Материал: Разработка компрессионно–холодильного устройства для нормализации теплового состояния человека в процессе эксплуатации теплоэнергетических установок

Представленная система способна выявить состояние вазоконстрикции (сужения) или вазодилатации (расширения) кровеносных сосудов определенной части тела и обеспечить подвод к ней тепла (при вазоконстрикции) или его отвод (при вазодилатации).

Передача или отвод тепла осуществляется путем контакта какой - либо части тела млекопитающего (обычно руки или ноги) с проводником тепла. Скорость теплопередачи может быть увеличена за счет создания отрицательного давления вокруг части тела для расширения просвета кровеносных сосудов и увеличения проходящего по ним потока крови.

Примерная структура рассматриваемой системы приведена на рисунке2.

Рисунок 2 - Примерная структура системы управляемой передачи тепла через поверхность кожи млекопитающих

Основными составными частями являются: 4 - контроллер (устройство управления) системы; 5 - вакуум - насос; 6 - теплообменник; 7 - контроллер терморегулирующего сенсорного устройства управления; 8 - терморегулирующее сенсорное устройство управления; 12 - герметичные корпуса для рук, состоящие из самого корпуса 2 и проводника 1, который, в свою очередь, служит для взаимодействия рук и ног человека 9 с теплообменной средой для их нагрева или охлаждения; 13 - герметичный корпус для ног; 3 - гидравлические и (или) электрические соединения; 10 - датчики состояния кровотока; 11 - датчики температуры тела.

Основным управляющим устройством системы является контроллер 4. Он обменивается сигналами со всеми основными компонентами, обеспечивающими работу системы: теплообменником 6, источником вакуума 5, контроллером терморегулирующего сенсорного устройства управления 7, резервуаром для хранения теплоносителя (на рисунке не показан) и с каждым датчиком из наборов 10 и 11.

Теплообменник 6, способный нагревать или охлаждать теплообменную среду и источник давления 5, создающий разряжение в герметичном корпусе 2 соединяются с проводником 1 и герметичным корпусом 2 соответственно через гидравлическое и (или) электрическое соединения 3, проводящие теплоноситель и давление отдельно или в комбинации. В качестве теплоносителя может использоваться жидкость (вода, масло и т.п.), либо газ или воздух. Также возможен полупроводниковый или прямой электрический нагрев.

Контроллер терморегулирующего сенсорного устройства управления 7 управляет терморегулирующим сенсорным устройством управления 8.

Устройство управления 8 способно создавать, например, легкую гипотермию для управления терморегуляционной реакцией млекопитающего 9 путем воздействия на чувствительные терморегуляционные механизмы мозга (или тела). Соответствующие устройства управления 8 могут представлять из себя приспособления для передачи температурных и влажностных раздражителей к частям тела в следующих комбинациях: вся поверхность кожи; голова, плечи, грудь, спина, туловище и руки; голова, плечи, грудь, спина и руки; голова, плечи, грудь и спина; плечи, грудь, спина и руки; плечи, грудь, спина и туловище; грудь, спина, туловище и ноги; туловище и ноги.

Группа датчиков 10, расположенных внутри или связанных с проводником 1, путем обратной связи передают контроллеру 4характеристики, связанные с вазоконстрикцией или вазодилатацией, например, об относительном состоянии кровотока, указывающем на вазоконстрикцию или вазодилатацию части тела, помещенной в корпус 2.

Датчики температуры тела 11, расположенные на поверхности или внутри тела млекопитающего 9, также путем обратной связи обеспечивают контроллер системы 4 данными о температуре тела.

Взаимодействие между частью тела млекопитающего 9 и теплообменной средой для нагрева или охлаждения части тела обеспечивает проводник 1, находящийся внутри корпуса 2.

Пары герметичных корпусов для рук 12 (рисунок3а) и для ног 13 (рисунок3б) выполняют одинаковые функции - обеспечивают физическую поверхность теплообмена между ладонью руки 2 - 9 и проводником 2 - 1 и между подошвой ноги 3 - 9 и проводником 3 - 1; обеспечивают требуемую температуру и (или) влажность, воздействующие на руку 2 - 9 и ногу 3 - 9; позволяют осуществлять мониторинг и (или) управление вазоконстрикцией или вазодилатацией при помощи различных датчиков, связанных с контроллером системы.

а                                                                б

Рисунок 3 - Герметичные корпуса для рук и ног

Конструкции корпусов также аналогичны. Их основными составными элементами служат: проводники2 - 1 и 3 - 1 соответственно, которые являются теплообменной поверхностью и могут быть изготовлены из любого материала, обладающего высокой теплопроводностью (например, металла: алюминия, нержавеющей стали или титана),и имеют форму, обеспечивающую максимально возможную площадь контакта между ладонью или подошвой и проводником; уплотняющие манжеты 2 - 4 и 3 - 4; датчики давления 2 - 3 и 3 - 3, облегчающие поддержание и контроль отрицательного давления внутри корпусов 2 - 8 и 3 - 8; датчики теплового потока и температуры2 - 10 и 3 - 10, расположенные между рукой 2 - 9 или ногой 3 - 9 и проводником 2 - 1 и 3 - 1 соответственно; лазерные допплеровские датчики либо датчики поглощения потоком крови света 2 - 5 и 3 - 5, служащие для измерения кровотока в руке 2 - 9 и ноге 3 - 9 и расположенные внутри проводников 2 - 1 и 3 - 1 соответственно или вблизи них; датчики передачи тепловой энергии 2 - 6 и 3 - 6, расположенные внутри проводников 2 - 1 и 3 - 1 для измерения передачи тепловой энергии между рукой 2 - 9 и проводником 2 - 1 и ногой 3 - 9 и проводником 3 - 1. Герметичные корпуса для рук и ног 2 - 8 и 3 - 8 также могут содержать датчики температуры кожи, служащие для измерения разности температур между участками руки и ноги 2 - 9 и 3 - 9 (например, изменение температуры от предплечья до кончиков пальцев (2 - 9) либо от голени до кончиков пальцев (3 - 9)), а также датчики биоимпеданса (электрического сопротивления)2 - 7 и 3 - 7 для мониторинга кровотока в руке 2 - 9 и ноге 3 - 9 соответственно.

