Нагревательный водяной матрас для обогрева недоношенных новорожденных: физическая оценка
I. Saran, T. Ribbe, R. Tunnel
Med. & Biol. Eng. & Comput., 1993, 31, 639-643
1. Введение
Методы, использующие конвенционную теплопередачу в инкубаторах с одинарными или двойными стенками (Bell и Gladys, 1983; Cone, 1987) или использующие лучистое тепло, передающееся ребёнку лампами лучистого тепла (Bell, 1983) это два основных пути для обеспечения обогрева в лечении недоношенных или маловесных детей. Различными авторами описаны методы контактной теплопередачи с использованием нагревающихся матрасов (Hey и O'Connel, 1970; Lewis et al, 1973; Nielsen et al, 1976; Smith, 1977) и контактов "кожа к коже" (Whitelaw et al, 1988; Bosque et al,1988) . В уход за недоношенными детьми с различными целями (Kramer и Pierpoint, 1976; Korner et al, 1982, Marks et al, 1984; Topper и Stewart, 1984) были введены водные матрасы, расположенные внутри инкубатора или под лампой лучистого тепла. Эти исследователи не устанавливали, как регулировался температурный контроль воды. Недавно мы описали недорогой температурно-контролируемый HWM для обеспечения обогрева маловесных детей (Tunell и Sarman, 1986; Sarman и Tunell, 1989; Sarman et al, 1989, 1992). Было показано, что относительно поддержания температуры, лечение на HWM было эффективнее, чем в инкубаторе. Целью настоящего исследования было оценить тепловые условия на HWM при изменении температуры блока управления и окружающего воздуха.
2. Методы
2.1 Описание HWM
HWM (Детский Обогреватель B50W, KanMed, Швеция) состоит из трёх частей: матрас, нагревательная подстилка и блок управления (рис. 1).
Рисунок 1. Схематическое изображение различных частей в нагревательном водном матрасе. Men(f): микроокружающая среда у ножного конца; Men(h): микроокружающая среда у головного конца. 1: кроватка: 2: пенный матрас; 3: нагревательная подстилка; 4: водяной матрас; 5: блок управления; 6: одеяло; 7: Men(f) датчик; 8: Men(h) датчик.
Размеры матраса 60 х 35 х 5.5 см. Он сделан из поливинилхлорида и наполняется 10 литрами воды (для новой модели, представленной здесь, 4.5 л - прим. перевод.). Нагревательная подстилка размером 43 х 33 х 0.2 см и подключается к источнику питания 24 V AC и 50 W.
Нагревательный элемент представляет собой вытравленную латунную фольгу с высоким сопротивлением. Фольга защищена 23 мкм полиэстеровой плёнкой (Mylar, Тип 1, DuPont, Франция). Все компоненты заключены в гибкую, стойкую к растворителям поливинилхлоридную оболочку и запечатаны под вакуумом. Кабель вмонтирован в подстилку. Вся подстилка, кроме коннектора, водонепроницаема и устойчива к воздействию жидкостей и химических веществ, таких как этанол или хлорамин.
Нагревательная подстилка подсоединяется к блоку управления. Температура воды может быть установлена от 35 до 380С в семь шагов и температура отображается в цифровом виде.
2.2 Принцип работы
Самотестирование при включении в течение 3 с симулирует тревоги чтобы определить правильность функционирования контуров тревоги. 9V батарея в устройстве активирует тревогу при сбое питания. Регуляция температуры показана на рис. 2.
Рисунок 2. Блок-схема, отображающая водяной матрас и нагревательную подстилку.
Два термистора (NTC 1) регистрируют температуру нагревательного элемента. Контур контроля температуры сравнивает сигнал с NTC 1 с сигналом от температурного селектора S1 и это запускает T1 для управления подачей энергии на подстилку. Калибровка системы проводилась при температуре окружающего воздуха 240С.
Тревоги срабатывают, когда два термистора (NTC 2) активируются при превышении уровня предкалиброванной температуры 410С. Они выключают температурный регулятор, прекращают подачу энергии к нагревательной подстилке и включают лампочку тревоги.
Эти же термисторы показывают и недогрев (температура < 350С). Термистор NTC 3 находится в центре подстилки и имеет диаметр 3 см без каких либо нагревательных элементов. Он создан для представления температуры "воды" в матрасе и результат отображается на блоке управления.
Водный матрас и нагревательная подстилка помещаются на пенный матрас в кроватке и накрывается пелёнкой и одеялом. В клинической практике, недоношенный новорожденный, одетый в хлопчатобумажную распашонку, костюмчик и подгузник, помещается на матрас и накрывается одеялом (рис. 3).
Рисунок 3. Недоношенный ребёнок, находящийся на водяном матрасе, который помещён в обычную кроватку в неонатальном отделении.
