Криотерапия

Существенные различия физиотерапевтического результа процедур с разной температурой теплоносителя в процедурной кабине результат имеют четкие теплофизические причины, которые поясняются диаграммами, построенными по результатам численного эксперимента. Так на рис.1 приведен график изменения интенсивности раздражающего действия I_рд криогенной физиотерапии при различных температурах теплоносителя. Особое внимание следует обратить на форму полученных кривых.

Рис. 1 Изменение интенсивности раздражающего действия криогенной физиотерапии с различной температурой теплоносителя

Для всех значений температуры газа в процедурной кабине имеет место период, когда величина интенсивности раздражающего действия: I_рд< 1.

На этом этапе лечебный эффект процедуры пренебрежительно мал. С технологической точки зрения этот период справедливо назвать подготовительным, направленным на формирование распределения температур, необходимых для эффективного воздействия. Это достаточно наглядно иллюстрирует диаграмма изменения суммарного раздражающего действия S_рд, приведенная на рис.2.

Рис.2 Изменение суммарного раздражающего действия криогенной физиотерапии с различной температурой теплоносителя

Для вариантов с существенным физиотерапевтическим эффектом продолжительность периода с низким значением I_рд составляет от 77 с (при Т₁=120К) до 127 с (при Т₁=150К). Затем характер кривой S_рд = f (τ) качественно изменяется и в течение сравнительно короткого временного интервала достигается значительный рост величины S_рд.

Второй период процедуры получил название стимулирующий. Полагая, что условие перехода криогенного воздействия в стимулирующую фазу: I_рд< 1 ерд/сּм², можно по диаграмме I_рд = f (τ) определить его продолжительность. В зависимости от температуры теплоносителя продолжительность стимулирующего периода изменяется (см. табл.1).

Температура, К	90	100	110	120	130	140	150	160	170
Подготовительный, с	34	45	59	77	99	127	163	200	208
Стимулирующий, с	9	12	15	19	24	32	31	−	−
Общий, с	43	57	74	96	123	159	194	200	208

Вариант с наивысшей эффективностью имеет максимальную продолжительность стимулирующего периода. Однако, физиотерапевтический результат зависит не только от длительности второй фазы, например, несмотря на большую продолжительность стимулирующего периода при температуре газа 150 К, эффект от воздействия мал.

Низкое значение интенсивности раздражающего действия при использовании газа 160 К не позволяет оказать на кожный покров существенного раздражающего воздействия.

Для вычисления величины интенсивности раздражающего действия было предложено выражение (1.1):

Можно отметить, что в этом уравнении единственной переменной является температура поверхности эпителия. Напрашивается вывод о том, что отличия результатов воздействия связаны с различиями в изменении температуры эпителия.

Первая фаза процедуры обеспечивает снижение температуры поверхности эпителия до значений, обеспечивающих интенсивное гипотермическое раздражение холодовых рецепторов. По функциональному назначению этот период назван подготовительным.

Окончанием подготовительного периода является достижение температурного уровня 2˚С на поверхности эпителия. Процедуры с температурой газа выше 150 К не обеспечивают переход воздействия в стимулирующую фазу (см. рис.3).

Рис.3 Изменения температуры эпителия с различной температурой теплоносителя

Первая фаза воздействия направлена на охлаждение эпителия. Подготовительная фаза криотерапевтического воздействия обеспечивает понижение температуры эпителия, которое происходит за счет отвода теплоты при естественной конвекции. В зависимости от температуры теплоносителя тепловой поток с поверхности тела по результатам численного эксперимента составляет от 3 до 7 кВт/м². При температуре теплоносителя 90 К плотность теплового потока составляет 7 кВт/м², поэтомууже через 35 секунд температура эпителия снижается до 1,5 ˚С (см. рис.3).

Падение температуры поверхности оболочки и условное постоянство температуры внутренних тканей создают предпосылки для интенсивной передачи теплоты от центра к периферии, поэтому с течением времени глубина зоны с пониженной температурой увеличивается.

Рис. 4 Изменение физиотерапевтического эффекта (а) и финишных значений температуры наружной и внутренней границ оболочки тела в зависимости от температуры газа в криокамере

В зависимости от внешних условий возможны три варианта развития стимулирующей фазы процедуры. Первый вариант можно назвать экстремальной терапией. К нему следует отнести процедуры с температурой газа Т₁≤ 110 К. Для этих вариантов характерно преобладание внешнего теплоотвода над подводом теплоты из глубины оболочки. При этом быстрое падение температуры на поверхности тела не сопровождается заметным понижением температуры тканей, расположенных за жировым слоем. Моделирование криогенного воздействия прерывается из−за нарушения внешнего условия гипотермической безопасности: t_э≥ – 2 °C (см. рис. 4 б). В то же время на внутренней границе жирового слоя изменение температуры незначительно. Например, при минимальной температуре теплоносителя 90 К финишная температура эпителия составила −2 ˚С, а жирового слоя − всего 36,7 ˚С (см. рис. 4 в). Интенсивный поверхностный теплоотвод сокращает продолжительность стимулирующей фазы процедуры.

