Informacja o pracy dyplomowej 1. Nazwisko i imię: Elżbieta Żmuda adres mailowy: elzbieta.zmuda@gmail.com. 2. Kierunek studiów: Mechanika i Budowa Maszyn 3. Rodzaj studiów: inżynierskie 4. Specjalność: Systemy, Maszyny i Urządzenia Energetyczne 5. Katedra dyplomująca: Katedra Techniki Cieplnej 6. Promotor pracy: dr inż. Zenon Bonca 7. Recenzent pracy: dr hab. Inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG 8. Termin obrony: 19.02.2009 r. 9. Ocena pracy dyplomowej: celująca 10. Temat pracy dyplomowej: Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu noworodka dla jego utrzymania w warunkach tzw. umiarkowanej hipotermii Źródło: http://gfx.adzooks.co.uk/upl/7/3178b9d644b00c60997b37fbad60438d.jpg
Spis treści Wstęp... 12 1. Problem asfiksji okołoporodowej (niedotlenienia okołoporodowego), jako istotnej przyczyny zachorowalności i umieralności okołoporodowej noworodków... 13 1.1. Układ nerwowy człowieka... 13 1.1.1. Mikroskopowa budowa układu nerwowego człowieka... 13 1.1.2. Budowa makroskopowa mózg... 16 1.2. Niedotlenienie okołoporodowe: czym jest, jak do niego dochodzi, najczęstsze jego przyczyny... 19 1.3. Wpływ niedotlenienia okołoporodowego na uszkodzenie centralnego układu nerwowego u noworodka... 21 1.3.1. Mechanizmy adaptacyjne zdrowego noworodka... 21 1.3.2. Niedotlenieniowo niedokrwienne uszkodzenie centralnego układu nerwowego... 22 1.4. Sposoby określania stanu płodu przed i w trakcie porodu, oraz noworodka po porodzie wraz z monitorowaniem zmian poniedotlenieniowych w mózgu dziecka... 23 1.4.1. Sposoby oceny stanu płodu przed i w trakcie porodu... 23 1.4.2. Sposoby oceny stanu noworodka po porodzie, markery niedotlenienia oraz badania umożliwiające ocenę uszkodzenia centralnego układu nerwowego w wyniku niedotlenienia okołoporodowego... 24 1.5. Podsumowanie i wnioski... 25 2. Metody ograniczające rozmiar uszkodzenia ischemicznego u noworodka... 26 2.1. Czynniki warunkujące homeostazę wewnątrzczaszkową i wynikające z tego działania neuroprotekcyjne... 26 2.1.1. Podstawowe pojęcia, wprowadzenie... 26 2.1.2. Homeostaza jonowa i neuroprzekaźnikowa... 26 2.1.3. Homeostaza związana z krążeniem krwi i przepływem mózgowym... 28 2.2. Niedotlenienie okołoporodowe: zaburzenia homeostazy, działania neuroprotekcyjne... 31 2.3. Farmakologiczne metody neuroprotekcji... 35 2.4. Podsumowanie i wnioski... 37 3. Neuroprotekcyjne oddziaływanie hipotermii umiarkowanej... 37 3.1. Hipotermia... 37 3.2. Neuroprotekcyjne właściwości hipotermii... 38 3.3. Hipotermia u noworodka... 40 3.4. Podsumowanie i wnioski... 40 4. Przegląd wraz z oceną techniczną dostępnych na rynku rozwiązań systemów chłodzenia mózgu... 41 4.1. Wprowadzenie... 41 4.2. Olympic Cool Cap System... 42 4.2.1. Budowa czapki chłodzącej... 42 4.2.2. Jednostka chłodząca, jednostka sterująca i czujniki temperatury... 44 4.2.3. Podsumowanie... 45 4.3. Aparat do konwekcyjnego selektywnego chłodzenia mózgu... 46 4.3.1. Jednostka chłodząca systemu konwekcyjnego... 46 4.3.2. Chłodzący kaptur systemu konwekcyjnego... 46 4.3.3. Jednostka sterująca systemu konwekcyjnego... 47 4.3.4. Podsumowanie... 47 4.4. Termoelektryczny system chłodzenia mózgu... 47 4.4.1. Jednostka zasilająca... 48 4.4.2. Hełm chłodzący... 48
4.4.3. Jednostka sterująca systemu termoelektrycznego... 49 4.4.4. Podsumowanie... 49 4.5. Podsumowanie i wnioski... 50 5. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia mózgu wraz z założeniami technicznymi... 50 5.1. Wprowadzenie... 50 5.2. Założenia techniczne... 51 5.3. Propozycje rozwiązań projektowych... 52 5.3.1. Termoelektryczny bezpośredni system selektywnego chłodzenia mózgu... 52 5.3.2. Termoelektryczny system pośredni z wodą jako płynem chłodzącym... 53 5.3.3. Podsumowanie i wnioski... 55 5.4. Wybór optymalnego rozwiązania projekt koncepcyjny systemu chłodzenia... 