POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE KONSPEKT Temat: Termoelektryczne urządzenia chłodnicze zastosowanie w medycynie i technikach laboratoryjnych. Student: Damian Siekiera Kierunek: Inżynieria Mechaniczno Medyczna (II Stopień) Rok akademicki: 2011/2012 Sem: II Prowadzący: dr inż. Zenon Bonca, doc. PG dr inż. Waldemar Targański GDAŃSK 2011
1. Wprowadzenie. Termoelektryczne urządzenia chłodnicze, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują zjawisko termoelektryczności do chłodzenia. Ich zasada działania opiera się na zjawisku Peltiera. Efekt Peltiera polega na tym, że przy przepływie prądu stałego (I) przez termoelement, na spoinach termoelementu (Rys. 1) wydziela się lub zostaje pochłonięta pewna ilość ciepła (Q). Przy użyciu materiałów o różnej przewodności elektronowej i dziurowej (typu p oraz typu n ) na jednej spoinie następuje obniżenie temperatury, natomiast na drugiej jej podwyższenie do określonej wartości. Jeśli kierunek przepływu prądu będzie się zmieniać to zjawisko to się odwróci. Umieszczając więc zimniejszą spoinę w środowisku chłodzonym, a cieplejszą w środowisku chłodzącym, np. w powietrzu, stwarza się możliwość odprowadzenia ciepła z komory oraz oddania ciepła do otaczającego powietrza. Rys. 1. Schemat ideowy termoelementu. Ogniwo Peltiera, ze względu na nieskomplikowaną produkcję oraz trwałość parametrów znajduje szerokie zastosowanie jako pompa cieplna. Stosowane jest do budowy urządzeń i elementów chłodniczych, wykorzystywanych zarówno w warunkach "domowych", jak i w zaawansowanej technologicznie aparaturze naukowej.
2. Urządzenia wykorzystywane w medycynie. Termoelektryczne urządzenia chłodnicze wykorzystuje się w wielu dziedzinach medycyny. Jedną z nich jest krioterapia i kriochirurgia. Krioterapia jest niefarmakologiczną techniką w terapii wielu ciężkich i przewlekłych chorób. Polega ona na krótkotrwałym kontakcie skóry pacjenta z medium gazowym o temperaturze w zakresie od -180 C do -110 C. Kriochirurgia jest częścią krioterapii i jest metodą leczenia chirurgicznego polegającą na miejscowym, kontrolowanym niszczeniu chorej tkanki przez jej zamrażanie w niskiej temperaturze. Można ją określić mianem metody bezkrwawej, niska temperatura bowiem niejako blokuje drobne naczynia tętnicze i żylne, umożliwiając oddzielenie tkanki wymrożonej, głównie zmienionej chorobowo, od tkanki zdrowej praktycznie bez krwawień. Poza tym zastosowaniem w medycynie powszechnie wykorzystuje się również termostaty przenośne oraz stacjonarne, służące do transportu i przechowywania leków. 2. 1. Urządzenie do zamrażania tkanek. Urządzenia te służą do miejscowego zamrożenia żywej tkanki w temperaturze do -20 C. Zamrożenie następuje przez kontakt tkanki z chłodzoną końcówką roboczą krioaplikatora. Natężenie prądu zasilającego wynosi 1,5 A, przy napięciu 230 V. W wyniku działania niską temperaturą na tkanki uzyskuje się m.in. zahamowanie procesu zapalnego, spadek napięcia mięśniowego, poprawę czynności chorych stawów, czy też poprawę drenażu krwionośnego i limfatycznego. Rys. 2. Urządzenie do zamrażania tkanek Kriopol K-11.
Opis urządzenia Kriopol K-11: Urządzenie umieszczone jest na ramie jezdnej, która umożliwia jego łatwe przemieszczanie Urządzenie wyposażone jest w zbiornik na ciekł azot o pojemności 11 litrów (istnieje możliwość dokupienia dodatkowych zbiorników). Posiada elastyczną linię przesyłową ciekłego azotu, która umożliwia w wygodny i bezpieczny sposób wykonywanie zabiegów. Urządzenie wyposażone jest w trzy dowolnie wybrane aplikatory kontaktowe danej specjalności oraz aplikator typu spray. Dane techniczne: Czynnik chłodniczy: ciekły azot (LN2) Objętość zbiornika: 11 litrów (9 kg.) Temperatura powierzchni końcówki krioaplikatora: - 196 C Ciśnienie robocze: 50 kpa Czas uzyskania ciśnienia 50 kpa w zbiorniku: 5 min. Zasilanie: 230 V +/- 10 % Częstotliwość: 50 Hz Pobór prądu: 1,5 A Klasa ochronności: II Bezpiecznik: 3,15 WTA Typ ochrony: B Maksymalny czas pracy urządzenia: Około 60 min (z jednego zbiornika) Masa urządzenia: 16 kg (bez azotu) Wymiary (szerokość/wysokość/długość): 320 / 700 / 330 mm. 2. 2. Krioekstraktor termoelektryczny. Jest to urządzenie przeznaczone do usuwania z oka zmętniałych fragmentów soczewki. Końcówka 1 chłodzona termoelementem 3 przymarza do soczewki. Jej temperatura w trybie roboczym wynosi od 25 C do 30 C. Czas dojścia do tych warunków jest bardzo krótki, gdyż wynosi jedynie 2 minuty. Natężenie prądu zasilającego termoelement to 10 A przy napięciu 1,7 V. Rys. 3. Krioekstraktor termoelektryczny.
