Žmogaus raumens šaldymo ir šildymo įrenginys

Įvadas

Šaldymo ir šildymo poveikis organizmui tyrinėjamas jau gana seniai. Kūno temperatūra yra vienas svarbiausių veiksnių, nuo kurių priklauso gyvūnų ir žmogaus organizmuose vykstantys fiziologiniai procesai. Krioterapija jau nuo seno naudojama gydyti uždegimams, vidaus organų, stuburo traumoms ir kitiems negalavimams [1]. Šildymo ir šaldymo poveikis plačiai naudojamas reabilitacijai. Įrodyta, kad gydymas šildymo priemonėmis padidina audinio tąsumą, elastingumą, sumažina sąnarių sustingimą, mažina skausmą, raumenų spazmus, pagreitina kraujo tekėjimą [2]. Pažymima išorinių ir giliųjų audinių hemodinamikos kaitos svarba ir patvirtinama, kad šalčio terapija sumažina skausmą, raumens spazmus. Tam naudojami įvairūs šalčio šaltiniai ir platus temperatūrų diapazonas [1, 3, 4].

Šiuolaikinei šalčio ir šilumos generatorių grupei priskiriami prietaisai, kurių naudojimas paremtas Peltjė (Peltier) elemento termoelektriniu efektu,– termoelektriniai moduliai (TEM). Elektros srovei tekant per N tipo ir B tipo bismuto telūrido sandūrą, pernešama šiluma. Keičiant srovės kryptį, keičiasi šilumos pernešimo kryptis. Naudojant šiuos prietaisus, galima pasiekti arba laikiną ir taškinį žemos temperatūros (iki -20 ºC) poveikį, arba ilgesnį palyginti žemos temperatūros (nuo +4 iki 0 ºC) poveikį [1].

Vienas iš šaldymo ir šildymo įrenginio variantų jau buvo išbandytas KMU [5]. Šiame darbe pateikiamas konstruktyvus sprendimas, leidžiantis naudoti TEM žmogaus raumens šaldymo ir šildymo eksperimentams bei preliminarius skirtingų raumenų grupių šilumos sugėrimo vertinimus.

Įrenginio konstrukcija ir valdymas

Šaldymo ir šildymo valdiklis gali tiesiogiai valdyti vieną TEM (1 pav.) arba, panaudojus papildomą galios laipsnį, du ir daugiau TEM (2 pav.).

Prietaiso pagrindas – mikroprocesorius 16F628. Jame įrašyta programa atlieka pagrindinę valdymo funkciją, pagal atitinkamus protokolus bendraudama su duomenų įvedimo bloku, 2x16 ženklų indikatoriumi, analoginiu kodiniu keitikliu. Po keleto matematinių skaičiavimų pagal PID (proportional, integral, derivative) funkciją duodamas TEM valdymo signalas. Vieno arba dviejų ir daugiau TEM valdiklis yra tas pats. Tik antru atveju naudojamas išorinis galios laipsnis. Išorinį galios laipsnį sudaro TEM maitinimo šaltinis ir galingi lauko efekto tranzistoriai.

1 pav. Šaldymo ir šildymo valdiklio, valdančio vieną TEM, struktūrinė schema

2 pav. Šaldymo ir šildymo valdiklio, valdančio du ir daugiau TEM, struktūrinė schema

Per duomenų įvedimo bloką įvedamas temperatūros, kurią reikia palaikyti, dydis ir laiko intervalas. Indikatorius rodo įvedamą temperatūrą ir laiką, o vėliau temperatūros palaikymo režimu – TEM ir papildomo temperatūros jutiklų temperatūras bei laiką. Analoginis kodinis keitiklis keičia analoginius temperatūros jutiklių (PT100) signalus į skaitmeninius. Pirmas temperatūros jutiklis prijungtas prie TEM. Esant dviem ir daugiau TEM, tas pats jutiklis jungiamas prie bendros metalinės plokštės, jungiančios vienodas TEM plokštumas. Šio jutiklio pamatuota temperatūra rodoma indikatoriuje ir naudojama TEM valdymo signalui skaičiuoti. Antras jutiklis naudojamas vartotojo nuožiūra ir jo temperatūra taip pat rodoma indikatoriuje. Duomenų įvedimo blokas (rotary encoder) pasukimo apie savo ašį dydį verčia į impulsų skaičių , taip pat leidžia atpažinti sukimą prieš ir pagal laikrodžio rodyklę. Juo į mikroprocesorių įvedama temperatūra, kurią reikia palaikyti, ir laiko intervalas. 2x16 indikatorius yra procesorinis (HD44780) 32 ženklų informacijos išvedimo prietaisas. Galios laipsnyje panaudotas impulso pločio moduliatorius, kuriame TEM valdymo įtampa verčiama į kintamo pločio impulsus, kurie valdo galingą lauko tranzistorių.

