zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej.
zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej.
zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej.
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Marta Kapuścińska Gdańsk, 29.05.2013<br />
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna<br />
Sem. 01, studia II stopnia<br />
Techniki niskotemperaturowe<br />
w <strong>medycynie</strong><br />
Temat: Termoelektryczne urządzenia chłodnicze –<br />
<strong>zastosowanie</strong> w <strong>medycynie</strong> i <strong>technice</strong> <strong>laboratoryjnej</strong><br />
Prowadzący:<br />
dr inż. Waldemar Targański
Spis treści<br />
1. Chłodzenie termoelektryczne<br />
2. Krioekstraktor termoelektryczny<br />
3. Urządzenia do zamrażania tkanek<br />
4. Urządzenie Kryotur<br />
5. Termoelektryczny hełm chłodzący<br />
6. System OCCS selektywnego chłodzenia mózgu dziecka<br />
7. Przenośny termostat<br />
8. Chłodziarki stacjonarne<br />
9. Osmometr<br />
10. Bibliografia
1. Chłodzenie termoelektryczne<br />
Termoelektryczność znana także pod pojęciem efektu Peltiera, działa w ten sposób,<br />
że dzięki prądowi elektrycznemu wytwarza się różnica temperatur i odwołuje się do<br />
doświadczeń Jean Peltiera z XIX wieku. Zjawisko to dokładnie polega na tym, że przy<br />
przepływie prądu stałego przez termoelement, na spoinach termoelementu wydziela się lub<br />
zostaje pochłonięta pewna ilość ciepła. Gdy użyjemy kilka materiałów o różnej<br />
przewodności elektronowej i dziurowej (typu „p” oraz typu „n”)na jednej spoinie następuje<br />
obniżenie temperatury, a podwyższenie na drugiej. W obecnie budowanych urządzeniach<br />
różnica temperatur stron ciepłej i zimnej dochodzi do 80 °C. Jeśli kierunek przepływu<br />
ulegnie zmianie to zjawisko się odwróci. Ogniwo Peltiera, ze względu na łatwą produkcję<br />
oraz trwałość znajduje szerokie <strong>zastosowanie</strong> jako pompa cieplna.<br />
Zalety modułów Peltiera:<br />
- zwarta i prosta konstrukcja<br />
- małe rozmiary<br />
- trwałość parametrów<br />
- nieskomplikowana produkcja<br />
- brak części ruchomych<br />
Zalety przysłużyły się do zastosowania ich w:<br />
- chłodzeniu czujników podczerwieni, laserów półprzewodnikowych<br />
- chłodzeniu elementów elektronicznych<br />
- przenośnych chłodziarkach<br />
- urządzeniach laboratoryjnych<br />
Rys 1. Schemat działania ogniwa.<br />
3
2. Krioekstraktor termoelektryczny<br />
Jednym z podstawowych narzędzi kriochirurgicznych służących do zamrażania i usuwania<br />
tkanek organizmu jest krioekstraktor. Poniżej umieszczono schemat krioekstraktora<br />
termoelektrycznego, używanego do usuwania zmętniałych fragmentów soczewki oka (np. podczas<br />
zaćmy).<br />
Zasada działania krioekstraktora: końcówka (1) przymarza do soczewki dzięki chłodzeniu<br />
termoelementem (3). Po czasie kilku minut, końcówka w trybie roboczym osiąga temperaturę od<br />
-25 do -30°C. Wykorzystując duże natężenie prądu zasilającego uzyskać można wysoką wydajność<br />
spowodowane jest to dużymi zyskami ciepła oraz ograniczonymi rozmiarami końcówki.<br />
Odmrażanie końcówki zachodzi poprzez zmianę kierunku przepływu prądu lub na skutek działania<br />