2. 3. Termoelektryczny hełm chłodzący. Jest to urządzenie, które wykorzystuje się do obniżenia temperatury tkanki mózgowej i zahamowania jej obumierania, na skutek niedotlenienia wywołanego ciężkimi urazami głowy. Przy temperaturze mózgu na poziomie 26 C zużycie tlenu przez komórki obniża się aż dwukrotnie. Hełm ten posiada elastyczną membranę ściśle przylegającą do głowy chorego. Przestrzeń zawartą między membraną i skórą głowy chłodzą właśnie moduły Peltiera. Temperatura może być regulowana w zakresie od 20 C do + 50 C. Rys. 4. Termoelektryczny hełm chłodzący. Hełm chłodzący (Rys. 4) to urządzenie przypominające kask motocyklowy, którego wewnętrzna część wyścielona jest 120 sztukami jednakowych pod względem termicznym i elektrycznym termoelementów pobierających prąd o napięciu 0,1 V. Odbiór ciepła stron gorących zapewniony jest przez wodę przepompowywaną przez kanały umieszczone w hełmie. Ogrzana w kanałach woda pompowana jest do urządzenia chłodzącego, następnie powtórnie używana jest do odbioru ciepła po stronie gorącej hełmu termoelektrycznego. Jednostką sterującą urządzenia jest 8 bitowy mikrokontroler PIC (PIC I 6F877). Sterowanie temperaturą urządzenia może odbywać się w zakresie od -5 C do +46 C z dokładnością do 0,5 C. 2. 4. Termostat przenośny. Termostat przenośny służy do przechowywania i transportu zarówno preparatów medycznych i bakteriologicznych, jak i badań klinicznych, leków, czy szczepionek. Obecnie na rynku jest bardzo duży wybór chłodziarek przenośnych. Zazwyczaj różnią się one od siebie pojemnością komór oraz zakresem utrzymywanych temperatur. Większość placówek medycznych jest zaopatrzona w tego rodzaju urządzenie, gdyż często istnieje potrzeba przewiezienia materiałów z jednego miejsce w
drugie, w odpowiedniej temperaturze. Rys. 5. Chłodziarka przenośna Waeco TropiCool. Parametry lodówki Waeco TropiCool: Pojemność całkowita: około21litra Źródło energii: 12/24V DC i 230 V AC Zużycie paliwa: 46 W przy 12 V DC, 50 W przy 24 V DC, 64 W przy 230 V AC Zakres temperatury: tryb chłodzenia: +1 C do +15 C (do 30 C poniżej temperatury otoczenia); tryb podgrzewania: +50 C do +65 C Izolacja: pełna forma izolacyjna z pianki poliuretanowej System: system Peltiera Elektroniczny panel sterowania Materiał: wytrzymałe, wtryskowo uformowane części Kolor: ciemnoszary/jasnoszary Waga: około 7,0 kg Oznaczenia: CE, TÜV/GS, e-certified (Automotive EMC Directive). Rys. 6. Wymiary chłodziarki Waeco TropiCool.
2. 5. Chłodziarka stacjonarna. Również w chłodziarkach stacjonarnych wykorzystuje się zjawisko termoelektryczności 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. Lodówki muszą być również na terenie bloku operacyjnego, na oddziale zabiegowym oraz w przychodniach. Urządzenia te są również stosowane w technice laboratoryjnej. Rys. 7. Lodówka Farmaceutyczna MED 288. Dane techniczne: Poiemność: 280 litrów Ustawienie temperatury: ok. +2 C do + 20 C Napięcie: 220-240 V, 50/60 Hz Pobór mocy: 150 W Średnie zużycie: 0,8kWh/24h Wymiary ogólne z drzwiami otwartymi pod kątem 90 stopni: szer. x gł. = 67 cm x 130 cm Wewnętrzne wymiary szuflady: szer. x gł. x wys. = 50,4 cm x 32 cm x 5,6 cm Maksymalne obciążenie szuflady: 16 kg/40 kg Waga: netto 78 kg, brutto 87 kg Wymiary ogólne razem z uchwytem i odległością od ściany: szer. x gł. x wys. = 67 cm x 70 cm x 124 cm. 3. Urządzenia wykorzystywane w technikach laboratoryjnych. Poza chłodziarkami przenośnymi i stacjonarnymi, które są wykorzystywane zarówno w medycynie, jak i w technikach laboratoryjnych, używane są również inne urządzenia laboratoryjne.
