i cieczy wzrasta do wartości maksymalnej zależnej od osmolarności próbki. Za pomocą termistora mierzone jest ta wartość maksymalna. Zastosowania osmometru w medycynie: Diagnostyka chorób nerek, Badanie jakości roztworów dializujących oraz płynów stosowanych pooperacyjnie, Leczenie zatruć, Leczenie cukrzycy, Monitorowanie pacjentów przy dializach i zabiegach chirurgicznych nerek, Pooperacyjne, w terapii insulinowej, W kardiochirurgii, W schorzeniach metabolicznych. Rys 10. Osmometr 800CLG. 12

13 Bibliografia 1. = le&id=18&itemid=22 5. Kusza.K.: Hipotermia i jej wpływ na ośrodkowy układ nerwowy po niedotlenieniu "Materiały edukacyjne dla zdających Państwowy Egzamin Specjalizacyjny z Anestecjologii i Intenywnej Terapii", Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej Terapii C.M. UMK Bydgoszcz Toruń. 6. Pathak.K, Yu.N, Shoffstall.A, Zheng.L.: Modeling Heat-Transfer of the Olympic Cool-Cap System Student Papers, Bee Sikiera D., Termoelektryczne urządzenia chłodnicze zastosowanie w medycynie i technikach laboratoryjnych, Gdańsk, United States Patent nr : Device for cooling infant's brain. Data patentu Zmuda E:. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu noworodka dla jego utrzymania w warunkach umiarkowanej hipotermii. 13