Криотерапия

Физическая модель объекта − это упрощенный аналог, для построения которого использована система допущений. В этом аналоге действительные структуры заменяются элементами, пригодными для последующего аналитического описания. Чем сложнее объект, тем большее количество допущений необходимо для того, чтобы его физическая модель стала применима для математического моделирования. Для объекта криогенной физиотерапии построить физическую модель можно со значительными упрощениями его строения и внутренних связей.

Следует учесть особенности моделируемого процесса и вывести из рассмотрения признаки, которые не способны существенно его искажать.

Физиотерапевтические процедуры воздействуют на организм пациента физическими факторами: температурой, давлением, слабыми электрическими токами, излучениями и т.д. Отличительной особенностью воздействия является его локализация. Волны светового диапазона поглощаются прямо на поверхности, высокочастотные лучи проникают глубже, но в любом случае зона воздействия затрагивает лишь часть тела. Гипотермия и криотерапия оказывают интенсивное охлаждающее действие на кожный покров, поэтому для построения физической модели объекта криотерапевтического воздействия необходимо определить локализацию охлаждения.

Кожный покров пациента – сложная многослойная структура, выполняющая большое количество функций, в том числе и функцию органа чувств. Эту функцию кожного покрова описывает эстезиология – учение об органах чувств . Органы кожного чувства являются предметом воздействия физиотерапии.

Главная функция кожи как органа чувств – это восприятие разнообразных раздражителей от окружающей среды (прикосновение, давление, температура и т. п.). Площадь кожного покрова у взрослого человека составляет в среднем 1,6 м² .

В физиологии принято условное деление тканей по температурной зависимости на две различные группы. Автор этого деления – академик И.А. Павлов. Покровные ткани или оболочка легко переносят значительное переохлаждение, в то время как внутренние ткани при охлаждении на 10…12 ºС прекращают нормальную работу.

Это условное деление ограничивает область физиотерапевтического применения гипотермии пределами оболочки, так как нарушения теплового режима ядра недопустимы.

Для упрощения физической модели объекта криогенного физиотерапевтического воздействия целесообразно ограничить зону распространения теплообменных процессов вглубь тела. Малая экспозиция контакта тела с газообразным теплоносителем позволяет высказать предположение, что зона искусственного переохлаждения располагается только в оболочке организма пациента и не затрагивать теплочувствительных тканей внутренних органов, т.е. ядра организма. Подтверждением этого допущения являются известные из практики криогенной физиотерапии случаи лечения пациентов с повышенной температурой, а также лиц, склонных к простудным заболеваниям. В этих случаях применение криофизиотерапевтического воздействия не вызывает простудных проявлений, что подтверждает допущение изотермичности органов ядра.

С теплофизической точки зрения о поверхностном характере переохлаждения тела при криотерапии говорит тот факт, что до 30 % общей массы тела приходится на ткани оболочки. Это составляет приблизительно 20 кг, а теплоемкость оболочки − не менее 600 кДж/К. Для переохлаждения оболочки на 10К потребуется отвести с поверхности тела 600 кДж теплоты за время менее 200 секунд. Средний теплоотвод составит 3000 Вт. Полученные значения показывают, что с энергетической точки зрения допущение о локализации процессов, сопровождающих криотерапию, достаточно обосновано.

Вторым подтверждением справедливости вводимых ограничений является условие внутренней безопасности криогенной физиотерапии, по которому на границе жирового и мышечного слоев изменение температуры не должно превышать 1 К. Так как эта граница находится внутри оболочки, поставленное условие полностью исключает гипотермию ядра.

Ограничив рассматриваемый участок покровообразующими тканями, можно упростить физическую модель объекта криогенного физиотерапевтического воздействия.