3 pav. parodyta adapterio, kuriuo galima matuoti šilumos ir šalčio srautą, konstrukcija. Iš šilumos srauto dydžio galima spręsti apie raumens būseną. Toks srauto matavimo būdas, manoma, leistų apsieiti be temperatūros jutiklio, kuris paprastai yra įterpiamas į raumenį. Tokia procedūra yra skausminga ir kelia grėsmę sveikatai. Konstrukciškai prie apatinės TEM 1 dalies tiesiogiai montuojamas temperatūros jutiklis 2. Po juo eina šilumos izoliatorius 3, kurio žinomas šiluminio laidumo koeficientas. Po izoliatoriumi yra įmontuotas antras temperatūros jutiklis 4. Pirmasis jutiklis matuoja šildymo arba šaldymo temperatūrą, antrasis – odos temperatūrą poveikio zonoje. Izoliatorius 3 naudojamas energijos srautui matuoti.

3 pav. Adapterio konstrukcija šilumos srautui matuoti

Žinant izoliatoriaus parametrus ir pasinaudojant Furjė formule, galima skaičiuoti šilumos sugėrimo per izoliatorių į raumenį spartą (arba kitaip – raumens energijos sugėrimo spartą):

Čia D – šilumos sugėrimo sparta (J/s), k – šiluminio laidumo koeficientas (J/s/m°C), A – plotas, per kurį registruojamas šilumos sugėrimas (m²), ΔT – šalto ir šilto paviršiaus temperatūrų skirtumas (°C), Δx – dielektriko storis (m).

Šilumos sugėrimas nustatomas tik nusistovėjus šiluminiam procesui, t.y. kai matuojamos temperatūros nustoja keistis. TEM 1 matmenys 100x55 mm², izoliatoriaus 3 storis – 1 mm, o jo šiluminio laidumo koeficientas 0,3 J/s/m°C.

Eksperimentų rezultatai

Aprašytas įrenginys buvo naudotas atliekant eksperimentus su trimis raumenimis:

šlaunies raumeniu biceps femoris;
blauzdos raumeniu gastrocnemius caput mediale;
rankos nykščio plokščiuoju raumeniu aductor pollicis.

Šie raumenys yra skirtingo dydžio, todėl tikėtasi nustatyti skirtingus jų šiluminius parametrus. Eksperimentams naudotas 3 pav. parodytas adapteris. Jutikliais 2 ir 4 matuotos temperatūros paveiksluose pažymėtos atitinkamai t1 ir t2. Naudoti keli šilumos ir šalčio poveikio būdai:

30 min šaldymas maksimalia galia + 15 min šildymas 32 °C temperatūroje;
30 min šildymas 45 °C temperatūroje + 15 min šaldymas 32 °C temperatūroje;
ciklai: 100 s šaldymas maksimalia galia + 10 s šildymas maksimaliu srautu;
ciklai: 100 s šildymas 45 °C temperatūroje + 10 s šaldymas maksimalia galia;
ciklai: 200 s šildymas 45 °C temperatūroje + 200 s šaldymas maksimalia galia.

Eksperimentų rezultatai, iliustruojantys įrenginio technines galimybes, pateikti grafiškai 4 – 8 pav.

Tirtas kairės blauzdos raumuo gastrocnemius caput mediale (4 pav.). Raumuo 30 min šaldomas maksimalia galia, paskui 15 min šildomas 32 °C temperatūroje. Artėjant prie šaldymo pabaigos, temperatūros t1, t2 nusistovi ir jų skirtumas yra 6 °C. Tuo metu skaičiuota šilumos sugėrimo sparta 9,9 J/s. Artėjant prie šildymo pabaigos, temperatūrų skirtumas yra 1,6 °C, proceso pabaigoje šiluminis srautas pakeičia kryptį. Skaičiuota šilumos sugėrimo sparta 2,6 J/s.

4 pav. Kairės blauzdos raumens 30 min maksimalus šaldymas,
po to 15 min šildymas 32 °C temperatūroje
Tirtas dešinės šlaunies raumuo biceps femoris (5 pav.). Raumuo 30 min šildomas 45 °C temperatūroje, paskui 15 min šaldomas 32 °C temperatūroje. Artėjant prie šildymo pabaigos, temperatūrų skirtumas yra 1,4 °C. Tuo metu skaičiuota šilumos sugėrimo sparta 2,3 J/s. Artėjant prie šaldymo pabaigos, temperatūrų skirtumas 2,8 °C. Tuo metu skaičiuota šilumos sugėrimo sparta 4,6 J/s.

