КРИОТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2023 года по МПК A61B18/02 F25B19/00 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности, к медицинскому оборудованию, а именно к физиотерапевтическим установкам индивидуального пользования для проведения общего криовоздействия на кожные покровы человека криогенным газом - смесью паров жидкого азота и воздуха без криоповреждения тканевых структур, а также к тренажерам для проведения закаливающих процедур с применением холодного газа. Изобретение может быть использовано для проведения процедур общей криотерапии в условиях стационарных и амбулаторных отделений лечебно-профилактических, санаторно-курортных, оздоровительных и спортивных учреждений, а также для частного использования.

Из уровня техники известны технические решения, касающиеся конструкции устройств для проведения общего криовоздействия на кожные покровы человека криогенным газом.

Известные современные установки не способны проводить регулирование процесса криовоздействия. Основной причиной этого является концепция погружения биообъекта в пассивную охлаждающую среду с нерегулируемыми по отношению к нему температурой и расходом на входе в аппарат, по типу «нахождение в емкости с малоподвижной текучей средой». Преимуществом данного подхода являлась простота, которая в условиях недостаточной исследованности метода позволила снизить количество рассматриваемых степеней свободы организации процесса теплообмена в кабине. При таком подходе температура и скорость движения газа должны быть невысокими, что в частном случае может обеспечивать относительно равномерный по поверхности объекта тепловой поток. Следовательно, на практике используют регулирование только длительности для конкретного оборудования. Но одного параметра - длительности недостаточно. Ее ограничивают локальные минимумы температуры на поверхности объекта охлаждения. Так, например, в условиях слишком большого теплового потока ввиду неоднородности строения человеческого организма локально температура поверхности объекта может достигнуть предельных разрешенных значений, например, температуры холодового ожога, а в других местах и на глубине он охладиться должным образом не успеет. В таком случае, необходимо переходить к более общему случаю регулирования процесса теплообмена в данном аппарате.

Из уровня техники известна установка для криотерапии, содержащая процедурную кабину для размещения пациента, теплообменник с источником холодного потока текучей среды и устройство подвода потока текучей среды к пациенту. Известная установка снабжена теплоизолированной холодильной камерой, в которой установлена процедурная кабина, а устройство подвода потока текучей среды к пациенту выполнено в виде, по меньшей мере, одного вентилятора, установленного с возможностью перемещения в отверстии стенки кабины, выполненной в виде ширмы (см. патент на полезную модель RU 131612 U1, 27.08.2013).

Недостатком известного устройства является ограничение в точности выполнения общей криотерапии за счет неподвижности направляющего устройства, не позволяющего разделить охлаждение торса и конечностей, а также за счет отсутствия возможности быстрого регулирования температуры газа в кабине.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является известная из патента на полезную модель RU 48473 U1, 27.10.2005, криотерапевтическая установка, содержащая кабину, включающую канал подачи газа, расположенный сверху, блок охлаждения, включающий смеситель-газификатор, вентилятор с преобразователем частоты вращения, клапан, каналы подачи газа и жидкости, и блок управления, включающий контроллер, реле управления клапаном и преобразователь частоты вращения вентилятора.

Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности проводить направленное конвективное охлаждение и, следовательно, разделять охлаждение торса и конечностей, а также регулировать потребление жидкого азота, а, следовательно, и производительность устройства по холоду.

Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности выполнения общей криотерапии. Недостаточная точность охлаждения объекта существенно влияет на потребительские характеристики: на снижение температуры кожи и однородность охлаждения. При охлаждении различных людей в известных устройствах применяется один и тот же режим подачи газа. Это приводит к тому, что при одинаковой длительности криовоздействия у различных людей достигается различная средняя температура поверхности тела и наблюдается значительная неоднородность в охлаждении торса и конечностей (более 10 К). Изменение длительности при этом не снимает проблемы неоднородности охлаждения. Следовательно, необходим диапазон режимов подачи газа для учета различий телосложения и других особенностей человека.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является повышение точности регулирования температуры поверхности кожи с учетом особенностей подвергаемого процедуре охлаждения пользователя за счет обеспечения регулируемого общего криовоздействия.