Повышение температуры газа сопровождается снижением дискомфорта. Рост температуры с 90 до 120 К снижает индекс гипотермического дискомфорта с 3,7 до 2,3 К/с. Сочетание высокой эффективности с относительной комфортностью позволяет определить диапазон температур от 120 до 140 К как оптимальный, а процедуры, проводимые в этих условиях, как криотерапевтические.

Дальнейший рост температуры вызывает резкое снижение расчетного физиотерапевтического эффекта. При температуре 150 К S_рд почти в три раза ниже максимального (см. рис..4 а), а при дальнейшем снижении температуры сравнивается по величине с результатами гипотермических процедур в ледяной воде. Процедуры этой группы (Т₁ = 150 − 190 К) справедливо отнести к гипотермии и с учетом специфики теплоотвода можно ввести понятие низкотемпературной газовой гипотермии.

Предложенная условная классификация технологических решений сделана на основе различий расчетных результатов криогенного воздействия на кожный покров (см. табл. 2).

Характеристики низкотемпературных физиотерапевтических процедур

Распределение температуры в оболочке на момент прекращения процедур иллюстрируют графики, приведенные на рис.2.4.6. В вариантах, отнесенных к криотерапии (КТ) и экстремальной криотерапии (ЭКТ), температура эпителия достигала минимально допустимого значения −2 ˚С. Вычисления прекращались из−за нарушения внешнего условия гипотермической безопасности. Переход в область низкотемпературной газовой гипотермии изменяет условия охлаждения и причиной прекращения вычислений становится переохлаждение внутренней границы оболочки до 36 ˚С.

Анализируя данные табл. 2.4.4, можно отметить следующее:

1. Экстремальная криотерапия обеспечивает рациональную организацию подготовительной фазы, так как теплопотери при Т₁= 90 К составляют 49% от запаса теплоты оболочки (см. рис. 4). При нормальной криотерапии (Т₁= 140 К) до перехода процедуры во вторую фазу теряется уже 79% теплоты. Запас неизрасходованной теплоты к началу второй фазы слишком мал, что говорит о неэффективной организации процесса охлаждения.

2. Продолжительность результативной фазы при экстремальной криотерапии составляет менее 15 с. Причиной этого является высокая интенсивность отвода теплоты с поверхности тела (см. табл. 1). При нормальной криотерапии продолжительность второй фазы увеличивается до 32 с, так как повышение температуры газа снижает интенсивность теплоотвода. Несмотря на различную продолжительность стимулирующей фазы, сопутствующие теплопотери различаются незначительно. Если время эффективного воздействия увеличивается в 2 раза (см. табл.1), то теплоотвод − лишь в 1,2 раза. В этой фазе интенсивность теплоотвода негативно сказывается на достигаемом результате, так как ускоряет процесс охлаждения эпителия до температуры, соответствующей условию внешней гипотермической безопасности процедуры:

3. Сочетание экстремального охлаждения с низкой интенсивностью теплоотвода во второй фазе позволило бы значительно увеличить достигаемый физиотерапевтический эффект. Например, если через 34 секунды воздействия при температуре теплоносителя 90 К, когда температура кожного покрова снизится до +2 ˚С, резко увеличить температуру газа, предположим, до 140 К. Неиспользованный запас теплоты в оболочке позволит значительно увеличить продолжительность результативного периода. Подъем температуры вызывает снижение плотности теплового потока с поверхности тела от 5,9 до 2,5 кВт/м². При такой плотности на отвод неиспользуемой теплоты потребуется около 100 секунд, т.е. продолжительность эффективной фазы может быть увеличена втрое. Учитывая гиперболический закон возрастания S_рд, трехкратное увеличение продолжительности повысит достигаемый эффект в 3−4 раза.

Реализовать двухфазное воздействие в групповых криотерапевтических комплексах технически невозможно, так как для быстрой смены температуры теплоносителя потребуется создавать значительные тепловые и материальные потоки в системе криостатирования, что не предусмотрено в конструкции групповых криотерапевтических комплексов.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