1.4.1.3 Устройство и метод для извлечения тепла из ладони руки (Патент США № 8641745)

Патент [9] описывает устройство, позволяющее отводить тепловую энергию от организма человека через его ладони (рисунок 4).

Рисунок 4 - Устройство для отвода тепловой энергии через ладони

Данное изобретение ориентировано на ускорение естественного отвода тепла во время и после физических упражнений. Оно способствует охлаждению поверхности ладони, тем самым охлаждая кровь, проходящую по сосудам ладони и повышая эффективность естественного процесса охлаждения организма.

Устройство состоит из корпуса, внутри которого находится хладагент и крепежных средств, фиксирующих его на ладони. Размеры корпуса с содержащимся в нем хладагентом должны как можно точнее соответствовать габаритам ладони для достижения максимально возможной площади контакта устройства с ладонью как при открытой, так и при закрытой ладони.

Хладагентом может служить вещество, способное сохранять холодную или прохладную температуру в течение длительного времени, а также оставаться пластичным в замерзшем состоянии. Таковым является гель, содержащий воду и натриевую соль сшитой полиакриловой кислоты.

1.4.1.4 Устройство для обеспечения охлаждения тела человека (Патент США № 5766235)

Патент [10] описывает устройство для охлаждения организма человека, предназначенное для ношения на запястье(рисунок 5).

Рисунок 5 - Устройство для охлаждения организма человека для ношения на запястье

Изобретение представляет собой неглубокий отсек, в который помещается охлаждающий блок. Верхняя створка отсека снабжена крепежными элементами. К боковым сторонам отсека прикрепляются ремни для фиксации устройcтвана руке человека таким образом, чтобы нижняя панель отсекаконтактировала с внутренней стороной запястья(рисунок 6).

Рисунок 6 - Способ фиксации устройства

Охлаждающим блоком может служить, например, пакет с гелем, способным сохранять низкую температуру в течение достаточно длительного периода времени после того, как он был охлажден или заморожен.

1.4.1.5 Охлаждающий браслет (Патент США № 6772445)

Патент [11] описывает устройство для охлаждения, выполненное в виде браслета(рисунок7).

Рисунок 7 - Устройство для охлаждения в виде браслета

Данное изобретение представляет собой браслет с емкостью для хладагента, выполненный из растяжимого материала. На наружной стороне изделия расположен небольшой участок ленты типа «крючок - петля» для крепления съемного часового механизма. Хладагентом может служить любая замерзающая жидкость, например, вода. Во время замерзания и оттаивания внутри емкости хладагент удерживает специальная заглушка.

После заморозки браслет будет сохранять холодную температуру в течение нескольких часов, пока весь лед не растает, после чего его потребуется повторно заморозить.

При использовании браслет должен располагаться так, чтобы емкость с хладагентом контактировала с внутренней стороной запястья пользователя у основания ладони. В этом положении использование браслета будет иметь максимальную эффективность благодаря непосредственной близости к сосудам, проходящим через запястье.

1.4.2 Анализ результатов патентного поиска

В ходе патентного поиска было найдено пять документов, посвященных методам и устройствам, способным снижать температуру тела человека за счет охлаждения крови, циркулирующей в организме. Все представленные устройства имеют разную конструкцию, но сходный принцип действия.

Далее был проведен детальный анализ патентов[7] - [11] по семи критериям, представленным в таблице 2, а также общий анализ результатов патентного поиска, по итогам которого были сделаны следующие выводы:

) все найденные документы зарегистрированы за рубежом, а именно в США, что свидетельствует о слабом развитии исследований в этом направлении в нашей стране;

) все рассмотренные объекты можно разделить на две группы: комплексные системы, способные воздействовать на различные части тела и оказывать не только охлаждающее, но и согревающее воздействие и компактные устройства, закрепляемые на определенной части тела и способные оказывать только охлаждающее воздействие.

Достоинства и недостатки представителей обеих групп представлены в таблице 3.

Таблица2 - Сравнение методов и устройств для регулирования температуры тела человека, описанных в патентных документах

Таблица 3 - Анализ результатов патентного поиска

На основе данных, представленных в таблице 3, можно сделать вывод о том, что обе группы устройств имеют свои достоинства и недостатки.

1.4.3 Коммерчески доступные устройства

На основе технологии, описанной в патенте [7], создано устройство, способное снижать температуру тела человека путем охлаждения крови, циркулирующей в его ладони.

Данное устройство, продаваемое под торговой маркой CoreControlPro (рисунок 8а - составные части изделия; 8б - изделие в сборе), состоит из трех основных элементов: блока контроля температуры, охладителя, в который заливается хладагент, пластикового корпуса, куда помещается рука, и соединительного шланга длиной 0,9 м. В комплект также входят зарядное устройство и сумка для переноски.

Хладагентом служит чистая вода, которую нужно периодически заменять по мере ее нагревания.