Криотерапия в России

Специалистам

• основные положения теплофизической теории криогенной терапии.
• физическая модель объекта криогенного физиотерапевтического воздействия
• математическая модель объекта криогенного физиотерапевтического воздействия
• сопоставительный анализ процедур основанных на охлаждении кожного покрова
• оптимизация технологии криогеной физиотерапии
• физические основы эффективности криотерапевтического воздействия
• рекомендации по выбору аппаратуры для криогенной физиотерапии
• общая аэрокриотерапия больных бронхиальной астмой
• о практике применения криогенной физиотерапии для лечения целлюлита (паникулита)
• методические указания по применению аэрокриотерапии
• Разработка техники и технологии криогенной терапии в СПб ГУ Н и ПТ
• О преимуществах индивидуальных криотерапевтических кабин открытого типа (криосаун)
• VI международная, научно-практическая конференция «Криотерапия в России»

Разработка техники и технологии криогенной терапии в СПб ГУ Н и ПТ

А.Ю. Баранов

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова 9,
Email: krion.spb@ rambler.ru

Криотерапия -физиотерапевтическая процедура, основанная на кратковременном контакте кожного покрова тела с охлажденным до температуры -130 оС газом. Криотерапию применяют для лечения ряда тяжелых заболеваний, таких как ревматоидный артрит, бронхиальная астма, псориаз и д.т. Как показал практический опыт, эффективное лечение может быть обеспечено только в том случае, когда техника и технология обеспечивают значительное изменение температуры поверхности тела пациента.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Стимулом к началу работ по разработке криотерапевтических систем, в Европе стало выступление разработчика метода, японского врача Т. Ямаучи, на конгрессе ревматологов в 1984 г. Материалы его доклада достоверно доказывали огромную лечебную эффективность процедур, основанных на использовании искусственного холода. Кроме того, из сообщения было видно, что снижение температуры газа и увеличение поверхности контакта кожного покрова с низкотемпературной газовой средой, определяют лечебную эффективность криотерапии. Информация вызвала огромный интерес у специалистов и больных ревматоидным артритом. Значительная цена криотерапевтических установок Т. Ямаучи (более 2 млн. $) создала предпосылки для активной работы по созданию альтернативных аппаратов. Работы в этом направлении были развернуты фирмами «NIHON SANSO » и «ODSI GIKEN » (Япония), «MESSER GRIESHEIM» и «МЕDIZINTECHNIK КIRSCHMAN + SCHWEIZER » (ФРГ) и «KRIOTECHNIKA MEDYCZNA» (Польша).

В 1986 году в Ленинграде образовалась инициативная группа, поставившая перед собой цель создать отечественную криотерапевтическую установку. в рамках творческого сотрудничества.

Медицинскую науку представляли профессора Майстрах Е.В.и Губачёв Ю.М. (заведующие кафедрами Лен ГИДУВ), техническую профессор Головко Г.А.(в то время заведующий кафедрой криогенной тех-ники ЛТИХП), и Баранов А.Ю.

Несмотря на отсутствие финансирования и ограниченный объем ин-формации, инициативной группе благодаря активному сотрудничеству медицинских и технических специалистов удалось быстро сформулировать основные принципы решения данной медико-технической задачи. Осно-вываясь на том, что процедура показана миллионам пациентов, было решено сосредоточится на поиске технических решений с минимальными затратами. В качестве верхней границы её стоимости установлена сумма 20 тысяч рублей (около 25 000 $). Вторым постулатом в разработке криотерапевтических систем стал принцип индивидуализации процедур. В то время, как основоположник метода, а в след за ним и большинство разработчиков, строили низкотемпературные кабины на 5-10 пациентов, отечественные аппараты должны быть индивидуальными. Эти положения на долгие годы определили направление исследований и опытно-конструкторских работ, и по сей день являются основой конкурентоспособности отечественной аппаратуры.

