Устройство для коррекции церебральной гипертермии

Устройство для коррекции церебральной гипертермии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в неотложной медицине и других направлениях медицины, связанных с необходимостью понижения температуры головного мозга.

При значительных физических нагрузках и повышении температуры окружающей среды температура головного мозга поднимается выше температуры тела, приводя к развитию локальной церебральной гипертермии [1], которая негативно влияет на выносливость, работоспособность, координацию и может стать причиной теплового удара (шока) с грубыми нарушениями жизнедеятельности организма [2].

Кроме этого, локальное повышение температуры мозга развивается при ряде патологических состояний, таких как судорожные состояния, нейротравма, нарушения мозгового кровообращения [3].

Таким образом, церебральная температура при физических нагрузках, перегревании, лихорадочных состояниях и патологиях нервной системы всегда оказывается выше температуры тела. Это увеличивает риск поражения центральной нервной системы в состояниях, угрожающих жизни человека, и усугубляет функциональные расстройства при не угрожающих жизни состояниях, в частности, при физической гипертермии.

В настоящее время рассматривают следующие естественные механизмы отведения тепла от головного мозга [4].

1. Конвекционный механизм, заключающийся в мощном притоке артериальной крови по внутренним сонным артериям, уносящим избыток тепла в общий венозный кровоток. Притекающая к мозгу кровь в этом случае холоднее аортальной крови примерно на 0,2°С. Артериальная кровь охлаждается за счет плотного контакта внутренних сонных артерий с сосудами венозной сети, собирающей кровь от слизистых оболочек верхних дыхательных путей, кожи лица и головы в яремные вены. Венозная кровь охлаждается во внешней среде, обеспечивая эффективный теплообмен с артериальной кровью. Данный механизм рассматривают в качестве основного в поддержании теплового баланса мозга.

2. Кондукционный механизм, заключающийся в удалении избытка тепла от поверхности мозга через оболочки, плоские кости черепа и мягкие ткани головы во внешнюю среду за счет теплопроводности. Низкая теплопроводность плоских костей черепа и мягких тканей головы существенно затрудняет отведение тепла, но при увеличении разности температур кожи головы и коры головного мозга, интенсивность отведения тепла возрастает.

3. Конвекционный механизм охлаждения поверхности мозга, который обеспечивается анатомическими особенностями кровообращения области скальпа. Венозная кровь кожи головы в составе сети вен губчатого вещества, содержащегося в плоских костях черепа, попадает в эмиссарные вены, которые несут кровь в синусы твердой мозговой оболочки непосредственно к поверхности мозга. Таким образом, охлажденная во внешней среде венозная кровь кожи головы способна понизить температуру крови в венозных синусах и обеспечить понижение температуры поверхности мозга.

В настоящий момент известны различные устройства, основанные на упомянутых выше механизмах.

Известно устройство для коррекции церебральной гипертермии, содержащее шлем, выполненный с возможностью циркуляции в нем охлаждающей воды (кондукционный механизм) [5]. Для охлаждения воды используют лед, находящийся в резервуаре, через который вода прокачивается насосом.

Недостатки известного устройства состоят в отсутствии в нем средств управления охлаждающим воздействием.

Известно устройство для защиты от жары, выполненное в виде головного убора, связанного с вентилятором [6]. Данное устройство обеспечивает обдув атмосферным воздухом кожи головы и лица (первый конвекционный механизм)

Недостатки известного устройства также состоят в отсутствии в нем средств управления охлаждающим воздействием и его низкой эффективности, что приводит к невозможности использования данного устройства для коррекции церебральной гипертермии.

Известно устройство для коррекции церебральной гипертермии, содержащее шлем, состоящий из внешней и внутренней оболочек, соединенных между собой, выполненный с возможностью фиксации на голове пользователя и охлаждения ее поверхности, блок охлаждения, блок управления и блок питания [7].