3. 1. Osmometr. Przykładem termoelektrycznego urządzenia chłodniczego stosowanego w technice laboratoryjnej jest osmometr. Jest to przyrząd do pomiaru ciśnienia osmotycznego roztworów. Rys. 8. Osmometr 800CL firmy TRIDENT MED. Osmometr 800CL jest nowoczesnym cyfrowym przyrządem, umożliwiającym szybkie i dokładne oznaczenie osmolalności mikropróbek o objętości 100µl metodą pomiaru temperatury krystalizacji roztworu przechłodzonego. Jednopunktowa kalibracja przyrządu wymaga jedynie pomiaru próbki wody destylowanej. Korekty kalibracyjne są obliczane automatycznie i wprowadzane do pamięci układu mikroprocesorowego. Dzięki zastosowaniu sterowania mikroprocesorowego i wysokostabilnych podzespołów elektronicznych przyrząd charakteryzuje się bardzo dużą niezawodnością. Przyrząd jest prosty w obsłudze. Pipetą wprowadzamy badaną próbkę do plastikowej probówki osmometrycznej, którą osadzamy w głowicy pomiarowej z termistorem. Naciskając na głowicę wprowadzamy próbkę do komory chłodzącej, gdzie jest ona schładzana termoelektrycznie(efekt Peltiera). Przy ściśle określonej temperaturze przechłodzenia, leżącej poniżej temperatury zamarzania próbki, zostaje w próbce zainicjowana krystalizacja. Wskutek wydzielania się ciepła krystalizacji temperatura mieszaniny lód-ciecz wzrasta aż do wartości maksymalnej, zależnej od osmolalności próbki. Przy pomocy termistora zostaje to maksimum zmierzone i po przeliczeniu wyświetlony jest wynik w mosm/kgh 2 O. Dane techniczne: Zakres: 0-2000mOsm/kgH 2 O Objętość próbki: 100µl Dokładność: +/-1mOsm/kgH 2 O +/-0,4%(CV) Powtarzalność: +/-1mOsm/kgH 2 O
+/-0,4%(CV) Rozdzielczość: +/-1mOsm/kgH 2 O Dryft: +/-2mOsm/kgH 2 O Czas pomiaru: ok. 1,5min. Wymiary: 30X20X17(29)cm. 3. 2. Termocykler. Jest to urządzenie używane w laboratorium do przeprowadzania reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR). Urządzenie wyposażone jest w blok grzejny z otworami na probówki, w których przeprowadza się reakcję. Urządzenie zapewnia zmiany temperatury bloku zgodne ze wcześniej zdefiniowanym programem i odpowiednie do efektywnego zajścia PCR. Bloki grzejne, by zmieniały swą temperaturę możliwie szybko, są zazwyczaj wyposażone w moduł Peltiera. Niektóre, bardziej zaawansowane termocyklery (np. do przeprowadzania reakcji real time PCR), mają naczynia reakcyjne chłodzone i grzane powietrzem. Rys. 9. Termocykler z gradientem temperatury SuperCycler. Termocykler SuperCycler jest wysokiej jakości blokiem termicznym skonfigurowanym i zoptymalizowanym do stosowania ze standardowymi probówkami pojedynczymi lub w stripach, o pojemności 200 µl (z wypukłymi lub płaskimi wieczkami) lub 96-dołkowymi mikropłytkami. Tworzy go zaawansowana elektronika, precyzyjne elementy Peltiera oraz elastyczny interfejs użytkownika. Ogniwa Peltiera są uruchamiane przez niezależne sensory termiczne rozmieszczone równomiernie w bloku. Takie rozmieszczenie ogniw i sensorów umożliwia ustalanie liniowych gradientów temperatury, a sterowanie odbywa się poprzez zaawansowany system informatyczny.
4. Bibliografia. 1. Filin S. : Termoelektryczne urządzenia chłodnicze. Masta, Gdańsk, 2002. 2. Żmuda E : Medyczne fakty oraz przegląd dostępnych rozwiązań systemów selektywnego chłodzenia mózgu. Technika chłodnicza i klimatyzacja, 4-5 2009. 3. Barczyk K., Felisiak M. : Zastosowanie krioterapii w medycynie i w leczeniu wybranych chorób skóry. Postępy kosmetologii 2/2011. 4. http://www.zymellapharma.com 5. http://www.rejman.net.pl 6. www.waeco.com 7. http://www.tridentmed.com.pl 8. http://www.biogenet.com