Указанный технический результат достигается тем, что криотерапевтическая установка, содержащая кабину, включающую канал подачи в кабину азотно-воздушной смеси, расположенный сверху, блок охлаждения, включающий смеситель-газификатор, вентилятор, канал подачи в смеситель-газификатор нагретой азотно-воздушной смеси из кабины и канал подачи жидкого азота с клапаном, и блок управления, включающий контроллер, реле управления клапаном и преобразователь частоты вращения вентилятора, согласно изобретению, снабжена расположенным в верхней части кабины щелевым распределителем потока азотно-воздушной смеси с подвижными направляющими пластинами, выполненными с возможностью поворота вокруг оси, расположенной вдоль их верхней кромки, и диффузором, расположенным в нижней части кабины, при этом смеситель-газификатор снабжен капиллярно-пористым покрытием внутренних элементов, а блок управления снабжен модулем измерения температуры кожи, включающим пирометр, расположенный в корпусе с возможностью направления на спину пользователя, и модулем управления движением пластин, и при этом выполнен с возможностью регулирования массового расхода жидкого азота, скорости вращения вентилятора, направления потока подаваемой в кабину азотно-воздушной смеси и продолжительности его подачи в зависимости от температуры кожи.

В одном варианте выполнения смеситель-газификатор может быть снабжен спиральной камерой и распылителем в его нижней части.

В другом варианте выполнения смеситель-газификатор может быть выполнен противоточным и снабжен распылителем в его верхней части.

Разработанная конструкция позволяет конфигурировать режим подачи газа согласно цели произвольного криовоздействия, изменяя частоту вращения вентилятора, расход жидкого азота, направление потока приточной струи и длительность криовоздействия. В результате возможно как повышать однородность охлаждения, так и регулировать криовоздействие локально.

В заявленном изобретении предложено изменить принцип создания оборудования для общей криотерапии от погружения объекта (человека) в хладоноситель к регулируемой его подаче к объекту с обратной связью по температуре поверхности.

В данной конструкции есть возможность регулировать тепловой поток от человека, изменяя расход охлаждающего газа, направление струи, длительность, контролировать охлаждение кожи, используя модуль пирометра, который может работать в ледяном тумане.

Таким образом предложено оборудование для общей криотерапии с регулированием охлаждения человека (регулирование теплового потока) для обеспечения дозирования криовоздействия с более высокой точностью, чем с использованием известного оборудования.

Изобретение поясняется чертежами, где представлены:

на фиг. 1 - общая схема установки,

на фиг. 2 - чертеж кабины,

на фиг. 3, 4 - варианты газификатора,

на фиг. 5 - схема блока управления,

на фиг. 6 - модуль контроля температуры кожи.

Установка содержит кабину 1 для охлаждения находящегося в ней человека 2 и контур хладагента, включающий канал подачи газа (азотно-воздушной смеси) 3 и канал вытяжки газа 4 с вентилятором 6, соединяющие кабину 1 с испарителем-газификатором 5. Испаритель-газификатор 5 соединен трубопроводом 8 подачи жидкого азота, на котором расположены клапаны 7, с сосудом Дьюара 9.

Кабина 1 содержит внешний несущий шестиугольный корпус, покрытый внутренним слоем теплоизоляции, щелевой распределитель потока 10 с направляющими пластинами 11, каналы входа и выхода газа 12, 13, датчики температуры газа 14 и модуль контроля температуры кожи 15. В нижней части боковой стенки корпуса расположено выходное отверстие с диффузором 16.

Спиральный смеситель-газификатор, представленный на фиг. 3, выполнен следующим образом.

Газификатор содержит внутренние и внешние стенки 17 с полостью 18 между ними, патрубок 19 для входа воздуха, расположенные в полости спиральные насадки 20 с образованием спиральной камеры 21, патрубок 22 для выхода азотно-воздушной смеси, распылитель 23. Внутренние поверхности газификатора выполнены с капиллярно-пористым покрытием. Выходное отверстие 24 для азотно-воздушной смеси расположено в верхней части аппарата.