Блок охлаждения включает в себя, по меньшей мере, одно термоэлектрическое охлаждающее устройство (элемент Пельтье), располагаемое в непосредственном контакте с кожей головы, радиатор отведения тепла, соединенный с нагревающейся поверхностью термоэлектрического охлаждающего устройства, и вентилятор, обеспечивающий воздушное охлаждение радиатора.

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

1. Отведение избытка тепла от кожи головы осуществляется только в тех областях, где имеется контакт с элементами Пельтье, то есть неравномерно, что снижает эффективность коррекции церебральной гипертермии.

2. В известном устройстве реализован только кондукционный механизм отведения тепла, отсутствуют приспособления для отведения тепла за счет других упомянутых выше механизмов, что существенно влияет на интенсивность отведения тепла.

Известно устройство для коррекции церебральной гипертермии, содержащее блок охлаждения, блок управления, блок питания и шлем, состоящий из внешней и внутренней оболочек, соединенных между собой, выполненный с возможностью охватывания области висков и нижней челюсти пользователя, фиксации на голове пользователя и охлаждения ее кожи [8].

Известное устройство принято в качестве ближайшего аналога заявленного устройства.

Недостатки известного устройства заключаются в том, что нем не обеспечивается целевое отведение тепла от участков интенсивного тепловыделения головы и шеи пользователя.

Задачей заявленного изобретения является создание устройства для поддержания теплового баланса головного мозга в условиях повышения температуры окружающей среды, при выполнении физических нагрузок, при прочих состояниях, сопровождающихся подъемом церебральной температуры, обеспечивающего отведение тепла путем одновременного использования всех трех основных естественных механизмов теплового регулирования головного мозга.

В результате достигается технический результат, заключающийся в повышении интенсивности и обеспечении равномерности отведения тепла и, следовательно, повышении эффективности коррекции церебральной гипертермии.

Указанный технический результат достигается посредством создания устройства для коррекции церебральной гипертермии, содержащего блок охлаждения, блок управления, блок питания и по меньшей мере один шлем, состоящий из внешней и внутренней оболочек, соединенных между собой, выполненный с возможностью охватывания области висков и нижней челюсти пользователя, фиксации на голове пользователя и охлаждения ее кожи. Шлем выполнен с возможностью образования полости для циркуляции охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения, между внутренней оболочкой и кожей головы пользователя. Внутренняя оболочка шлема выполнена с возможностью равномерного разделения общего потока охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения, для его распределения по зонам охлаждения кожи и снабжена рассекателями воздушных потоков в упомянутых зонах.

В частном варианте выполнения шлем снабжен дефлекторами лица, шеи в проекции сонных артерий и воротниковой зоны.

Еще в одном частном варианте выполнения устройство снабжено датчиками температуры воздуха в полости шлема, кожи головы и тимпанической температуры, выходы которых соединены с входами блока управления.

Еще в одном частном варианте выполнения блок охлаждения, блок управления и блок питания заключены в единый корпус.

Еще в одном частном варианте выполнения блок охлаждения включает в себя компрессорный холодильный агрегат или по меньшей мере один элемент Пельтье.

В предпочтительном варианте выполнения устройство выполнено стационарным с возможностью подачи охлаждающего воздуха по меньшей мере в один шлем.

Еще в одном частном варианте выполнения устройство выполнено портативным.

В предпочтительном варианте выполнения блок охлаждения, блок управления и блок питания выполнены с возможностью размещения на поясе пользователя.

В другом предпочтительном варианте выполнения блок охлаждения расположен на поверхности внешней оболочки шлема, а блок управления и блок питания выполнены с возможностью размещения на поясе пользователя.

Еще в одном частном варианте выполнения блок питания выполнен с возможностью подключения устройства к стационарной сети, бортовой сети автомобиля или портативному аккумулятору.

На фиг. 1 показана общая схема устройства при использовании, согласно одному из частных вариантов выполнения.