55 5.4.1. Porównanie systemów termoelektrycznych... 55 5.4.2. Hybrydowy układ selektywnego chłodzenia mózgu... 56 5.5. Podsumowanie i wnioski... 58 6. Ocena gęstości strumienia ciepła i jego rozkład w górnej części głowy noworodka... 58 6.1. Wprowadzenie... 58 6.2. Ocena gęstości strumienia ciepła... 59 6.2.1. Biologiczne równanie przepływu ciepła zaproponowane przez... 59 6.3. Gęstość strumienia ciepła wytwarzana w określonych warunkach przez tkanki... 60 6.3.1. Gęstość strumienia ciepła odprowadzanego, lub dostarczanego przez krew... 61 6.3.2. Strumień ciepła dostarczany przez metabolizm... 62 6.3.3. Całkowity strumień ciepła wydzielanego przez głowę... 62 6.3.4. Całkowity maksymalny strumień ciepła wydzielanego przez głowę... 63 6.4. Strumień ciepła przejęty przez urządzenie... 63 6.5. Podsumowanie wyników obliczeń... 65 6.6. Rozkład strumienia ciepła w górnej części głowy noworodka... 65 6.7. Podsumowanie i wnioski... 66 7. Obliczenia cieplne wraz z doborem elementów systemu chłodzenia oraz kompletacja elementów wykonawczych i regulacyjno zabezpieczających... 67 7.1. Koncepcja projektowa... 67 7.2. Poduszka wodna... 67 7.2.1. Obliczenia... 69 7.3. Warstwa termomodułów... 84 7.3.1. Obliczenia... 84 7.4. Płaszcz wodny odbierający ciepło strony gorącej termomodułów wraz z chłodnicą... 89 7.4.1. Obliczenia... 90 7.5. Kompletacja elementów wykonawczych i regulacyjno zabezpieczających systemu... 100 7.6. Podsumowanie... 103 8. Ocena techniczno - ekonomiczna zaproponowanego rozwiązania w porównaniu z dostępnymi na rynku systemami... 104 Podsumowanie:... 106 Literatura... 107 Załączniki... 111
Wstęp Niniejsza praca dyplomowa jest opracowaniem dotykającym bezpośrednio dwóch dziedzin naukowych, medycyny i budowy maszyn. jej celem jest stworzenie projektu koncepcyjnego urządzenia chłodniczego wraz z systemem regulacyjno zabezpieczającym przeznaczonego do stosowania w terapii niedotlenionego noworodka. Hipotermia znana była jako czynnik neuroprotekcyjny już w czasach historycznych, natomiast ostatnie dwadzieścia lat przyniosło efekty w postaci prac nad metodami i urządzeniami służącymi do selektywnego chłodzenia mózgu. Mózg ludzki, jest delikatnym organem odpowiedzialnym za wszystko, co odróżnia nas spośród zwierząt, dlatego tak ważne jest zadbanie o to, aby już w momencie przyjścia na świat dziecko miało zapewnioną w razie konieczności możliwość minimalizacji uszkodzeń neurologicznych spowodowanych niedotlenieniem okołoporodowym. Narodziny dziecka, to cudowna chwila, która w niektórych przypadkach przeradza się w koszmar pociągający za sobą miesiące rehabilitacji niemowlęcia w celu przywrócenia sprawności jego układu nerwowego. Zaprojektowany system jest pierwotną koncepcją urządzenia medycznego, które w wielu przypadkach potrafi złagodzić następstwa urazu centralnego układu nerwowego zapoczątkowanego przez niedotlenienie okołoporodowe. W dzisiejszych czasach umiemy zapobiegać niedotlenieniu okołoporodowemu poprzez stosowanie odpowiednich praktyk położniczych, monitorowanie różnymi metodami stanu dziecka podczas porodu oraz w ekstremalnych przypadkach rozwiązywanie ciąży metodą cesarskiego cięcia. Jednak zdarzają się sytuacje nieprzewidywalne, powodujące, że na świat przychodzi człowiek, który pomimo tego iż przez całe dziewięć miesięcy przebywał w bezpiecznym środowisku doskonale się rozwijając i rokując na przyszłość, rodzi się w poważny sposób okaleczony, ale Mało kto z nas zastanawiał się kiedykolwiek nad istota procesów jakie następują po przerwaniu dostawy tlenu w mózgu, mało kto ze zwyczajnych ludzi nie stykających się na co dzień z zagadnieniem wie o tym, że tak naprawdę za późniejszy stan neurologiczny dziecka odpowiada nie bezpośrednio epizod niedotlenienia trwający kilka minut, lecz w głównej mierze właśnie to, co następuje po nim. Niedotlenienie