krótkotrwałego przepływu prądu zmiennego przez termoelement.<br />
Dane :<br />
Natęzenie prądu zasilającego 10 A<br />
Napięcie 1,7 V<br />
Rys 2. Krioekstraktor<br />
4
3. Urządzenia do zamrażania tkanek<br />
Urządzenia te służą do miejscowego zamrożenia żywej tkanki w temperaturze do<br />
ok.-20°C. Zamrożenie następuje przez kontakt tkanki z chłodzoną końcówką roboczą.<br />
Natężenie prądu zasilającego w takim mechanizmie wynosi 1,5 A, przy napięciu 230 V.<br />
Aparaturą taką można usuwać także chorą tkankę i tu czynnikiem roboczym głównie jest<br />
ciekły azot o temperaturze -196°C.<br />
Poprzez działanie na tkankę niską temperaturą uzyskuje się:<br />
• Zahamowanie procesu zapalnego,<br />
• Spadek napięcia mięśniowego,<br />
• Poprawę czynności chorych stawów,<br />
• Poprawę drenażu krwionośnego i limfatycznego.<br />
Zalety urządzeń:<br />
• Uniwersalne - możliwość stosowania krioaplikatorów o dowolnych kształtach we<br />
wszystkich specjalnościach chirurgicznych,<br />
• Efektywne - pełne zniszczenie zadanej objętości tkanki,<br />
• Ekonomiczne - niski koszt urządzenia, bardzo niski koszt eksploatacji.<br />
Zalety kriochirurgii:<br />
• Kriochirurgia umożliwia pełne zniszczenie uprzednio wyznaczonej objętości<br />
tkanki.<br />
• Oddziaływanie kriochirurgiczne w większości przypadków jest bezbolesne i nie<br />
wymaga wstępnego znieczulenia.<br />
• Ognisko martwicy powstałej po zamrażaniu wywołuje minimalną reakcję<br />
wokółogniskową.<br />
• Zamrażanie "blokuje" drobne naczyne siia tętnicze i żylne, co umożliwia<br />
przeprowadzenie zabiegu praktycznie bez krwawień.<br />
• Ogniska kriodestrukcji szybko się goją, osiągany jest dobry efekt kosmetyczny.<br />
• Możliwe jest zamrażanie wznów po radioterapii, chirurgii i krioterapii.<br />
• Ze względu na mało obciążający charakter zabiegu, większość przypadków może<br />
być wykonana ambulatoryjnie, co jest nie bez znaczenia dla osób starszych.<br />
Rys 3. Urządzenie do zamrażania tkanek Kriopol K-11.<br />
5
4. Urządzenie Kryotur<br />
Kryotur 600 jako aparat stołowy zasilany sieciowo działa w ten sposób, że zimno jest<br />
wytwarzane przy pomocy elementów Peltiera i doprowadzane do pacjenta przez wymienne<br />
aplikatory. Indywidualnie wedle potrzeb można ustawiać za pomocą przycisków: tryb pracy,<br />
temperaturę terapii, czas terapii, cykle, co jest pokazywane na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu.<br />
Takiego typu nowoczesne urządzenia mają <strong>zastosowanie</strong> zarówno w miejscowej,<br />
kontaktowej kriostymulacji, jak i w kriochirurgii.<br />
Kryotur 600 ma w wyposażeniu podstawowym dwa rodzaje aplikatorów. Stosując aplikator<br />
plastyczny w formie mankietu o nerkowatym kształcie możemy uzyskać temperaturę chłodzenia do<br />
+12°C. Natomiast aplikator twardy w kształcie walcowatej głowicy z nasadką mrożącą uzyskuje<br />
temperaturę do -10°C.<br />
Zalety:<br />
• Głębokie chłodzenie tkanek,<br />
• Łatwość obsługi,<br />
• Tania eksploatacja,<br />
• Urządzenie posiada niewielkie gabaryty i mała wagę,<br />
• Nie występuje szok termiczny,<br />
• Urządzenie nie wymaga oddzielnego pomieszczenia z przystosowaną specjalnie wentylacją,<br />