На фиг. 2 показано использование устройства, согласно другому частному варианту выполнения.

На фиг. 3 показана общая схема шлема, входящего в состав заявленного устройства.

На фиг. 4 показана внутренняя оболочка шлема.

Устройство, показанное на фиг. 1 и 2, содержит шлем 1, блок охлаждения 2, блок управления 3 и блок питания 4.

Как показано на фиг. 3, шлем 1 состоит из внешней и внутренней оболочек 5 и 6, соединенных между собой, с возможностью охватывания области висков и нижней челюсти пользователя. Кроме этого, шлем 1 выполнен с возможностью образования полости для циркуляции охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения 2, между внутренней оболочкой 5 и поверхностью кожи головы пользователя.

Шлем снабжен уплотняющей повязкой 7, служащей для его фиксации на голове пользователя и герметизации образованной полости.

Кроме этого, шлем 1 снабжен дефлекторами лица 8а, шеи в проекции сонных артерий 8b и воротниковой зоны 8 с.

Как показано на фиг 4, внутренняя оболочка 5 шлема 1 снабжена распределительным коробом 9 и зональными разделителями 10, обеспечивающими равномерное разделение общего потока охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения 2, для его распределения по зонам охлаждения кожи, и рассекателями 11 воздушных потоков в упомянутых зонах.

Допустимо также выполнение устройства, в состав которого входит два и более шлема 1, для одновременного воздействия на двух и более пользователей.

Устройство может быть выполнено стационарным с возможностью подачи охлаждающего воздуха по меньшей мере в один шлем 1 (в частности, как показано на фиг 1, по каналу подачи охлаждающего воздуха 12).

При этом блок охлаждения 2, блок управления 3 и блок питания 4 могут быть заключены в единый корпус.

Блок охлаждения 2, как показано на фиг 1, в этом случае может состоять, например, из элемента Пельтье 13, радиаторов-теплообменников 14 и 15, вентилятора 16, служащего для отведения нагретого воздуха во внешнюю среду, и вентилятора 17, служащего для подачи охлажденного воздуха в полость шлема 1.

Блок охлаждения 2 может также включать в себя компрессорный холодильный агрегат (условно не показан).

Устройство может быть также выполнено портативным. При этом блок охлаждения 2, блок управления 3 и блок питания 4 могут быть также заключены в единый корпус, например, с возможностью размещения на поясе пользователя, как показано на фиг. 2.

Кроме этого, допустимо выполнение устройства портативным таким образом, что блок охлаждения 2 расположен на поверхности внешней оболочки 5 шлема 1, а блок управления 3 и блок питания 4 выполнены с возможностью размещения на поясе пользователя.

Блок охлаждения в этом случае может содержать один или более элемент Пельтье, вентилятор, служащий для отведения нагретого воздуха во внешнюю среду, и фильтр очистки воздуха (не показано).

Блок управления 3 представляет собой микроконтроллер 18, связанный с устройством отображения информации 19 (ПК, планшетный компьютер или любое другое подходящее средство, в зависимости от использования устройства).

Входы блока управления 3 соединены с выходами датчиков температуры воздуха в полости шлема 20, кожи головы 21 и тимпанической температуры 22, встроенных, например, в шлем 1 и используемых для оценки степени снижения температуры головного мозга.

Кроме этого, вход блока управления 3 соединен с выходом датчика расхода воздуха 23.

Информация, поступающая от датчиков 20-23, используется для управления с помощью блока управления 3 исполнительными средствами блока охлаждения 2.

Блок питания 4, в зависимости от выполнения устройства для стационарного или портативного использования может быть, соответственно, выполнен с возможностью подключения устройства к стационарной сети (220 В), бортовой сети автомобиля (12 В) или портативному аккумулятору (12 В).

Устройство используют следующим образом.