zaburza bowiem w dramatyczny sposób homeostazę mózgu, który jako najbardziej energochłonny organ potrzebuje najwięcej tlenu. Zapoczątkowana brakiem tlenu kaskada procesów biochemicznych ma zgubne skutki dla układu nerwowego, w szczególności rozwijającego się. Hipotermia, czyli stan oziębienia (w przypadku selektywnego chłodzenia mózgu wybiórczo niektórych tkanek) poniżej pewnych wartości temperatur spowalnia znacznie, lub całkowicie wyhamowuje poszczególne reakcje zabójczej kaskady, i to leży u podstaw jej własności neuroprotekcyjnych. Powyższe twierdzenie poparte faktami naukowymi w postaci dużej ilości prac opisujących wyniki badań medycznych leży u podstaw niniejszej koncepcji projektowej i czyni ją sensowną. Celem tej pracy jest stworzenie projektu koncepcyjnego urządzenia ratującego zdrowie dzieci, jednak, jako autorka, chciałabym również, aby pośrednim jej efektem było uświadomienie jak największemu gronu osób tego, że istnieje możliwość właśnie wtórnej ochrony układu nerwowego przed uszkodzeniem w sytuacji nie tylko niedotlenienia okołoporodowego, lecz także w sytuacjach nagłego zatrzymania krążenia np. po podtopieniu. Czynnikiem mającym zbawienne oddziaływanie w tego typu przypadkach jest właśnie hipotermia umiarkowana.
Podsumowanie Zaproponowane rozwiązanie powstało w wyniku analizy dwóch dostępnych na rynku, medycznych systemów służących do selektywnego chłodzenia mózgu, opartych na chłodzeniu termoelektrycznym, ze szczególnym uwzględnieniem jego przeznaczenia dla ratowania zdrowia niedotlenionych noworodków. Znajomość procesów neurochemicznych zachodzących w niedotlenionym mózgu dziecka, anatomii centralnego układu nerwowego, patofizjologii procesów niedotlenieniowo niedokrwiennych oraz mechanizmu neuroprotekcyjnego oddziaływania obniżonych temperatur tkanki nerwowej pozwoliła na stworzenie pierwotnej koncepcji systemu selektywnego chłodzenia mózgu. Analiza dostępnych na rynku systemów selektywnego chłodzenia mózgu umożliwiła stworzenie nowej koncepcji w postaci systemu hybrydowego, łączącego w sobie zalety rozpatrywanych wcześniej rozwiązań. Projekt koncepcyjny systemu hybrydowego przedstawiono w rozdziale 5. Jest to projekt specyficznego urządzenia hybrydowego, w zasadzie pompy ciepła działającej z wykorzystaniem modułów termoelektrycznych w celu schłodzenia głowy dziecka. Niespotykanym dotąd rozwiązaniem jest zastosowanie układu termoelektrycznego, w którym strumień ciepła odbierany przez termomoduły zostaje wyrównany przez wodę opływającą kanały poduszki wodnej. W rozdziale 6 przedstawiono obliczony przy zastosowaniu równań fizjologicznych strumień ciepła wydostający się z chłodzonego mózgu dziecka. Interesujący jest fakt, że rozdział ten w jednoznaczny sposób łączy poprzez zależności matematyczne dwie z pozoru diametralnie różne dziedziny wiedzy, których dotyczy ta praca, technikę i medycynę. Unikalne możliwości regulacji parametrów pracy urządzenia stwarza fakt bezpośredniego oddziaływania na warunki wymiany ciepła pomiędzy nim, a środowiskiem chłodzonym, dzięki zastosowaniu w systemie precyzyjnej pompy laboratoryjnej o regulowanej wydajności. Analiza techniczno ekonomiczna zaproponowanego rozwiązania, ze względu na jego przeznaczenie, jak i trudną dostępność podobnych systemów na rynku, opiera się w zasadzie na próbie oszacowania kosztów poszczególnych elementów systemu. Medyczne przeznaczenie urządzenia oraz ewentualne zmiany w koncepcji projektowej podczas tworzenia projektu wykonawczego, czynią tą analizę jedynie orientacyjnym przybliżeniem. Jednak mając na uwadze fakt, że w przypadku urządzeń medycznych pierwszym kryterium oceny branym pod uwagę w momencie zakupu, czy wyboru jest kryterium jakościowe. Kryterium cenowe jest w przypadku, kiedy mamy do czynienia ze sprzętem ratującym życie człowieka kryterium drugorzędnym.