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»

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ АППАРАТУРЫ ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ФИЗИОТЕРАПИИ

Выбор номинальной температуры газа в процедурной кабине является основным направлением оптимизации технологии криогенного физиотерапевтического воздействия.  Результатом исследований связи величины физиотерапевтического результата процедур с температурой в процедурной кабины, стала новая классификация низкотемпературных процедур.  Было показано, что не все процедуры, основанные на использовании низкотемпературных газовых сред, можно относить к криотерапии (см. табл.1).

Таблица 1

Низкотемпературные физиотерапевтические процедуры.

Рис. 1 График зависимости величины физиотерапевтического эффекта достигнутого на единице поверхности тела (ерд/м²), при разных значения температуры газа в процедурной кабине.

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, используют для охлаждения жидкий азот, разработаны и производятся в России.   Альтернативное направление – аппараты для групповых процедур  представлены  в табл. 3. Групповые системы снабжены компрессионными охладителями. Установка, поставляемая компанией «Криотек» (Москва), криосауна «КРИО СПЕЙС» является продуктом немецкой фирмы «Medizintechnik Kirscheman + Sweizer».   Охладитель этой установки представляет собой трехкаскадную холодильную машину.    

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 смесях.

Таблица 2.

Технические характеристики производимых в России индивидуальных криотерапевтических комплексов.

Технические данные таблицы 2 показывают, что по номинальной температуре оба индивидуальных комплекса относятся к криотерапевтической аппаратуре.  Правда, некоторая неопределенность в температурном уровне комплекса «КРИОМЕД-20/150-01» позволяет отнести его к любой из выделенных в табл.1 групп, но в принципе это аппарат обеспечивает достижение температур криотерапевтического диапазона. Кабина комплекса «КРИОМЕД-20/150-01» в два раза больше по объему. С учетом  температурного уровня и объема кабины у этого комплекса выше расход жидкого азота. Незначительная мощность электрооборудования индивидуальных криотерапевтических комплексов,  объясняется тем, что основным источником холода в этих аппаратах является жидкий азот. Использование жидкого 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.

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 физиотерапии. Основной причиной завышенного температурного уровня является использование в системах охлаждения компрессионных холодильных циклов. Из-за низкой эффективности системы охлаждения в области криогенных температур, в процедурной кабине автономных криотерапевтических комплексов поддерживается температура не ниже 150 К (  ~ -120 ˚ С), поэтому групповые системы представленные в табл.3 следует к устройствам для низкотемпературной газовой гипотермии.

Незначительные на первый взгляд различия в температурном уровне криостатирования внутреннего объема процедурной кабины приводят к тому, что автономные установки не  обеспечивают условий для достижения  существенного физиотерапевтического результата. Учитывая то, что стоимость автономных аппаратов с компрессионными системами охлаждения составляет не менее 100 тыс. $, лечебные учреждения должны быть, предупреждены об их неэффективности.

Температура  газа в процедурной кабине  является определяющей характеристикой криотерапевтического комплекса, только в том случае, если система охлаждения способна поддерживать заданный температурный уровень на всех этапах работы комплекса. Оценить способность системы охлаждения криостатировать зону криовоздействия, можно при сопоставлении тепловыделений в ходе процедуры и холодопроизводительности системы криостатирования.

Криогенное физиотерапевтическое воздействие обеспечивается за счет интенсивного охлаждения поверхности кожи до  температуры от –2 до +2  ˚С. Для этого от поверхности тела необходимо отвести около 600 кДж теплоты за 2-3 минуты. В среднем с поверхности тела в объем процедурной кабины выделяется более 3 КВт теплоты, для сохранения температуры газа на заданном уровне необходима система охлаждения с достаточной теплоотводящей способностью. Но, из-за низкого температурного уровня, на котором необходимо отводить теплоту (от –150 до –130˚С) энергетическая эффективность охлаждающей аппаратуры крайне мала.  На рис. 2 приведены графики зависимости эксергетического КПД для холодильного цикла на газовых смесях и  каскадной холодильной машины [1]. Там же приведена зависимость    эксергетического КПД для наиболее эффективного в данной области температур охлаждающего устройства - криогенной газовой машины. Для холодильных циклов используемых в групповых установках КПД настолько быстро снижается в области температур менее –100˚С,   что поддержание температуры даже на заявленном в табл.3 уровне представляется достаточно сомнительным. 

Допуская, что современные холодильные циклы несколько эффективнее,  чем  циклы описанные в [1] следует оценить энергетические требования к системе охлаждения в случае применения  наиболее эффективного конструктивного исполнения.

Из приведенных  на рис.2 графиков видно, что  криогенная газовая машина газовая машина может быть использована в качестве идеального охладителя криотерапевтического комплекса. Во всем рекомендованном для применения в криотерапевтических установках диапазоне температур  ее эксергетический  КПД имеет удовлетворительные значения и значительно превосходит параметры холодильных циклов.

Рис. 2  Изменение эксергетического КПД охладителей при снижении уровня криостатирования (КГМ- криогенная газовая машина, ГСм -холодильный цикл на газовых смесях, КХМ- каскадная холодильная машина).

Рис. 3 Удельная холодопроизводительность  криогенной газовой машины при низких температурах.

 Для того чтобы отвести из объема процедурной кабины 1 КВт теплоты потребуется криогенная газовая машина с потребляемой электрической мощности от 4 до 6 КВт. Для компенсации средних за процедуру выделений теплоты от поверхности тела одного пациента (3 КВт) необходим агрегат с установленной электрической мощностью не менее 12 –  18 КВт.  В реальных криотерапевтических устройствах использовать  криогенную газовую машину нельзя, поэтому полученный результат пригоден только для обозначения минимальных потребностей в затратах энергии.