Уже спустя год в мае 1987 года на кафедре криогенной техники ЛТИХП прошли испытания первой в СССР пилотной установки для индивидуальной криотерапии. Оригинальная конструкции системы охлаждения и самой кабины [ ], позволила выполнить установленные ценовые ограничения. Но, для внедрения в лечебную практику пилотная установка была малопригодна. Конструкция и технология криотерапии нуждались в углубленном исследовании и оптимизации. Результаты исследований в этом направлении были сформулированы Барановым А.Ю. в диссертации на соискание степени кандидата технических наук ( 1991 г.). Эта защита подвела итог пятилетнему поисковому периоду, когда на действующих макетах и лабораторных образцах были исследованы возможные варианты технического исполнения криотерапевтических систем.

В 1996 году, когда закончился период лабораторных исследований, опытных и экспериментальных установок, отечественная криотерапия получила в свое распоряжение первый серийный аэрокриотерапевтический комплекс «КАЭКТ – 01 – «КРИОН». Установка разработана и изготовлена сотрудниками Санкт-Петербургского Государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ) и научно-производственного предприятия "КРИОН" (С. Петербург).

В эти же годы сложилась и получила свое практическое подтверждение медицинская физическая концепция криотерапии. Работы, начатые профессора Майстрахом Е.В.и Губачёвым Ю.М., продолжили д.м.н. проф. Кирьянова В.В. и к.м.н. доц. Максимов А.В. В 2000 году они опубликовали первые в России методические указания по применению криотерапии в лечебной практике [6]. Сотрудничество медицинских и технических специалистов позволило сформулировать условия безопасности пациента, определить физические основы лечебного действия криотерапии и разработать математический аппарат для оптимизации технологии криотерапии [6].

Клинические испытания комплекса «КАЭКТ – 01 – «КРИОН» про-шли в Санкт- Петербурге под руководством сотрудников кафедры физиотерапии Санкт-Петербургской государственной медицинской академии последипломного образования (МАПО).

В декабре 1999 года Комитет по новой медицинской технике мини-стерства здравоохранения РФ разрешил серийное производство и применение в лечебной практике первой отечественной установки для общей криотерапии. В 2000 году аппаратура для общей криотерапии была зарегистрирована Комитетом по новой медицинской технике.

Сегодня произведено свыше 100 криотерапевтических комплексов этой серии, в отдельных городах и регионах насыщенность криотерапевтическим оборудование значительно выше, чем в странах Западной Европы. Например, в Санкт- Петербурге с население около 5 млн. чел. действует 16 установок, а Польше на 40 млн. приходится 45 криотерапевтических камер, причем четвертая часть этих аппаратов выпущена в С. Петербурге.

Криотерапевтические комплексы серии «КРИОН» проектируются и совершенствуются на базе непрекращающихся исследований, в которых наряду с СПб ГУ и ПТ и СПб МАПО активно участвуют сотрудники военно-медицинской академии [ ].

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ КРИОТЕРАПИИ.

Среди известных эффектов достигаемых при использовании общей криотерапии, наиболее эффектным и доказательным является ее длительное анальгетическое действие. По продолжительности обезболивания криотерапия в 10 – 12 раз превосходит традиционные гипотермические методы [].

Для выявления физических причин качественных преимуществ криотерапии сотрудниками СПб ГУ Н и ПТ был выполнен численный эксперимент по сопоставлению процессов сопровождающих гипотермические процедуры. Основу эксперимента составили математическая модель покровных тканей человеческого тела [] и система условий гипотермической безопасности пациента при криотерапии []. Эксперимент показал, что в условиях ограниченного изменения температуры поверхности ( не ниже -2 о С) , и предупреждения переохлаждения внутренних участков тела, единственным существенным отличием криотерапии является значительное понижение температуры на-ружной поверхности кожи (табл.1). Кроме того, благодаря значительному градиенту температур между телом и криогенным газом. На всех этапах охлаждения наблюдается существенный отвод теплоты, который локализуется в периферийных тканях тела (оболочке []). Способность криогенной газовой среды существенно понижать температуру поверхности тела без нарушения изотермичности его центральной части (ядра тела []), позволяет стимулировать иммунную систему организма без предварительной подготовки.