2.3 Оценка HWM
Оценка HWM проводилась в климатической камере, в которой температура воздуха поддерживалась в диапазоне ±0.50С и относительная влажность ±2.5 процента. В климатической камере разница температур между воздухом (ta) и стенкой была меньше 0.50С. Движение воздуха в 10 см над матрасом в камере, контролируемое анемометром (DISA Тип 54N50, Dantec, Дания), составляло 0.2-0.4±0.1 м/с.
Full-scale манекен с размером и пропорциями тела маловесного новорожденного помещался на спину на HWM для имитации стандартных условий ухода. Масса тела манекена составляла 2 кг, рост 48 см и поверхность тела 0.169 m2. В процессе исследования манекен накрывался одеялом с 3 мм слоем Thinsulate-волокон (3М, США), заключённым в хлопковую простынку. Предварительно определённая изолирующая ёмкость If одеяла составила 0.42 m2 0С W-1 (). Одеяло покрывало 68 процентов всей поверхности матраса, но не голову манекена, которая оставалась непокрытой. Температура измерялась в следующих местах:
(a) Под одеялом: два датчика были прикреплены к внутренней поверхности одеяла по средней линии, 15 и 30 см от края одеяла. Средняя от этих двух температур определялась как температура одеяла tBl
(b) Воздух между манекеном и одеялом: четыре датчика были прикреплены на 1 см под одеялом без какого-либо прямого контакта с поверхностью. Они помещались на 10 и 30 см от края одеяла и на 10 см от средней линии с каждой стороны манекена. Средняя от этих температур определялась как температура микроатмосферы tMen
(c) Поверхность матраса: два датчика помещались на верхнюю поверхность по средней линии, не закрытой манекеном; один на 10 см от головного конца (вне одеяла) и другой на 10 см от ножного конца матраса. Средняя от этих температур определялась как температура поверхности матраса tMs
(d) Температура воды в матрасе: один датчик помещался близко к термистору (NTC3) в центре нагревательной подстилки. Он был предназначен для измерения температуры воды tW
(e) Температура нагревательной подстилки tHp: один датчик помещался на нагревательную часть подстилки.
Термисторы (Fenwall, Mil-T-236488, Великобритания) были откалиброваны при помощи точного ртутного термометра (Labortherm-N, Германия) в ванне с водой с температурой 200, 300 и 400С. Их погрешность составляла ±0.10С. Датчики прикреплялись при помощи липкой ленты, чтобы обеспечить хороший контакт, и подсоединялись к усилителю (DG 508, Оксфордский Университет, Великобритания). Измерения регистрировались компьютером каждую минуту.
Использовались два протокола исследования. Согласно первому протоколу климатическая камера поддерживалась при температуре 250С, в то время как температура HWM варьировала от 35 до 380С с шагом 10С. Временная постоянная 0 (Anderson и Kordel, 1977) для шага изменений 10С составляла 60 мин при нагреве и охлаждении HVM и все измерения, таким образом, продолжались 5 ч, чтобы убедиться, что достигнута уравновешенная температура. По второму протоколу температура климатической камеры варьировала от 5 до 300С, в то время как HWM был установлен на 370С. Каждое изменение проводилось с шагом 50С. Температура измерялась в уравновешенном состоянии, 12 часов после пошагового изменения ta.
Для сравнения с инкубатором измерения различных градиентов температуры в одностеночном инкубаторе (Isolette c 100, AirShields, США) проводились одновременно в такой же климатической камере при ta от 5 до 300С. Температура инкубатора была установлена на 370С. Термисторы использовались для определения, во-первых, средней температуры воздуха (три термистора по средней линии, расположенные в 10 см над поверхностью матраса и на расстоянии 15 см от каждой стороны) и, во-вторых, температуры стенки (один термистор, расположенный центрально на внутренней стороне боковой стенки).
Результаты представлены в виде среднее±стандартное отклонение.
3. Результаты
3.1 При ta =250С
В шести исследованиях температура воды в матрасе поднималась с 24 до 360С. В течение первого часа при постоянном нагреве температура воды увеличилась на 4.40С в час. В последующие перемежающиеся периоды нагревания подъём был медленнее и, после 5 ч, температура воды достигла 36±0.40С (рис. 4).
Рисунок 4. Повторяемость нагрева холодного HWM до 360С в шести независимых исследованиях при ta=250С. Непрерывная линия отражает теоретический эффект нагревания 10 литров воды с мощностью 50W в идеальных условиях (1 калория=4.19 джоулей нагревает 1 г воды на 10С за 1с, W=1 Дж с-1). tw: температура воды.
Повторяемость эффекта процедуры перестилания на HWM проверялась путём удаления одеяла от шеи к ногам манекена 5 раз, когда tW был установлен на 370С. Тело манекена было неприкрытым в течение 1 мин. Состояние уравновешения в микроатмосфере (tMen=34.8±0.10С) было достигнуто через 15 мин после того, как манекен был опять накрыт (рис. 5).