• Tania eksploatacja (wykorzystanie elementów Peltiera, gdzie chłodziwem jest roztwór<br />
wodny Aqua Conservata pracujący w obwodzie zamkniętym).<br />
Dodatkowo posiada możliwość pracy w trzech trybach:<br />
• praca ciągła – urządzenie utrzymuje stałą temperaturę chłodzenia w określonym przez<br />
obsługę czasie,<br />
• praca przerywana – określona temperatura i czas chłodzenia oraz określona temperatura<br />
i czas przerw,<br />
• praca naprzemienna – określona temperatura i czas chłodzenia i powrotu do temperatury<br />
wyjściowej.<br />
Rys 4. Kryotur 600<br />
6
Najczęstsze wskazania do stosowania kriostymulacji miejscowej:<br />
1.Choroby narządu ruchu:<br />
• Stłuczenia, krwiaki i urazy tkanek miękkich,<br />
• Obrzęki po złamaniach i zwichnięciach (okres wczesny),<br />
• Ostre zapalenie ścięgien, torebek stawowych i mięśni,<br />
• Przykurcze stawowe pourazowe,<br />
• Stany po amputacji urazowej kończyn.<br />
2. Choroby reumatyczne:<br />
• Ostry okres reumatoidalnego zapalenia stawów,<br />
• Ostre stany bólowe w chorobie zwyrodnieniowej stawów.<br />
3.Choroby układu nerwowego:<br />
• Bóle głowy pochodzenia naczyniowego,<br />
• Ostry okres zapalenia splotów i nerwów obwodowych,<br />
• Ostry zespół rwy kulszowej.<br />
5. Termoelektryczny hełm chłodzący<br />
Jest to urządzenie, które wykorzystanie swoje znajduje w obniżeniu temperatury<br />
tkanki mózgowej i zahamowania jej obumierania, na skutek niedotlenienia wywołanego<br />
ciężkimi urazami głowy. Hełm posiada elastyczną membranę ściśle przylegającą do głowy<br />
chorego. Przestrzeń zawartą między membraną i skórą głowy chłodzą moduły Peltiera.<br />
Temperatura tego urządzenia może być regulowana w zakresie od – 20°C do + 50°C.<br />
Ogólnie rzecz biorąc przypomina kask motocyklowy, którego wewnętrzna część<br />
wyścielona jest 120 sztukami sztukami jednakowych pod względem termicznym<br />
i elektrycznym termoelementów pobierających prąd o napięciu 0,1 V. Odbiór ciepła ze<br />
stron gorących zapewniony jest przez wodę przepompowywaną przez kanały umieszczone<br />
wewnątrz. Ogrzana w kanałach woda pompowana jest do urządzenia chłodzącego,<br />
następnie powtórnie zużywana jest do odbioru ciepła po stronie gorącej. Sterowanie<br />
temperaturą urządzenia może odbywać się w zakresie od -5 °C do +46 °C z dokładnością<br />
do 0,5 °C poprzez 8 bitowy mikrokontroler PIC. Jednostka zasilająca termoelektrycznego<br />
hełmu dostarcza prąd stały o napięciu 12V i natężeniu 40 A potrzebnego do zapewnienia<br />
prawidłowego działania wszystkich termoelementów.<br />
7
Rys 5. Hełm chłodzący termoelektrycznie<br />
6. System OCCS selektywnego chlodzenia mozgu noworodka<br />
Zjawisko niedotlenienia okołoporodowego – zamartwicy, które związane jest np.<br />
z zaburzeniami wymiany gazowej pomiędzy matką, a dzieckiem; wadą wrodzoną, nieprawidłowym<br />
ułożeniem płodu, czy zaburzeniami adaptacyjnymi noworodka zwykle dotyka płód w trakcie ciąży,<br />
porodu, lub już po nim. Zapoczątkowana zostaje wówczas kaskada ekscytotoksyczna, która<br />
prowadzi do śmierci komórek nerwowych. Leczenie w takim przypadku może być dwojakie.<br />
Pierwszą metoda jest selektywna, wybiórczo jest chłodzony mózg, druga- wprowadza dziecko<br />