Таблица 1

Результаты сопоставительного эксперимента

Для разработчиков криотерапевтического оборудования особый интерес представляет расчетное значение отводимого с поверхности тела теплового потока. В работах посвященных протекающим в человеческом теле тепловым процессам максимальное тепловыделение человеческого тела оценивает в 500 Вт, т.е. в 10 раз меньше чем получено в эксперименте. Следует учитывать, что в моделируемых процессах происходит существенное переохлаждение периферийного слоя тела, поэтому отвод теплоты должен значительно превышать физиологическое тепловыделение.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КРИОТЕРАПИИ

В криотерапевтических установок скорость газа как правило невелика , поэтому интенсивность отвода теплоты с поверхности тела определяется уровнем температуры в процедурной кабине. Закономерно предположить существование достаточно узкого диапазона оптимальных температур, в котором безопасность пациента сочетается с высокой лечебной эффективность. На практике, температура в процедурной кабине колеблется от −180 до −100˚С. Следует отметить, что на границах этого спонтанно сложившегося диапазона физические свойства воздуха различаются столь существенно, что и сам процесс охлаждения должен качественно различаться. Например плотность газа на нижней температурной границе 3,85 кг/м3 , а при −100˚С всего 1,99 кг/м3 []. Такое различие в плотности заметно даже органолептически, с учетом того что перепад температуры между телом и теплоносителе тоже изменяется почти в два раза, можно ожидать значительных различий в интенсивности отвода теплоты. Методы математического моделирования позволили провести численный эксперимент по определению оптимальной температуры газа при криотерапии [].

В диапазоне выбора температур газа от −180 до −80˚С моделировался процесс охлаждения в условиях естественной конвекции. Моделирование каждого из 10 вариантов, продолжалось до тех пор, пока температура поверхности кожи оставалась выше -2°С (наружное условие гипотермической безопасности), а температура внутренней границы жирового слоя не опускалась ниже 36 °С (внутреннее условие гипотермической безопасности. Результаты приведены в табл.2 и на рис. 1-4.

Как видно из таблицы 1 безопасная продолжительность криотерапии существенно меняется по мере увеличения температуры. Достоверность эксперимента подтверждается хорошим совпадением расчетных данных с описанием процедур в различных криотерапевтических системах. Подобранная эмпирически безопасная продолжительность пребывания пациента в кабинах с температурой криогенного газа - 170 [],- 130 и -100 ˚С [], хорошо совпадает с расчетной (см. табл.1). Это совпадение указывает на высокую достоверность полученных результатов.

Так как достижение лечебного результата связано с охлаждением по-верхности тела, от кожи необходимо отводить значительные потоки теплоты. В пересчете на полную площадь поверхности кожного покрова (1,6 м2) выделение теплоты достигает величины 9,5 кВт ( при −180˚С ). Для компенсации таких тепловых потоков на температурном уровне −180˚С, необходимы значительные энергозатраты, поэтому применение сверхнизких температур может быть оправдано только высоким лечебным эффектом.

Таблица 2

Результаты численного эксперимента

(*- действительная продолжительность процедур при данной температуре [] )

Наиболее достоверным следствием криотерапии является достаточно длительное обезболивающее действие.

Рис. 1 Зависимость продолжительности анальгетического действия от температуры газа.

Влияние температуры газа продолжительность обезболивания криотерапии наглядно иллюстрирует график представленный на рис. 1. Кривая имеет максимум при температуре −130˚С. Дальнейшее снижение температуры газа, приводит к монотонному уменьшению эффективности криотерапии. Повышение температуры вызывает резкое снижение продолжительности анальгетического действия, при переходе к температуре −110 ˚С это время снижается 10 раз. Полученные результаты хорошо согласуются с субъективными оценками пациентов и материалами публикаций. Продолжительность анальгетического действия при −110 ˚С по данным [] составляет 40 мин, а при −130 ˚С 6 часов[].

Причины различий в результатах охлаждения лежат на поверхности, при температурах выше −130 ˚С процесс распространения переохлаждения в глубину тела опережает охлаждение наружной поверхности. Поэтому, варианты с температурой −120 ˚С и выше были прерваны до того, как температура поверхности тела достигнет достаточно низких значений. Сравнивая данные о минимальной температуре кожного покрова из таблиц 1 и 2 нетрудно заметить, что при охлаждении в газе с температурой −100 ˚С минимальная температура поверхности кожного покрова (табл.2) даже выше, чем при охлаждении в ледяной воде (табл.1). Очевидно, что не имеет смысла использовать криогенные технологии для получения результата аналогичного приме-нению гипотермических ванн.

