Local cryotherapy investigation on the biotissue phantom

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Локальное криовоздействие – один из методов физиотерапевтического лечения [1]. С точки зрения теплообмена, ЛКТ – это процесс отведения теплоты от локальной области биоткани и, следовательно, снижение температуры. При этом достигаются различные эффекты, основные из которых: обезболивание и уменьшение воспаления [2, 3]. В настоящей работе сделан акцент на болезнях суставов, относящихся к патологиям костно-мышечной системы. Указанные болезни являются одной из основных причин инвалидизации населения и главным фактором, обуславливающим потребность в реабилитационных услугах [4, 5]. Актуальность выбора области воздействия подчеркивается, изложенными ниже зарубежными и Российскими исследованиями. Дашина Т.А. и Агасаров Л.Г. изучали эффективность воздействия льдом при 0 °С, потоками воздуха при минус 30 °С и углекислого газа под давлением при минус 78 °С. Были обследованы 150 пациентов с остеоартрозом коленного и тазобедренного сустава II—IV стадии. Авторы [6] пришли к выводу о сопоставимости всех способов ЛКТ с нестероидными противовоспалительными препаратами по влиянию на «функцию» и превосходство их по воздействию на «боль» и «скованность» в суставах. Jin Park исследовал влияние ЛКТ на силу разгибателей коленного сустава и способности балансировать у 7 пациентов с тотальным эндопротезированием коленного сустава. Было показано [7], что применение данного метода после реабилитационных упражнений улучшает показатели мышечной силы. Исследование X. Guillot и соавторов было направлено на изучение терапии криопакетами и потоком углекислого газа под давлением при минус 78 °С на воспаление при артрите в коленном суставе. Результаты [8, 9] показали снижение уровня синовиального белка IL-6, IL-1β и VEGF и уменьшение воспаления. F.G. Oosterveld и J.J. Rasker исследовали влияние локального охлаждения и нагревания поверхности кожи на внутрисуставную температуру у пациентов с артритом коленного сустава. Для пациентов первой группы применялись криопакеты со льдом при 0 °C в течение 30 минут на передней, медиальной и латеральной частях колена. Для второй группы использовался обдув парами азота в течение 6,5 минут при температуре -160 °С. Температура поверхности кожи в первом случае снизилась с 32,2±0,5 до 16,0±1 °С, во втором – с 32,6±0,4 до 9,8±1,4 °С. Внутрисуставная температура при этом уменьшилась с 35,5±0,4 до 29,1±1,1 °С и с 35,8±0,4 до 32,5±0,8 °С соответственно (см. [10]). Y.H. Kim и соавторы в [11] исследовали воздействие обдува воздушного потока при -30 °С в течение 5 минут в области коленного сустава на внутрисуставную и поверхностную температуры. Температура поверхности кожи снизилась с 31,8±1,0 до 9,7±2,9 °С. Внутрисуставная температура с 33,9±1,2 °С начала уменьшаться во время процедуры и продолжила снижаться после, достигнув минимума 30,0±1,8 °С через 30 минут. A. Radecka и соавторы (см. [12]) исследовали изменение температуры поверхности кожи в области коленного сустава в ответ на 3-минутное воздействие парами жидкого азота с расстояния 10–15 см, холодным воздухом с расстояния 2-5 см и криопакетом, наполненным кубиками льда общей массой 1,1 кг. Температура после процедуры снизилась с 29,18±1,11 до 19,02±2,07 °С, до 22,55±2,28 °С и до 21,52±1,36 °С при охлаждении парами азота, воздухом и криопакетом соответственно. Пары азота вызвали самое большое понижение температуры, тогда как охлаждение воздухом и криопакетами со льдом отличалось друг от друга незначительно по итоговой температуре.

Проводятся и другие исследования в данном направлении [13–18], но в основном они все сосредоточены на выявление того или иного эффекта без привязки к целевой температуре поверхности области воздействия и необходимым режимам различных способов ЛКТ. Проведенный нами анализ показывает, что целевая температура поверхности кожи составляет 10±2 °С, предельная – 0 °С, при опускании ниже которой возможно повреждение тканей. Основываясь на данных значениях, авторы провели исследование ЛКТ контактным способом с использованием криопакетов и выявили наиболее подходящий режим [19]. В рамках настоящей работы рассматриваются бесконтактные способы ЛКТ обдувом парами жидкого азота и воздуха.