Рисунок 5. Повторное установление микроокружающей среды после раскрытия манекена 5 раз при ta=250С и tHWM=370С. Одеяло было удалено от шеи к ногам по оси. tMen: температура воздуха микроокружающей среды.
Градиенты температур в HWM, когда холодный матрас нагревался с 25 до 380С, показан на рис. 6. Градиенты температур в уравновешенном состоянии составляли 0.8±0.20С между tW (нижняя поверхность матраса) и верхней поверхностью матраса, 3.8±0.20С между tW и воздухом микроатмосферы и 7.5±0.20С между tW и внутренней поверхностью одеяла. Градиенты сохраняли одинаковые пропорции (magnitude) и имели сходные образы при всех температурных уровнях, когда HWM нагревался или охлаждался ступенчато (рис. 7). Когда отключалось электропитание, потеря тепла воды составляла 10С ч-1 в течение первых 6 ч и 0.60С ч-1 в течение последующих 4 ч (рис. 6).
Рисунок 6. Установление температурного градиента в HWM, пока матрас нагревается до 380С и охлаждение HWM в течение 10 ч нарушения электропитания при ta=250С.
Перевод:
Ambient air - окружающий воздух
Blanket - одеяло
Heating pad - нагревательная подстилка
HWM - нагревательный водяной матрас
HWM blanket - одеяло нагревательного водяного матраса
Incubator air - воздух внутри инкубатора
Incubator sidewall - боковая стенка инкубатора
Matress surface - поверхность матраса
Matress surface (foot) - поверхность матраса (ножной конец)
Matress surface (head) - поверхность матраса (головной конец)
Microenvironment - микроатмосфера
Microenvironment (foot) - микроатмосфера (ножной конец)
Microenvironment (shoulder) - микроатмосфера (уровень плеч)
Рисунок 7. Температурные градиенты в матрасе при ступенчатых изменениях установок температуры между 36 и 380С при нагревании и охлаждении соответственно.
3.2 При ta 5-300С
Градиенты температур в HWM при ambient температурных интервалах между 6 и 300С изображены на рис. 8. Температура нагревательной подстилки была постоянной при всех ambient температурах, но температура воды уменьшалась линейно. Для каждого градуса уменьшения в ta, tW снижалось на 0.08±0.010С, tMen на 0.2±0.020С и tBl на 0.5±0.060С (рис. 8).
Рисунок 8. Температурные градиенты в HWM в климатической камере при окружающей температуре от 5 до 300С.
Температуры воздуха и боковой стенки инкубатора отображены вместе с результатами HWM на рис. 9. Уменьшение температуры воздуха в инкубаторе было линейным и идентичным снижению температуры воды в HWM при ta между 30 и 150С. При ta ниже 150С температура воздуха в инкубаторе снижалась так быстро, что при ta=50С температура воздуха была 300С вместо требуемых 370С. Температура стенки инкубатора была идентичной температуре одеяла HWM при одинаковых температурах окружающей среды.
Рисунок 9. Сравнение температур в HWM и инкубаторе с одинарными стенками в климатической камере при окружающей температуре от 5 до 300С.
4. Обсуждение
Узкий терапевтический интервал температуры воздуха внутри инкубатора был продемонстрирован в нескольких исследованиях (Bruck, 1968; Hey и Katz, 1970; Katjar et al, 1976; Sulyok et al, 1973). Случайности, риск сбоев, узкий интервал температуры среды в инкубаторе привели к принятию как национальных, так и международных стандартов безопасности для инкубаторов и ламп лучистого тепла (AMIA, 1983; IEC, 1984).
Такие методы, как грелки или электрические нагревательные полстилки, не соответствуют стандартам безопасности; приводили к несчастным случаям и должны рассматриваться как небезопасные. Данный метод, термоконтролируемый нагревающий матрас, был испытан в клинических и экспериментальных условиях (Sarman и Tunell, 1989; Sarman et al, 1989, 1992; Sarman, 1992) и было показано, что температурная безопасность очень высока и что температура воды в матрасе должна поддерживаться на уровне, близком температуре тела ребёнка, чтобы избежать перегрева или переохлаждения путём контактной теплопередачи. Следовательно, температурный контроль должен быть очень точным должны применяться системы тревоги. Международные стандарты безопасности для нагревательных подстилок и матрасов разрабатываются, но пока несовершенны. В данном устройстве регуляция температуры достигается управлением температурой нагревательной подстилки. Это значит, что температура воды регулируется не напрямую, что приводит к двум эффектам.