Исходя из полученного результата, можно оценить работоспособность криотерапевтических комплексов представленных на рынке медицинской техники России, проиллюстрировать их потребительские качества.

ПРИВЕДННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Учитывая существенные различия  в принципе действия, размерах и конструкции сравниваемых объектов, для оценки их работоспособности целесообразно воспользоваться  приведенной характеристикой – мощность привода системы охлаждения отнесенной к единице объема процедурной  кабины. Не только для объектов приведенных в таблицах  2 и 3, но и для любых других аппаратов аналогичного назначения  нетрудно определить приведенную мощность системы охлаждения. Затраты электроэнергии всегда приводятся в рекламных материалах. Для аппаратуры потребляющей электроэнергию приведенная мощность определится из отношения:

В системах охлаждения потребляющих жидкий азот, используется энергия затраченная при производстве криоагента. Для сравнения аппаратов с жидкостными и компрессионными охладителями можно понятие адекватной электрической мощности. Под адекватной мощностью подразумевается мощность  электропривода идеального охладителя, обладающего  аналогичной, с жидкостным охладителем, холодопроизводительностью. При заданной температуре криостатирования средний расход криоагента, позволяет определить холодопроизводительность жидкостного охладителя:

По известным теплофизическим данным жидкого азота можно подсчитать, что азотный охладитель при затратах азота 1 кг/мин и температуре в кабине –130˚С обеспечивает отвод теплового потока мощностью в 4 КВт.

Рис.4 Адекватной мощности электропривода для жидкостных охладителей с расходом азота от 1 до 2 кг/мин.

Рис. 5  Приведенная мощности [ КВт/м³] систем охлаждения  для групповых и индивидуальных криотерапевтических систем.

        Огромные различия  сравниваемых комплексов по величине приведенной мощности, позволяют сделать вывод о том, что групповые процедуры не пригодны для  проведения криотерапевтических процедур не только из-за высокой температуры в кабине, но и по энерговооруженности.

         На математической  модели кабины криотерапевтического комплекса [2] был выполнен численный эксперимент по исследованию зависимости эффективности процедур от приведенной мощности системы охлаждения.  

Для повышения наглядности результатов анализа было сделано несколько упрощающих допущений.  Предполагается, что к началу процедуры  температура в кабине составляет –130 ˚ С,  пациент является единственным источником теплоты.

При моделировании работы системы охлаждения учитывалась зависимость КПД от температуры в кабине. Результаты  моделирования процессов в процедурной кабине представлены на рис.6. 

Рис.6 Изменение температуры газа в кабине комплекса после начала процедуры при различных значениях приведенной мощности системы охлаждения.

При малых значениях приведенной   мощности системы криостатирования, сразу после начала процедуры температура газа в кабине быстро повышается.  Мощный тепловой поток с поверхности тела пациента превышает холодопроизводительность системы охлаждения. Нарушение теплового баланса приводит к тому, что газ в процедурной кабине разогревается со скоростью до 20 К/с. Температура повышается до тех пор, пока холодопроизводительность системы охлаждения не уравновесит тепловыделения от пациента. Так как при увеличении температуры криостатирования возрастает эффективность охладителя, для любого значения приведенной мощности существует температура теплового равновесия. В варианте с приведенной  мощностью 2 КВт/м³ такое равновесие достигается лишь при температуре –80 ˚С, т.е. фактическая температура газа оказывается на 50˚С выше оптимальной.  Приведенная мощность компрессионных  систем охлаждения (см. рис.5) имеет тот же порядок, следовательно, температура газа во время процедуры должна существенно возрастать. Дефицит мощности системы охлаждения настолько велик, что даже заявленный производителями температурный уровень температур, не может поддерживаться на практике. Для компенсации малой мощности системы охлаждения используются большие перерывы между процедурами. Так, за час отпускается лишь 4 процедуры по 4 минуты, т.е. общая продолжительность процедур всего 16 минут. Следовательно, между процедурами предусмотрена пауза  продолжительностью не менее 10 минут. Только за такое время маломощная система криостатирования способна  восстановить температуру в процедурной кабине. Для того, чтобы процедура протекала в расчетном температурном режиме, необходимо  увеличение приведенной мощности до 10 КВт/м³. 

На практике кроме подвода теплоты от тела пациента система охлаждения покрывает тепловыделения от стенок кабины, компенсирует теплоприток связанный с потерями холодного воздуха через двери и т.д. Действительная тепловая нагрузка в 1,5 – 2 раза больше величин использованных для анализа, поэтому работоспособность  компрессионных охладителей представляется спорной. В любом случае, ни по заданному температурному уровню, ни по энерговооруженности эти аппараты не могут рассматриваться, как оборудование для общей криотерапии.

Для успешной работы комплекс с компрессионным охладителем надо снабдить системой охлаждения в несколько раз мощнее. Например, для камеры объемом 8 м³ необходимо оснастить системой охлаждения с мощностью не менее 120 КВт. Но, такое увеличение мощности приведет к многократному увеличению стоимости оборудования. Кроме того, не в каждом лечебном учреждении можно подключить аппарат с потребляемой мощностью в 100 – 150 КВт.

Рис.7  Стоимость (в тыс. $) низкотемпературных физиотерапевтических комплексов

Расход жидкого азота в комплексах с жидкостной системой  охлаждения многократно перекрывает тепловыделения пациента, что гарантирует эффективное физиотерапевтическое воздействие. Запас холодопроизводительности  позволяет покрыть тепловые потоки, которые не были учтены в приведенном выше анализе, охлаждение стенок кабины, компенсация потерь холодного газа из кабины  при входе и выходе пациента, теплопритоки из окружающей среды.

Рис. 8 Пропускная способность (число пациентов за 1 час) низкотемпературных физиотерапевтических комплексов.