w hipotermie ogólną, czyli całe ciało doprowadzane jest do danego zakresu temperatur rdzenia.<br />
System OCCS jest systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka dopuszczonym<br />
do stosowania na oddziałach intensywnej opieki na terenie USA. System opatentowany został<br />
6 grudnia 2001 roku w Stanach Zjednoczonych Ameryki (US Patent nr 6312453).<br />
Jednym z systemów chłodzenia mózgu przy niedotlenieniu okołoporodowym jest system<br />
Olympic Cool Cap. Złożony jest z 3 głównych elementów:<br />
• warstwa chłodząca – kanał o półokrągłym przekroju, którego przebieg i system zapięć,<br />
zakładek zaprojektowano tak, aby zapewnić jak najlepsze przyleganie płaskiej części<br />
chłodzącej do głowy noworodka. Zaprojektowane specjalne ułożenie wlotu i wylotu<br />
uniemożliwia zagięcie rurek dolotowych i wylotowych przez ułożone na nich dziecko, jak<br />
również zapewnia komfort pacjentowi. Chłodzenie nie obejmuje czoła, gdyż nagłe<br />
oziębienie twarzy z czołem włącznie może doprowadzić do zaburzeń rytmu serca, czy<br />
oddechu.<br />
8
Warstwa ta zrobiona została z poliuretanu. Tworzywo to nie szkodzi i można go<br />
stosować przy bezpośrednim kontakcie ze skórą.( 2a );<br />
• część utrzymująca – odbieranie i odprowadzanie wilgoci, ochrona uszu i czoła<br />
dziecka przed zbytnim przechłodzeniem(2b );<br />
• czapka izolacyjna – izolacja warstwy chłodzącej od otoczenia, która wykonana<br />
jest z wełny poliestrowej pokrytej na zewnętrznej powierzchni warstwą metalu<br />
odbijającego promieniowanie podczerwone (2c ).<br />
Chłodzenie zapewnione jest dzięki dwóm ogniwom Peltiera, które są zamocowane do<br />
aluminiowego wymiennika ciepła, przez który to przepływa chłodzona woda.<br />
System Olympic Cool Cap zapewnia uzyskanie temperatur z zakresu hipotermii<br />
umiarkowanej w istocie szarej mózgu dziecka. Chłodzenie mózgu tą metodą odbywa się za<br />
pomocą czapki chłodzącej, w której przepływa płyn chłodzący - sterylna woda<br />
o temperaturze ok. 10°C. Urządzenie przystpspwane jest do użycia z konwencjonalnym<br />
promiennikiem podczerwieni służącym do ogrzewania noworodków.<br />
Rys 6. System OCCS.<br />
9
Rys 7. Chłodząca czapka systemu OCCS.<br />
7. Przenośny termostat<br />
W czasach bardzo rozwiniętej transplantologii pojawiła się potrzeba przewozu narządów,<br />
tkanek i komórek ludzkich oraz specjalistycznych leków. W tym celu stosuje się pojemniki<br />
termoelektryczne, które utrzymują temperaturę w zakresie 0 - 4°C w przypadku narządów i 2 - 8°C<br />
w przypadku leków. Obecnie na rynku jest duży wybór chłodziarek przenośnych. Zazwyczaj różnią<br />
się one od siebie pojemnością przegród oraz zakresem utrzymywanych temperatur.<br />
Rys 8. Chłodziarka przenośna Waeco TropiCool.<br />
10
8. Chłodziarki stacjonarne<br />
Zjawisko termoelektryczności wykorzystuje się też do chłodzenia. Lodówki takie<br />
muszą znajdować się w dziale farmacji szpitalnej, gdzie zamawia się towar i przechowuje<br />
się leki w odpowiedniej temperaturze, tj. od +2° do +8°C. Również na terenie bloku<br />
operacyjnego tego typu wyposażenie musi się znajdować, na oddziale zabiegowym oraz<br />