(i) Тревога перегрева срабатывает при температуре 410С. В данной конструкции это необходимо, чтобы избежать выключения тревоги в процессе нагрева, так как нагревательная подстилка должна быть немного теплее, чем вода для достижения эффекта теплопередачи. Было бы лучше, если тревога перегрева регулировалась температурой воды и была установлена на 390С, которая является наибольшей приемлемой температурой с клинической точки зрения. Поэтому необходимо предпринимать меры предосторожности, чтобы предотвратить любой возможный контакт между нагревательной подстилкой и ребёнком.
(ii) Результаты данного исследования показали, что когда температура отклоняется от калибровочной температуры 240С, температура подогретой воды изменится примерно на 0.10С с каждым градусом отклонения окружающей температуры. Это будет отображаться на температурном дисплее матраса, хотя было бы предпочтительнее использовать температуру воды, чем нагревательной подстилки для регуляции температуры.
Градиенты в HWM во многих отношениях похожи на градиенты в инкубаторе. Также является преимуществом, что HWM способен работать при низких температурах окружающего воздуха, тогда как инкубатор в данном исследовании был не в состоянии поддерживать установленную температуру при низкой окружающей температуре вследствие больших потерь тепла с излучением от более холодных стенок при ta ниже 150С.
Использование нагретой воды в контактной теплопередаче подходит больше, чем использование нагревательных подстилок, так как тепло равномерно распределяется по воде и устраняется хорошо известный риск неравномерного нагревания при использовании теплоодеял или электрических подстилок. В данном исследовании вода оставалась неподвижной, так как манекен не двигался. Когда на HWM находится ребёнок, движения тела вызывают движение воды и приводит к уменьшению температурного градиента внутри матраса.
Невысокая мощность HWM несёт как преимущества, так и недостатки. Один из недостатков это то, что устройству требуется большое время для нагрева воды (примерно 5 ч при ta 250С). Преимущество в том, что устраняются опасные флюктуации температуры воды. Использование воды является фактором безопасности. Высокая способность к сохранению тепла 10 литрами воды означает, также, что прекращение функционирования нагревательной подстилки не приводит к немедленному охлаждению ребёнка. Процесс остывания занимает несколько часов.
В последние годы HWM был испытан в клинических исследованиях и был признан надёжным (Sarman и Tunell, 1989; Sarman et al, 1989, Sarman, 1992). Принципы работы устройства могут быть улучшены для увеличения точности температурного контроля. Устройство HWM просто и дёшево и является альтернативой инкубаторам и методике "кенгуру" в уходе за недоношенными детьми.
Благодарность - Это исследование поддерживалось грантами Шведского Совета по Медицинским Исследованиям. Автор обязан профессору Ингвару Холмеру и Хакану Нильссону, инженеру Шведской Национальной Коллегии Профессионального Здоровья, Сольна, Стокгольм, за предоставление технических ресурсов и ценную помощь в анализе данных.
Литература
AMIA (1983) Draft standard for infant incubators. Association for the Advancement of Medical Instrumentation, Nov. 1983.
ANDERSSON, L. E. and KORDEL, L. (1977) In Praktisk reglerteknik. CORNELIUS, Y. S. (Ed.), Esselte Studium AB, 9-11.
BELL, E. (1983) Infant incubators and radiant warmers. Early Human Dev., 8, 351-375.
BELL, E. and GLADYS, R. R. (1983) A double-walled incubator alters the partition of body heat loss of premature infants. Pediatr. Res., 17, 135-140.
BOLIN, D., HOLMER, I., SARMAN, I. and TUNELL, R. (1989) The use of an 'infant thermal mannikin' for the assessment of different neonatal heating equipments for premature newborn babies. In Images of the 21st century. Proc. llth Ann. Int. Conf. IEEE Eng. in Med. & Biol. Soc., Seattle, Washington, 8th-12th Nov., 252-253.
BOSQUE, E. M., BRADY, J. P., AFFONSO, D. D. and WAHLBERG, V. (1988) Continuous physiological measures of Kangaroo versus incubator care in a tertiary level nursery. Pediatr. Res., 23, Part 2, 402 A, Abstract 1204.
BRUCK, K. (1968) Which environmental temperature does the premature infant prefer0 Pediatr., 41, 1027-1030. CONE, T. E. (1987) Historical perspective. Med. Instrum., 21, 3-10.
HEY, E. and KATZ, G. (1970) The optimum thermal environment for naked babies. Arch. Dis. Child., 45, 328-334.
HEY, E. and O'CONNELL, B. (1970) Oxygen consumption and heat balance in the cot-nursed baby. Arch. Dis. Child., 45. 335-343. IEC (1984) Electrical equipment in medical practice. ISE 601-2-19, Technical Committee 62, International Electrotechnical Commission,Geneva.
K.ATJAR, P., JEQUIER, E. and PROD'HOM, L. S. (1976) Heat losses in newborn infants of different body size measured by direct calorimetry in a thermoneutral and a cold environment. Biol. Neonat., 30, 55-65.