Adjustable partial body cryotherapy

Full Text

Общее газовое криотерапевтическое воздействие (ОГКВ, криовоздействие) — это интенсивное охлаждение большей части поверхности тела человека длительностью от 3 до 6 минут с целью достижения ответной реакции (усовершенствованное «закаливание организма»).

Недостаточная точность дозирования охлаждения объекта существенно влияет на потребительские характеристики: на снижение температуры кожи и однородность охлаждения [1]. При охлаждении различных людей применяется один и тот же режим подачи газа. Это приводит к тому, что при одинаковой длительности криовоздействия у различных людей достигается различная средняя температура поверхности, а также наблюдается значительная неоднородность в охлаждении торса и конечностей (более 10 К). Изменение длительности при этом не снимает проблемы неоднородности охлаждения. При этом, установку для врача можно трактовать как «черный ящик». В итоге, на практике — «слепая эмпирика», сопровождающаяся недостаточными длительностью и точностью криовоздействия. Следовательно, необходимо определить диапазон режимов подачи газа и техническая возможность для проведения медико-биологических исследований по учету различий в телосложении и других особенностей человека.

Кроме того, низкая энергетическая эффективность выполнения ОГКВ существенно влияет на основной технико-экономический показатель — себестоимость. Анализ источников подводимой к азоту теплоты показал, что около 70% ее затрачивается на потери. Это связано с тем, что используются эмпирические условия подачи газа к человеку (скорость, направление потока, форма и расположение каналов), имеются высокие теплопритоки из-за недостатков конструкции. Следовательно, необходимо провести теплофизические исследования границы человек-окружающая среда, совершенствовать блоки охлаждения и снижать теплопритоки.

Литературный поиск показал, что готовых решений вышеперечисленных проблем не известно. Предложено изменить принцип создания оборудования для ОГКВ от погружения объекта (человека) в хладоноситель до регулируемой его подаче к объекту с обратной связью по температуре поверхности. Критерии точности регулирования:

1. отличие достигнутой конечной средней температуры от заданной (ошибка);
2. разница средних температур на участках поверхности кожи человека (однородность).

Были подготовлены модели ОГКВ (объекта и оборудования) и, соответствующая им, компьютерная программа расчета [2]. На их основе был проведен расчет режимов подачи охлаждающего газа. Использованы следующие возможности программы расчета: прогнозирование произвольного воздействия (тепловой поток, температура поверхности, скорость и температура газа), проектирование оборудования с использованием цифрового двойника. Использованы следующие критерии выбора режима: повышение однородности конечной температуры компартментов (торс и конечности), снижение потребления жидкого азота. Общий поток теплоты от человека к газу не является критерием выбора режима. Получен диапазон режимов для объектов различного телосложения. Разница температуры компартментов от 4 до 10 К. Расчетное потребление жидкого азота в установившемся режиме от 8 до 14 г/сек (до 16 минут работы от одного сосуда Дьюара объемом 25 литров). Следовательно, на основе моделей объекта и оборудования было подготовлено средство прогнозирования крио- воздействия.

К разрабатываемой установке были выдвинуты следующие технические требования:

1. Расчетная длительность охлаждения (подача газа) до 7 минут.
2. За первые 30 секунд температура газа на входе в исполнительное устройство должна достигнуть значений не выше минус 60 °C.
3. Далее температура газа на входе в исполнительное устройство должна иметь возможность поддерживаться до минус 180 °C. Система регулирования должна иметь возможность менять температуру подаваемого газа в зависимости от текущих требований алгоритма. В том числе иметь регулирование частоты вращения вентилятора и средства направленной подачи газа.
4. Для обеспечения поддержания необходимого количества охлаждающего газа в исполнительное устройство и выполнения требований эргономики объем внутреннего пространства исполнительного устройства должен быть не менее 1 м3.
5. Расход жидкого азота при проведении воздействия не должен превышать 2,2 литра в минуту.
6. Установка должна иметь средства контроля температуры поверхности объекта охлаждения.

По результатам выполненных работ была изготовлена установка [1, 3] и проведены ее испытания:

1. Апробирован диапазон регулируемых режимов подачи газа.
2. Достигнуто повышение однородности охлаждения (признаки — в среднем минимальная температура выше до 5 К, диапазон значений температуры поверхности уменьшен до 25%, выражен характерный пик).
3. Расхождение между расчетом и экспериментом по средней температуре поверхности было не более 1,2 К.

Предложены алгоритмы выполнения регулируемых режимов ОГКВ [1]. Алгоритм выполнения режимов ОГКВ — последовательность изменения степеней свободы при одновременно конвективном и радиационном охлаждении объекта, которая характеризуется упрощенно режимом подачи газа в исполнительное устройство.

Разработанная конструкция позволяет конфигурировать режим подачи газа согласно цели произвольного криовоздействия, изменяя:

1. частоту вращения вентилятора от 10 до 50 Гц (расход газа);
2. расход жидкого азота от 10 до 30 гр./сек (расход и температура газа);
3. направление потока приточной струи;
4. длительность криовоздействия.

Возможно как повышать однородность охлаждения, так и регулировать криовоздействие локально. Подбор конкретных значений параметров режима охлаждения необходимо проводить в рамках медико-биологических исследований, для которых подготовлена основа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведённых исследований и разработок предложены научные основы совершенствования процессов и аппаратов установок ОГКВ и подготовлен комплекс оборудования по исследованию и выполнению регулируемого криовоздействия, в составе которого:

1. Компьютерная программа прогнозирования результата ОГКВ. Она предоставляет данные по температуре и тепловому потоку для проверки выполнения задачи криовоздействия. Расхождение расчетных и экспериментальных данных по средней температуре кожи не более ± 1,2 К.
2. Установка, выполняющая регулируемое ОГКВ.

Решение поставленной проблемы и последующее внедрение изложенных технических решений сделает возможным импорт-независимое лечебное и профилактическое применение индивидуализированного закаливания организма, в первую очередь необходимое людям, работающим в опасных, экстремальных условиях. Его эффект заключается в снижении рисков при воздействии опасных факторов профессиональной деятельности, в повышении качества жизни и в увеличении производительности труда, что необходимо для развития общества и государства в социально-экономических условиях XXI века.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00018, https://rscf.ru/project/22-19-00018/.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The author declare that they have no competing interests.

Funding source. This work was supported by the Grant of the Russian Science Foundation №22-19-00018, https://rscf.ru/project/22-19-00018/.

About the authors

Alexey V. Shakurov

Author for correspondence.
Email: shakurov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6110-8101
SPIN-code: 1894-4707

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor

References

Supplementary files