w przychodniach. Chłodziarki stacjonarne są również stosowane w <strong>technice</strong> <strong>laboratoryjnej</strong>.<br />
Wyróżniamy chłodziarki: pionowe tzw. szafowe oraz poziome tzw. skrzyniowe.<br />
Izolację zapewnia pianka poliuretanowa, a wewnątrz wyposażone są w stelaże do<br />
przechowywania pudełek na probówki. Do dodatkowego wyposażenia należą: system<br />
zasilania awaryjnego , alarmowy system powiadamiania telefonicznego, system kontroli<br />
dostępu za pomocą kart magnetycznych, system rejestracji zdarzeń.<br />
Rys 9. Zamrażarka niskotemperaturowa -85°C seria UPUL .<br />
11
9. Osmometr<br />
Osmometr - przyrząd do badania osmolarności biologicznych roztworów. Oznaczenie<br />
odbywa się poprzez pomiar temperatury zamarzania badanej próbki. Sterowany jest za pomocą<br />
mikroprocesorów i wysoce stabilnych podzespołów elektronicznych. Urządzenie to odznacza się<br />
duża niezawodnością. Do tego jest prosty w obsłudze.<br />
Zasada działania: porcję płynu (0,3 – 2g) umieszcza się za pomocą pipety<br />
w probówce następnie zanurza się w wannie z cieczą (90% wodny roztwór glikolu etylenowego).<br />
Wannę schładza się dzięki dwustopniowemu kaskadowemu urządzeniu chłodniczemu,<br />
zawierającym 160 termoelementów. Zainicjowana zostaje krystalizacja przy ściśle określonej<br />
temperaturze przechłodzenia. Efektem tego zjawiska jest wydzielanie się ciepła krystalizacji, gdzie<br />
temperatura mieszaniny lodu i cieczy wzrasta do wartości maksymalnej zależnej od osmolarności<br />
próbki. Za pomocą termistora mierzone jest ta wartość maksymalna.<br />
Zastosowania osmometru w <strong>medycynie</strong>:<br />
• Diagnostyka chorób nerek,<br />
• Badanie jakości roztworów dializujących oraz płynów stosowanych pooperacyjnie,<br />
• Leczenie zatruć,<br />
• Leczenie cukrzycy,<br />
• Monitorowanie pacjentów przy dializach i zabiegach chirurgicznych nerek,<br />
• Pooperacyjne, w terapii insulinowej,<br />
• W kardiochirurgii,<br />
• W schorzeniach metabolicznych.<br />
Rys 10. Osmometr 800CLG.<br />
12
Bibliografia<br />
1. www.hasmed.pl/nowa/index.phpoption=com_content&task=view&id=364&Itemid<br />
=87<br />
2. www.fascynacja-przyszloscia.pl/?pl/dokumenty/chlodzenie_termoelektryczne<br />
3. www.elektroda.pl/rtvforum/topic1506793.html<br />
4. www.kriomedpol.nazwa.pl/joomla_1.5/index.php\option=com_content&view=artic<br />
le&id=18&Itemid=22<br />
5. Kusza.K.: Hipotermia i jej wpływ na ośrodkowy układ nerwowy po niedotlenieniu<br />
"Materiały edukacyjne dla zdających Państwowy Egzamin Specjalizacyjny z<br />
Anestecjologii i Intenywnej Terapii", Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej<br />
Terapii C.M. UMK Bydgoszcz – Toruń.<br />
6. Pathak.K, Yu.N, Shoffstall.A, Zheng.L.: Modeling Heat-Transfer of the Olympic<br />
Cool-Cap System. 2008 Student Papers, Bee 453 23.06.2008<br />
7. Sikiera D., Termoelektryczne urządzenia chłodnicze – <strong>zastosowanie</strong> w <strong>medycynie</strong> i<br />
technikach laboratoryjnych, Gdańsk, 2011<br />
8. United States Patent nr 6312453.: Device for cooling infant's brain. Data patentu<br />
6.11.2001.<br />
9. Zmuda E:. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu<br />
noworodka dla jego utrzymania w warunkach umiarkowanej hipotermii.<br />
13