В условиях быстротекущих процессов криотерапевтического воздействия признаки, определяющие теплопроводящие свойства оболочки, могут быть сформулированы следующим образом:

– оболочка представляет собой трехслойную структуру и образована эпителием, жировой тканью и мышцами;

– наружный ороговевший слой эпителия пронизан холодовыми и тепловыми рецепторами;

– рецепторы регистрируют не температуру окружающей среды, а температуру наружного слоя эпителия;

– для описания переноса теплоты ткани, образующие оболочку, могут быть представлены как параллельные плоскости;

– теплопродукция способность слоев равномерно распределена в объеме;

– жировая клетчатка выполняет теплоизолирующую функцию и не продуцирует теплоты.

Принятые допущения позволили построить геометрическую и физическую модели покровной ткани (оболочки) организма.

Упрощенная геометрическая версия строения периферийного участка тела объекта криотерапевтического воздействия приведена на рис. 2.1.1.

Рис. 2.1.1 Схематическое представление распределения слоев покровообразующих тканей (а) и нормального распределения температур (б); 1 – мышечная ткань; 2 – эпителиальный слой; 3 – жировая прослойка.

Теплота, выделяемая ядром тела и мышечной тканью 1, движется к эпителиальному слою 2 через жировую прослойку 3.

Полная толщина оболочки оценивается равной 25 мм. Толщина слоев покровных тканей может колебаться в пределах: 20 ≥ ℓ_м ≥ 5 мм, 2≥ℓ_ж ≥1 мм, 15 ≥ℓ_э ≥5 мм.

Теплофизические свойства слоев приведены в табл.2.1.1. Влияние ядра организма на интенсивность теплового потока через периферийный участок может учитываться посредством заданной величины теплового потока q_n+1,поступающего к внутренней границе оболочки за счет процессов метаболизма во внутренних органах. Номинальная плотность теплового потока q_n+1=50 Вт/м².

Оболочка тела, по крайней мере мышечная ткань, содержит кровеносные сосуды. Крупные сосуды способны вносить искажения в тепловую картину, но эти искажения возможны только в глубине, а на поверхности кожи они фактически не влияют на распределение температуры. Во–первых, потому, что плотность теплоотвода многократно превышает теплоподводящую способность сосудов. Во–вторых, перенос теплоты от мышечных сосудов к коже проходит через жировую ткань, которая надежно блокирует локальные возмущения тепловыделений.

Теплофизические свойства основных тканей человека

Орган или ткань	Плотность, кг/м³	Содержание воды, %	Теплоёмкость, Дж/кг·К	Теплопроводность, Вт/м·К	Тепловыделение, Вт/кг
Головной мозг	1035	76,3 – 8,5	3668	0,497	11,02
Сердце	1029	63 – 83	3708	0,550	33,02
Селезёнка	1054	72 – 79	3708	0,500	–
Кожа	1093	53,5 –72,5	3600	0,389	10,06
Мышца	1041	68,5– 80,3	3458	0,439	6,99
Жировая ткань	916	15 – 20	2250	0,200	–

Начальное распределение температуры покровных слоев принято по известным из физиологии данным. Для простоты описания принято, что температура мышечного слоя и эпителия постоянна по всей длине слоя, т. е. T_м=37 ºС, T_э=32 ºС, температура жирового слоя изменяется линейно:

где –расстояние от i-й точки жирового слоя до эпителиальной ткани; – полная толщина жирового слоя.

Граничные условия переноса теплоты определяются конвективным обменом с теплоносителем .

В соответствии с теплофизической теорией криотерапии, физиотерапевтический эффект процедуры связан с изменением температуры поверхности эпителия. Температура поверхности покровного слоя определяется не только внешним теплообменом, но и переносом теплоты от внутренних тканей к периферии. В общем случае, организм обладает способностью варьировать выделение теплоты за счет изменения интенсивности процессов метаболизма, но в условиях гипотермических процедур основной поток теплоты, отводимой теплоносителем, многократно превышает теплотворную способность тела и в ходе процедуры наблюдается существенное снижение температуры покровных тканей. Для оценки интенсивности подвода теплоты от внутренних тканей к периферии можно воспользоваться математической моделью, основанной на решении дифференциального уравнения энергии.