За счет выполнения камеры спиральной обеспечивается увеличение пути испаряющего азота в проточной части. За счет распыления жидкого азота в спиральную камеру перпендикулярно движению потока для перекрестноточного распределения потоков и применения капиллярно-пористых покрытий обеспечивается увеличение времени движения капли. Полые стенки и внешняя полость предназначены для снижения теплопритока к газу. По оси цилиндра, в нижней его части, расположено резьбовое соединение для подключения распылителя 23. Подвод воздуха с рециркуляции осуществляется тангенциально по спирали.

Противоточный смеситель-газификатор представляет собой корпус 25 с насадкой 26. Внизу корпуса выполнен патрубок 19 для входа воздуха, над которым размещен выравниватель потока 27, представляющий собой цилиндрическую пластину, в которой выполнен массив малых цилиндрических каналов, за счет чего один поток разделяется на множество потоков.

В данной конструкции применен принцип движения газа снизу вверх без закручивания потока. Газ входит снизу через патрубок 19, проходит через цилиндрические каналы, над которыми установлена насадка 26 для увеличения длительности стекания капли, далее газ поднимается вверх и выходит через выходное верхнее отверстие 24. Жидкость, которая газифицируется, входит через распылитель 23, расположенный сверху, в направлении вниз, частично смешивается с газом в свободном пространстве аппарата, частично также смешивается в насадке. Данная конструкция не позволяет жидкости протекать вниз, и позволяет выравнивать поток газа.

Для задерживания нисходящего потока жидкости элементы газификатора выполнены с капиллярно-пористым покрытием.

Входящий поток подают с использованием струйных гидравлических форсунок 28. Они просты в изготовлении по сравнению с центробежными и не подвержены закупорке вымерзшей из воздуха влагой. При проектировании систем распылительного охлаждения на основе жидкого азота необходимо также учитывать влияние на массовый расход пульсаций давления впрыска и кавитации из-за фазовой неоднородности потока. Использование многосопловых распылителей с гидравлическими форсунками в составе смесительного газификатора с импульсной подачей криогенной жидкости обеспечивает регулирование производительности аппарата без необходимости возвращать остатки криогенной жидкости в сосуд Дьюара.

Работа криотерапевтической установки осуществляется следующим образом. Кипящий в газификаторе жидкий азот охлаждает воздух, снижает концентрацию кислорода и образует плотный ледяной туман. Он попадает в кабину 1, перемещается и интенсивно охлаждает поверхность кожи. Человек стоит в кабине, и его до плеч окружает охлаждающий газ, который поступает через канал 12 подачи газа, находящийся сверху. Поток распределяется со всех сторон в щелевом распределителе потока 10, из которого выходит следующим образом: 2 струи, управляемые пластинами 11, дуют на человека, остальные струи проходят мимо. Таким образом, поток газа направлен на человека и в свободное пространство кабины 1. Пластины 11 используются для регулирования направления потока во избежание переохлаждения. Избыточный газ выбрасывается наружу в окружающую среду. Выходной канал с диффузором для возврата азотно-воздушной смеси в блок охлаждения расположен ближе к днищу кабины 1.

Щелевой распределитель потока газа 10 с пластинами 11 позволяет направить поток вдоль человека с разных сторон сверху вниз, при этом часть потока направлена на человека (струи имеются сзади и спереди, регулируемые с использованием подвижной пластины).

Нагретая азотно-воздушная смесь выводится из кабины 1 через выходное отверстие 13 с диффузором 16.

За счет использования диффузора возможно как отодвинуть поток от стенки на том же уровне по высоте, так и по вертикали изменить место входа, что приводит к тому, что подвижность воздуха у ног возрастает. Это позволяет регулировать его скорость. Для разных ног можно корректировать интенсивность обтекания, чтобы сбалансировать охлаждение ног и торса. Например, для крупной ноги - увеличить скорость газа, для тонкой - замедлить.

Блок управления (фиг.5) содержит силовую и управляющую электронику, в том числе контроллер, таймер, модуль измерения температуры кожи, реле управления клапаном, преобразователь частоты вращения вентилятора, модуль управления движением пластин и модуль контроля температуры кожи. Модуль контроля температуры кожи позволяет создать обратную связь между подачей газа и температурой кожи, что повышает точность охлаждения человека, т.к. люди имеют разные габариты, и только программой, заранее выполненной, невозможно регулировать достаточно точно процесс охлаждения.