ЦЕЛЬ

Целью данной работы является экспериментальное сравнение и выявление наиболее подходящих режимов двух различных способов бесконтактной ЛКТ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В настоящем исследовании проведена серия экспериментов по охлаждению модельной среды – геля для ультразвуковых исследований с теплофизическими свойствам, близкими к биотканям [20, 21]. Был разработан и создан экспериментальный стенд с возможностью исследования характеристик различных режимов бесконтактных способов ЛКТ (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментального стенда. Первый модуль: Система создания и поддержания начальной температуры модельной среды: 1 – жидкостный термостат (Termex, M01MB); 2 – насос (KNF, PML13229-NF 60); 3 – внешняя стеклянная емкость, по которой циркулирует вода. Модельная среда: 4 – модельная среда в стеклянной емкости 90x90x100 мм. Система крепления: 5 – крепежная система температурных датчиков. Измерительная система: 6 – термометры сопротивления Pt100; 7 – вторичный преобразователь – модуль аналогового ввода (ОВЕН, МВ110); 8 – ПК. Второй модуль: 9 – штатив с лапкой; 11 – система для выдачи азота (ООО "Криогенные приборы scientific director of the research ", LNS-150W48V-PT-PS-LSCOM); 12 – теплоизолированный шланг; 13 – сосуд Дьюара (ООО "НПО "Криомаш", СПД 25/60); 14 – экспериментальный аппарат для локальной воздушной криотерапии (АО "ЦНИИ "Курс", ЛАКТ 1000).

Измерение температуры происходило термометрами сопротивления Pt100 на поверхности и на глубине 8 мм. Это значение больше толщины кожного покрова человека, составляющей от 0,5 до 5 мм в зависимости от участков тела. В качестве способов ЛКТ были выбраны азотный и воздушный обдув. Последовательность проведения эксперимента состояла из следующих этапов. Происходило позиционирование емкости с модельной средой с установленными заранее датчиками во внешнюю емкость. Далее выполнялось предварительное позиционирование второго модуля относительно емкости с модельной средой. Включалась измерительная система с программой считывания данных и запускалась циркуляция воды через внешнюю емкость. Нагрев модельной среды до условно принятой средней температуры целевой области биоткани (30 °С) контролировался с помощью датчиков. После достижения по всему объему заданной температуры выполнялось позиционирование второго модуля на воздействие – начало обдува поверхности. Осуществлялся мониторинг понижения температуры на поверхности и на глубине до принятых целевого и предельного по безопасности значений. В случае достижения предельного по безопасности значения 0 °С на поверхности модельной среды или же стабилизации температуры до минимального значения на поверхности/глубине эксперимент завершался. Полученные данные сохранялись и обрабатывались.

Азотная ЛКТ

В рамках бесконтактного способа охлаждением парами азота исследовались режимы на основе варьирования расстояния от насадки до модельной среды и кратности воздействия в виде постоянного или импульсного потоков. Расход азота был постоянным и равнялся 30 л/мин, температура паров жидкого азота на выходе из насадки достигала -90 °С из-за потерь теплоты в подводящем шланге. Использовалась стабильная методика воздействия с фиксацией насадки относительно поверхности модельной среды. Диаметр насадки был равен 12 мм. Исследовались следующие режимы: 1) постоянное охлаждение на расстоянии 10 см от насадки до поверхности воздействия; 2) постоянное охлаждение на расстоянии 15 см от насадки до поверхности воздействия; 3) импульсное охлаждение на расстоянии 15 см до поверхности в виде 3-минутного обдува с 1-минутным отогревом. Охлаждение шло до тех пор, пока температура на поверхности модельной среды не достигало 0 °С. Дальнейшее понижение температуры приводило к кристаллизации модельной среды.