АППАРАТУРА ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ФИЗИОТЕРАПИИ

На рынке медицинской техники России представлено 4 вида устройств, которые продавцы и производители относят к аппаратуре для проведения криотерапии. Две системы (см. табл.2) предназначены для проведения индивидуальных процедур (рис. 2), используют для охлаждения жидкий азот, разработаны и производятся в России. Технические данные таблицы 2 показывают, что по номинальной температуре оба индивидуальных комплекса относятся к криотерапевтической аппаратуре, так обеспечивают криостатирование процедурной кабины в оптимальном диапазоне температур ( от −150 до−130 ˚С []).

Таблица 3.

Технические характеристики производимых в России индивидуальных криотерапевтических комплексов.

Рис.2 Криотерапевтическая процедура в индивидуальном комплексе «КАЭКТ-01 « КРИОН».

Незначительная мощность электрооборудования индивидуальных криотерапевтических комплексов, объясняется тем, что основным источником холода в этих аппаратах является жидкий азот. Использование криоагента, позволяет отводить мощные тепловые потоки при минимальных затратах энергии. Например, использование 1 кг жидкого азота в минуту создает на температурном уровне 140 К холодопроизводительность 4,3 КВт []. Учитывая то, что установки рассчитаны на индивидуальные процедуры при расходе криоагента 1−2 кг/мин, они легко покрывают тепловыделения от поверхности тела паци-ента (около 5 кВт см. табл.2).

Альтернативное направление – аппараты для групповых процедур представлены в табл. 4. Групповые системы снабжены компрессионными охладителями. Криосауна «КРИО СПЕЙС» является продуктом немецкой фирмы «Medizintechnik». Охладитель этой установки представляет собой трехкаскадную холодильную машину.

Рис. 3. Криотерапевтический комплекс «КРИО СПЕЙС КАБИН»

Украинское предприятие ОАО «ХОЛОД» предлагает, как свою разработку с названием «КРИОСАУНА», копию медицинской установки немецкой фирмы «Zimmer». Охлаждение процедурной кабины «КРИОСАУНЫ» обеспечивает дроссельный охладитель на газовых сме-сях.

Таблица 3.

Технические характеристики представленных на рынке России установок для групповой низкотемпературной физиотерапии.

По заявленному уровню температуры в процедурной кабине аппараты группового действия не обеспечивают условий для криогенной физиотера-пии. Основной причиной завышенного температурного уровня является использование в системах охлаждения компрессионных холодильных циклов. Кроме того, следует обратить внимание на то, что аппараты для групповой терапии имеют малую мощность электропривода. Исходя из данных табл.2, каждый пациент при охлаждении поверхности кожи выделят около 5 кВт теплоты. Соответственно 5 пациентов генерируют не менее 25 кВт, а с учетом низкого уровня криостатирования для отвода такого количества теплоты надо затратить в 3-4 раза больше электроэнергии (около 100 кВт). Но, обе установки снабжены холодильным оборудованием, которое по потребляемой мощности сопоставимо с тепловой нагрузкой. Налицо огромный дефицит холодопроизводительности, который не позволяет компрессионной системе поддерживать заявленную температуру, в результате за время процедуры температура в низкотемпературной зоне повышается до −70 ˚С.

Учитывая то, что стоимость аппаратов с компрессионными системами охлаждения составляет от 100 до 400 тыс. $, лечебные учреждения должны быть, предупреждены об их неэффективности.

Для наглядности сравнения жидкостных и компрессионных систем можно воспользоваться расчетной величиной – адекватной мощность жидкостных охладителей. Адекватная мощность, это мощность электропривода эффективной компрессионной системы с равной холодопроизводительностью. Например, адекватная мощность охладителя с расходом азота 0,02 кг/с (1,2 кг/мин) при температуре криостатирования 140 К составляет 20 кВт. С учетом адекватной мощности можно оценить удельную энерговооруженность групповых и индивидуальных систем.