Шлем 1 фиксируют на голове пользователя, при этом уплотняющая повязка 7 герметизирует полость, образованную между кожей головы и внутренней оболочкой 6 шлема 1.

В полость шлема 1 из блока охлаждения 2 подают поток воздуха, который обеспечивает охлаждение кожи головы, лица, шеи в проекции сонных артерий и воротниковой зоны.

Температура кожи в областях воздействия охлаждающим воздухом понижается, вследствие чего понижается температура оттекающей венозной крови, что в совокупности облегчает удаление избытка тепла от головного мозга посредством конвекционного и кондуктивного механизмов.

В процессе охлаждения осуществляют мониторинг температуры воздуха в полости шлема, кожи головы и тимпанической температуры. При понижении контролируемых температур ниже установленных значений автоматически уменьшают производительность по холоду блока охлаждения 2, тем самым, уменьшая интенсивность отведения тепла. При повышении контролируемых температур выше установленных значений автоматически увеличивают производительность по холоду блока охлаждения 2, тем самым, увеличивая интенсивность отведения тепла.

Список использованных источников

1. Nybo L. «Brain temperature and exercise performance)), The Journal of Physiology, 2012, Volume 97, Issue 3, pp. 333-339.

2. «Эндокринная система, спорт и двигательная активность». Под ред. Кремера У. Дж и Рогола А.Д., «Олимпийская литература», 2008.

3. Чебоксаров Д.В., Шевелев О.А., Бутров А.В., Бунтина М.А. «Радиотермометрия головного мозга при краниоцеребральной гипотермии в остром периоде ишемического инсульта», журнал «Новости анестезиологии и реаниматологии», 2015, №1, стр. 3-8.

4. Sukstanskii A., Yablonsriy D. «Theoretical model of temperature regulation in the brain during changes in functional activity)), 2006, vol. 103, №32.

5. Huan Wang. «A novel head-neck cooling device for concussion injury in contact sports», Translational Neuroscience, 2015, №6, pp. 20-31.

6. Патент RU 2175847 C1, 20.11.2001.

7. Патент US 8087254 B2, 03.01.2012.

8. Патент US 6126680, 03.10.2000.

1. Устройство для коррекции церебральной гипертермии, содержащее блок охлаждения, блок управления, блок питания и по меньшей мере один шлем, состоящий из внешней и внутренней оболочек, соединенных между собой, выполненный с возможностью охватывания области висков и нижней челюсти пользователя, фиксации на голове пользователя и охлаждения ее кожи, отличающееся тем, что шлем выполнен с возможностью образования полости для циркуляции охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения, между внутренней оболочкой и кожей головы пользователя, при этом внутренняя оболочка шлема выполнена с возможностью равномерного разделения общего потока охлаждающего воздуха, подаваемого из блока охлаждения, для его распределения по зонам охлаждения кожи и снабжена рассекателями воздушных потоков в упомянутых зонах.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шлем снабжен дефлекторами лица, шеи в проекции сонных артерий и воротниковой зоны.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками температуры воздуха в полости шлема, кожи головы и тимпанической температуры, выходы которых соединены с входами блока управления.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок охлаждения, блок управления и блок питания заключены в единый корпус.

5. Устройство по п. 1 или 4, отличающееся тем, что блок охлаждения включает в себя компрессорный холодильный агрегат или по меньшей мере один элемент Пельтье.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно выполнено стационарным с возможностью подачи охлаждающего воздуха по меньшей мере в один шлем.

7. Устройство по п. 1 или 4, отличающееся тем, что оно выполнено портативным.

8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что блок охлаждения, блок управления и блок питания выполнены с возможностью размещения на поясе пользователя.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что блок охлаждения расположен на поверхности внешней оболочки шлема, а блок управления и блок питания выполнены с возможностью размещения на поясе пользователя.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок питания выполнен с возможностью подключения устройства к стационарной сети, бортовой сети автомобиля или портативному аккумулятору.