Воздушная ЛКТ

В рамках бесконтактного способа охлаждения потоком воздуха исследовались режимы на основе варьирования расстояния от насадки до модельной среды и расхода. Использовалась стабильная методика воздействия с постоянным потоком с фиксацией насадки относительно поверхности модельной среды, температура воздуха на выходе из насадки составляла -30 °С, диаметр насадки был равен 10 мм. Исследовались следующие режимы: 1) расстояние 10 см от насадки до поверхности с расходом воздуха 350 л/мин; 2) расстояние 10 см от насадки до поверхности с расходом воздуха 740 л/мин; 3) расстояние 15 см от насадки до поверхности с расходом воздуха 350 л/мин; 4) расстояние 15 см от насадки до поверхности с расходом воздуха 740 л/мин. Охлаждение проводилось до стабилизации минимальной температуры на поверхности, заключающейся в скорости снижения температуры поверхности менее чем на 0,2 °С/мин.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведено по три повторных эксперимента каждого режима для подтверждения воспроизводимости результатов. Расхождение по температуре в абсолютном значении не превышало 0,5 °С, что является приемлемым. Далее описаны и показаны усредненные полученные результаты в виде графика для азотной (рис. 2) и воздушной ЛКТ (рис. 3).

Рис. 2. Изменение температуры модельной среды при азотной ЛКТ.

Рис. 3. Изменение температуры модельной среды при воздушной ЛКТ.

Азотная ЛКТ

При охлаждении с расстояния 10 см от поверхности температура 10 °С была достигнута за 1,8 мин воздействия, 0 °С – за 4,5 мин. За это время температура на глубине 8 мм понизилась до 26,4 °С и до 19,7 °С соответственно. С расстояния 15 см температура поверхности понизилась до 10 °С за 4,4 мин, а до 0 °С – за 15 мин. При этом температура на глубине составила 23,7 и 13,6 °С соответственно. При импульсном режиме поверхностная температура понизилась до 10 °С за 5,5 мин, до 0 °С – за 10,8 мин. На глубине 8 мм температура понизилась до 23,5 °С и до 16,8 °С соответственно. Форма зоны охлаждения представляла форму круга, размеры зависели от расстояния насадки до поверхности модельной среды. Для расстояния 10 см радиус составлял 12 см, для расстояния 15 см – 18 см.

Воздушная ЛКТ

При охлаждении с расстояния 10 см от поверхности с минимальным расходом температура 10 °С была достигнута за 13,3 мин воздействия, а минимальная температура составила 8,6 °С на 21,5 мин. За это время температура на глубине 8 мм понизилась до 16,0 °С и до 13,9 °С соответственно. При охлаждении с расстояния 10 см от поверхности с максимальным расходом температура 10 °С была достигнута за 2,5 мин воздействия, минимальная температура составила 6,9 °С через 8 мин. Температура на глубине 8 мм понизилась до 22,9 и 15,0 °С соответственно. При охлаждении с расстояния 15 см с минимальным расходом температура поверхности снизилась до 16,5 °С за 17,5 мин, температура на глубине 8 мм составила 21,1 °С. Дальнейшее изменение температуры было незначительным. В случае обдува с расстояния 15 см с максимальным расходом, температура достигла минимального значения 11,1 °С за 4,8 мин, а на глубине 8 мм температура снизилась до 20,9 °С.

ОБСУЖДЕНИЕ

Азотная ЛКТ

Наибольшую скорость охлаждения поверхности способом распыления парами азота показал режим с постоянным потоком на расстоянии 10 см от поверхности. Однако более медленное охлаждение на поверхности с расстояния 15 см привело к более сильному охлаждению на глубине модельной среды. Этот эффект потенциально будет положителен при ЛКТ суставов при лечении болезней КМС, когда важно внутрисуставное понижение температуры. Время, за которое температура поверхности опустилась до 0 °С при импульсном охлаждении, было меньше на 4,2 мин по сравнению с постоянным охлаждением, а температура на глубине 8 мм выше на 3,2 °С. При исследуемом импульсном режиме во время естественного отогрева, температура поверхности повышалась на 4–5 °С, в то время как температура на глубине изменялась незначительно – менее 1 °С. При импульсном режиме с 3-х минутным охлаждением и 1-минутным естественным отогревом, температура поверхности снижается быстрее, а на глубине медленнее по сравнению с постоянным обдувом.

С точки зрения достижения целевой на поверхности и минимальной на глубине температур наиболее подходящий режим оказался режим со стабильной методикой воздействия с постоянным потоком с фиксацией насадки относительно поверхности модельной среды на расстоянии 15 см от насадки до поверхности воздействия с возможным временем воздействия от 4,4 до 15 мин.