Таблица 5.

Удельная энерговооруженность криотерапевтических комплексов.

Из таблицы 5 видно, что по энерговооруженности аппараты с азотным охлаждением на порядок превосходят компрессионные. Причины столь существенных различий достаточно очевидны. Жидкостные охладители автоматически регулируют расход криоагента для криостатирования процедурной кабины на заданном уровне, поэтому затраты жидкостного азота (см табл.) определяется интенсивность подвода теплоты. Иными словами затраты криоагента характеризуется действительную тепловую нагрузку на систему криостатирования. Холодопроизводительность компрессивного охладителя определяется на эта не проектирования и связана с действительной тепловой нагрузкой. Можно предложить, что при разработке аппаратов для групповой криотерапии, основная тепловая нагрузка, тепловой поток от охлаждаемой поверхности тела, была определена неверно. Исходя из известных соотношений холодопроизводительности и затраченной мощности на температурном уровне –1100С, принятое в расчёт тепловыделение от одного пациента было занижено как минимум на порядок. В результате у групповых установок наблюдается значительный 90% дефицит холодопроизводительности, следствием которого является значительные (на 40-50 К) колебания температуры во время процедуры. Совокупность ошибок в определении температурного уровня и мощности системы криостатирования приводят к тому, что по лечебной эффективности процедуры в установках с компрессионным охлаждением адекватны купанию в холодной (10-120С) воде. Индивидуальные криотерапевтические системы с жидкостными охладителями, обеспечивают оптимальные условия криотерапевтического воздействия, при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Рис. 4 Распространение криотерапевтических комплексов в России.

Высокая энерговооружённость, использование последних достижений в области технологии криогенной терапии, в сочетании с простатой и надёжностью криотерапевтических систем выделяют эти аппараты в самостоятельную группу – криотерапевтические системы второго поколения.

Косвенные подтверждения качественных преимуществ криосаун произве-дённых в Санкт-Петербурге является их широкое распространение (см рис.)

Использованная литература.

1. Баранов А.Ю., Кидалов В.Н. Лечение холодом. Криомедицина .- СПб.: Атон, 1999. – 272 с.
2. Баранов А.Ю., Малышева Т.А. Моделирование нестационарного теплообмена в криомедицине // Вестник Международной Академии Холода. 2000. № 2. - С.38 - 41.
3. Бартон А., Эндхолм О. Человек в условиях холода. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 280 с.
4. Пономаренко Г.Н., Середа В.П.,. Баранов А.Ю, Волкова Л.П. Общая Аэрокриотерапия больных бронхиальной астмой: пособие для врачей. – Санкт-Петербург, 2005. – 11 стр.
5. Суздальский Д.В., Баранов А.Ю.Аппаратура и средства для локальной криотерапии// Вопросы курортологии –1999 -№4– С.51-53.
6. Чернышев И.С. и др. Экстремальная криотерапия в современной практической медицине, Сборник научных трудов «Медицинская криология» - выпуск 2: - Н. Новгород: 2001.
7. Шиман А.Г., Кирьянова В.В., Максимов А.В., Баранов А.Ю. Клинико-физиологические аспекты применения криотерапии // Вестник СПб Гос. Мед. Академии им. И.И. Мечникова. 2001. № 1. 27.
8. А.Г. Шиман, Л.А. Сайкова, В.В. Кирьянова, Физиотерапия заболеваний периферической нервной системы, Руководство для врачей. ─ СПб государственная медицинская академия им. И.И. Мечникова, 2001 . ─ с.337.
9. Joch, W., Frike, R.,& Ückert, S. (2002)/ Der Einflus von Kälte auf die sportliche Leistung. Leistungsport, 32(2), 11-15.
10. Ückert, S., & Joch, W. (2003), Der Einfluss von Kälte auf Herzquenzvariabilität. Österreichisches Journal für Sportmedizin 33 (2), 14-20.
11. Ückert, S., & Joch, W. (2003), Der Effekt von Ganzkörperkälteapplikatio (−110 ˚С) auf Herzquenzvariabilität. Österreichisches Journal für Sportmedizin 54(7/8), 102.