Модуль контроля температуры кожи, представленный на фиг. 6, содержит корпус, пирометр 30 (чувствительный элемент прибора) с лазером для индикации пятна измерения для измерения температуры и осевой вентилятор 29 для термостатирования пирометра. Пирометр направлен на спину человека. В блоке управления может учитываться поправка в зависимости от расстояния и плотности тумана на наличие ледяного тумана между пирометром и поверхностью объекта - кожей (измерение в условиях наличия низкотемпературной дисперсной среды). Поправка подбирается эмпирически, с применением калибровки по тестовым измерениям.

Блок управления позволяет настроить режим подачи газа в соответствии с целью произвольного воздействия для улучшения распределения температуры кожи за счет изменения температуры газа путем изменения массового расхода жидкого азота и скорости вращения вентилятора, направления потока входного газа в кабине (с использованием вращающихся пластин) и продолжительности воздействия. Блок управления позволяет изменять тепловой поток для достижения заданной температуры кожи как в среднем, так и локально. Таким образом, для повышения точности охлаждения регулирование предусмотрено как на уровне блока управления, так и на уровне исполнительных устройств.

Датчики температуры, включая модуль контроля температуры кожи, а также таймер, обеспечивают возможность влияния на заранее подготовленную программу охлаждения, причем исполнительные механизмы (преобразователь частоты, клапан, пластины) могут менять режим воздействия и тем самым регулировать тепловой поток от человека к газу. Установленные в кабине датчики температуры газа передают информацию для регулирования подачи жидкого азота.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к медицинскому оборудованию. Криотерапевтическая установка содержит кабину, включающую канал подачи в кабину азотно-воздушной смеси, расположенный сверху, блок охлаждения, включающий смеситель-газификатор, вентилятор, канал подачи в смеситель-газификатор нагретой азотно-воздушной смеси из кабины и канал подачи жидкого азота с клапаном, и блок управления, включающий контроллер, реле управления клапаном и преобразователь частоты вращения вентилятора. Установка снабжена расположенным в верхней части кабины щелевым распределителем потока азотно-воздушной смеси с подвижными направляющими пластинами, выполненными с возможностью поворота вокруг оси, расположенной вдоль их верхней кромки, и диффузором, расположенным в нижней части кабины. Смеситель-газификатор снабжен капиллярно-пористым покрытием внутренних элементов. Блок управления снабжен модулем измерения температуры кожи, включающим пирометр, расположенный в корпусе с возможностью направления на спину пользователя, и модулем управления движением пластин и при этом выполнен с возможностью регулирования массового расхода жидкого азота, скорости вращения вентилятора, направления потока подаваемой в кабину азотно-воздушной смеси и продолжительности его подачи в зависимости от температуры кожи. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности регулирования температуры поверхности кожи пользователя. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Криотерапевтическая установка, содержащая кабину, включающую канал подачи в кабину азотно-воздушной смеси, расположенный сверху, блок охлаждения, включающий смеситель-газификатор, вентилятор, канал подачи в смеситель-газификатор нагретой азотно-воздушной смеси из кабины и канал подачи жидкого азота с клапаном, и блок управления, включающий контроллер, реле управления клапаном и преобразователь частоты вращения вентилятора, отличающаяся тем, что она снабжена расположенным в верхней части кабины щелевым распределителем потока азотно-воздушной смеси с подвижными направляющими пластинами, выполненными с возможностью поворота вокруг оси, расположенной вдоль их верхней кромки, и диффузором, расположенным в нижней части кабины, при этом смеситель-газификатор снабжен капиллярно-пористым покрытием внутренних элементов, а блок управления снабжен модулем измерения температуры кожи, включающим пирометр, расположенный в корпусе с возможностью направления на спину пользователя, и модулем управления движением пластин и при этом выполнен с возможностью регулирования массового расхода жидкого азота, скорости вращения вентилятора, направления потока подаваемой в кабину азотно-воздушной смеси и продолжительности его подачи в зависимости от температуры кожи.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что смеситель-газификатор снабжен спиральной камерой и распылителем в его нижней части.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что смеситель-газификатор выполнен противоточным и снабжен распылителем в его верхней части.