Воздушная ЛКТ

Менее интенсивный поток (350 л/мин) позволил сильнее снизить температуру внутри модельной среды, при этом слабее воздействуя на поверхность. В случае проведения ЛКТ способом охлаждения парами жидкого азота наблюдалась подобная указанному режиму тенденция. Как уже было замечено, этот эффект потенциально будет положителен при ЛКТ суставов. Результаты показывают, что чем меньше скорость охлаждения, тем меньше разница между температурой на поверхности и внутри модельной среды. При недостаточной мощности охлаждения, температура на поверхности не доходит до целевого значения 10 °С, выбранного из условий эффективности. Из-за этого температура внутри модельной среды не достигает своего минимального значения и эффективность вероятно будет снижаться.

С точки зрения достижения минимальной температуры на глубине наиболее подходящий режим оказался режим со стабильной методикой воздействия с постоянным потоком с фиксацией насадки относительно поверхности модельной среды на расстоянии 10 см от насадки до поверхности воздействия с минимальным расходом воздуха (350 л/мин) с возможным временем воздействия от 13,3 до 21,5 мин.

Ограничения исследования

При азотной ЛКТ стоит учитывать, что результаты справедливы при данных температуре воздействия и расходе (30 л/мин) в системе выдачи. При других значениях расхода расстояние и время воздействия необходимо регулировать. Следует учитывать, что должна выполняться тенденция в сторону увеличения расстояния между трубкой и обдуваемой поверхностью, так как это приводит к более щадящему охлаждению поверхности и более глубокому охлаждению внутренней области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее эффективным и безопасным из исследованных способов локального криовоздействия является локальная воздушная криотерапия, так как вызывает наименьшее снижение поверхностной температуры и наибольшее ее снижение внутри фантома биоткани. Этот эффект потенциально положителен при воздействии на коленный сустав при приоритетном внутрисуставном охлаждении. При выборе режима охлаждения для любого способа локального криовоздействия, следует опираться на то, что более длительное воздействие приводит к наибольшему охлаждению на глубине. Ограничения по времени вызваны возможностью переохлаждения поверхности обрабатываемой зоны.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Н.Ю. Саакян — разработка экспериментальных стендов, проведение экспериментальных исследований, анализ экспериментальных результатов, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; А.В. Пушкарев — руководство исследованием, участие в проведении экспериментальных исследований, обработка экспериментальных результатов, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Исследование выполнено при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-3631.2022.1.2).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. N.Y Saakyan — development of experimental installations, conducting experimental studies, analysis of experimental results; A.V. Pushkarev — scientific director of the research, participation in experimental research, processing of experimental results. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Funding source. This work was supported by the Grant of the President of the Russian Federation for state support for young Russian scientists-candidates of science (MK-3631.2022.1.2)

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

About the authors

Natalia Y. Saakyan

Author for correspondence.
Email: natali.saakyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6799-5450
SPIN-code: 4390-3138

Student

Aleksandr V. Pushkarev

Email: pushkarev@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1737-7838
SPIN-code: 5796-8324

Leading Engineer, Cand. Sci. (Tech.)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. The scheme of the experimental installation. The first module: System for creating and maintaining the model medium initial temperature: 1 – liquid thermostat (Termex, M01MB); 2 – pump (KNF, PML13229-NF 60); 3 – external glass container through which water circulates. Model medium: 4 – model medium in a glass container 90x90x100 mm. Fastening system: 5 – fastening system of temperature sensors. The measuring system: 6 – Pt100 resistance thermometers; 7 – secondary converter – analog input module (OWEN, MV110); 8 – PC. The second module: 9 – tripod with feet; 11 – system for issuing nitrogen (LLC "Cryogenic devices”, LNS-150W48V-PT-PS-LSCOM); 12 – heat-insulated hose; 13 – Dewar vessel (LLC NPO Cryomash, SPD 25/60); 14 – experimental apparatus for air local cryotherapy (JSC Central Research Institute Kurs, LAKT 1000).

Download (148KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Variation in the temperature of the biotissue phantom during nitrogen local cryotherapy.

Download (128KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Variation in the temperature of the biotissue phantom during air local cryotherapy.

Download (130KB)

Indexing metadata