5 pav. Dešinės šlaunies raumens 30 min šildymas 45 °C temperatūroje,
paskui 15 min šaldymas 32 °C temperatūroje
Tirtas rankos nykščio plokščiasis raumuo aductor pollicis (6 pav.). Raumuo cikliškai 200 s šaldomas maksimaliu srautu, paskui 200 s šildomas 45 °C temperatūroje. Iš viso atliekama 5 ciklai. Temperatūra nesistabilizuoja.

6 pav. Rankos nykščio plokščio raumens cikliškas 200 s maksimalus šaldymas,
po to 200 s šildymas 45 °C temperatūroje
Tirtas dešinės blauzdos raumuo gastrocnemius caput mediale (7 pav.). Raumuo cikliškai 100 s šildomas 45 °C temperatūroje, po to 100 s šaldomas maksimalia galia. Iš viso atliekami 5 ciklai. Temperatūra nesistabilizuoja
Tirtas kairės blauzdos raumuo gastrocnemius caput mediale (8 pav.). Raumuo cikliškai 100 s šaldomas maksimalia galia, paskui 10 s šildomas maksimalia galia. Iš viso atliekama 15 ciklų. Temperatūra nesistabilizuoja.

7 pav. Dešinės blauzdos raumens cikliškas 100 s šildymas 45 °C temperatūroje,
po to 100 s maksimalus šaldymas

8 pav. Kairės blauzdos raumens cikliškas 100 s maksimalus šaldymas,
po to 10 s maksimalus šildymas
Tirtas kairės blauzdos raumuo gastrocnemius caput mediale (9 pav.). Raumuo cikliškai 100 s šildomas 45 °C temperatūroje, paskui 10 s šaldomas maksimalia galia. Iš viso atliekama 15 ciklų. Įpusėjus ciklams, baigiantis šildymo periodui, temperatūra stabilizuojasi. Tada temperatūrų skirtumas yra 0,8 °C. Tuo metu skaičiuota šilumos sugėrimo sparta 1,3 J/s.

9 pav. Kairės blauzdos raumens cikliškas 100 s šildymas 45 °C temperatūroje,
po to 10 s maksimalus šaldymas

Išvados

Eksperimentiškai cikliniu ir ilgalaikiu šildymu ir šaldymu ištirti skirtingi raumenys, nustatyta šilumos sugėrimo sparta. Taip buvo nustatytas matavimo metodo efektyvumas ir tarp atskirų raumenų reakcijos į šilumą ir šaltį skirtumas.
Visų tirtų raumenų grupių temperatūriniai režimai, o kartu ir šiluminiai srautai stabilizuojasi po 200– 300 s šildant ir po 30 min šaldant. Trumpalaikis impulsinis šaldymas (impulso trukmė 10 s) nėra efektyvus. Nustatyti kiekybiški skirtingų raumenų grupių reakcijų į šildymo ir šaldymo procesus skirtumai.
Raumens reakcija priklauso nuo raumens būsenos prieš bandymą, t. y. ar prieš eksperimentą jis buvo šildomas, ar šaldomas (raumeniui būdingas „atminties“ efektas, kuris gali trukti iki valandos ).
Parodyta, kad, taikant šilumos sugėrimo spartos matavimo metodą, galima kiekybiškai įvertinti šilumos (šalčio ) šaltinio ir gyvo raumens sąveiką. Toks metodas leidžia tyrimams nenaudoti adatose įmontuotų miniatiūrinių temperatūros jutiklių, kurie įterpiami į raumenį, o bandymų metu žmogui skiriamas antibiotikų kursas. Nuodugnesnę analizę galima atlikti tik įvertinus fiziologinius procesus tirtuose raumenyse.

Literatūra

Современные технологии восстановителъной медицины ( modern technology of rehabilitation medicine) / Под. ред. Труханова А.И.– М.: Медика, 2004. – 288 с.
Enwemeka CS, Allen C, Avila P, Bina J, Konrade J, Munns S. Soft tissue thermodynamics before, during, and after cold pack therapy // Med Sci Sports Exerc 2002, Jan. – V. 4(1). – P.45–50.
Janský LThe Vávra V, Janský P, Kunc P, Knížková I, Jandová D, Slováček K. Skin temperature changes in humans induced by local peripheral cooling // Journal of Thermal Biology. – 2003 Jul;. – V. 28(5). – P.429–437.
Chesterton LS, Foster NE, Ross L. Skin temperature response to cryotherapy // Arch Phys Med Rehabil 2002 Apr. – V. 83(4). – P. 543–549.
Sedekerskienė V., Gudaitis R., Tamulevičius S., Vainoras A., Zaveckas V., Vitartaitė A., Berškienė K. Lokalaus šildymo šaldymo poveikis hemodinamikos rodikliams // Medicina. – KMU (pateikta spaudai)

R. Gudaitis, S. Tamulevičius. Žmogaus raumens šaldymo ir šildymo įrenginys // Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2005. – Nr. 6(62). – P. 22–25.