ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСТАНОВКИ КРОВОТЕЧЕНИЯ

Целью работы является изучение возможностей применения полупроводникового устройства для остановки кровотечения методом охлаждения. Метод. Исследование основано на методах приближенного моделирования процессов теплообмена. Результат. В работе рассмотрена конструкция устройства для остановки кровотечения, исполнительным элементом которой является термоэлектрическая батарея, работающая в режиме охлаждения в момент остановки кровотока, и в режиме нагрева при съеме устройства с поврежденного участка. Предложена модель устройства, реализованная на основе решения задачи о затвердевании вязкой жидкости методом Л.С. Лейбензона с учетом электро- и теплофизических характеристик источника холода - термоэлектрической батареи. В результате численного эксперимента получена зависимость продолжительности образования ледяной корочки на ткани толщиной 1 мм (соответствует остановке кровотечения) от величины тока питания термоэлектрической батареи. При увеличении тока питания продолжительность образования ледяной корки снижается и может составлять порядка 160 с при 5 А. Доказано, что подбор параметров термоэлектрической батареи и тока ее питания должен ориентироваться на медицинские нормы и стандарты во избежание процесса обморожения прилежащих в зоне кровотечения тканей. Вывод. Термоэлектрическое устройство специальной конструкции является эффективным техническим средством для остановки кровотечения методом замораживания, обеспечивает высокую интенсивность охлаждения, сокращает продолжительность образования тромба, устраняет болезненные ощущения при съеме прибора с поврежденного участка.

Ключевые слова: термоэлектрическая система, термоэлектрический преобразователь, остановка кровотечения, охлаждение, замораживание, модель, численный эксперимент

Введение. Одним из главных аспектов сохранения жизни и здоровья человека в чрезвычайной ситуации является оперативное и своевременное лечебное вмешательство, которое в большинстве случаев включает в себя остановку кровотечения, восполнение кровопотери, а также введение лекарственных препаратов и экстренное хирургическое вмешательство, включая трансплантацию. При этом особенно важным, а зачастую определяющим действием, является быстрая остановка кровотечения с использованием различных средств. Данное обстоятельство определяется тем фактом, что кровотечение представляет большую опасность жизни человека, так как связано с недостаточным кровоснабжением тканей, потерей крови, которое приводит к гипотензии (снижению артериального давления), затем гипоксии (кислородному голоданию), дыхательной и сосудистой недостаточности и даже к летальному исходу. Следует отметить, что к летальному исходу может привести даже сравнительно небольшая кровопотеря в пределах 15-20 %. Поэтому адекватная своевременная остановка кровотечения дает возможность во многих случаях спасти жизнь человека, предотвращая развитие травматического шока, во многом облегчая последующее выздоровление. В настоящее время методы остановки кровотечения делятся на четыре основные группы: механические, химические, биологические и термические [1].

При обширных ранениях и сильных кровотечениях одновременно или последовательно применяются несколько методов из перечисленных в различных комбинациях. В полевых условиях наиболее простым способом устранения кровопотерь является механический (наложение жгута, повязок, тампонов и т.п.) [2]. Другим методом остановки крови является химический или биологический (использование лекарственных средств, например, таких, как криопреципитат, дицинон, кальция глюконат, викасол, протамина сульфат и др.) [3]. Однако, в первом случае, может наблюдаться низкая эффективность остановки крови, связанная, например, с плохой свертываемостью, во втором – с недоступностью соответствующих лекарственных препаратов. В этой связи актуально использование новых методов остановки кровопотерь [4-6], к которым также относится термический метод, основанный на локальном охлаждении зоны кровотечения [7]. Эффект от местного применения холода состоит в вызываемом спазме сосудов, что приводит к снижению объемного кровотока по поврежденному сосуду и тем самым, способствует фиксации тромбов в месте повреждения. Практически при любом виде травм в практике оказания первой помощи в этом случае применяется пузырь со льдом [8].

При желудочном кровотечении желудок промывают холодной водой [9]. Несмотря на то, что перечисленные методы достаточно эффективны, их главными недостатками являются сложность использования в полевых условиях, где сказывается отсутствие постоянного источника холода, дискомфортность процедуры остановки кровотечения, риск обморожения тканей. В этих условиях актуальным является разработка и исследование новых технических средств, позволяющих реализовывать с высокой эффективностью рассмотренный метод остановки кровотечения, основанный на локальном замораживании области кровопотери. В качестве таких технических средств перспективным представляется использование приборов и устройств, исполнительным элементом в которых являются термоэлектрические преобразователи энергии [10-11].

Постановка задачи. Целью исследования является изучение возможностей применения термоэлектрических преобразователей энергии для остановки кровотечения, описание конструкции устройства, реализованного на их основе, а также приближенное моделирование процессов теплообмена при остановке кровотечения с использованием данной конструкции

Методы исследования. Предлагаемая к рассмотрению конструкция устройства (рис.12) [12] состоит из термоэлектрической батареи (ТЭБ) 1, рабочей поверхностью 2 сопряженной с тепловыравнивающей пластиной 3. Поверхность 4 ТЭБ 1, противоположная рабочей 2, приведена в тепловой контакт с теплосъемной пластиной 5. Тепловыравнивающая 3 и теплосъемная 5 пластины, обладающие высокой теплопроводностью, связаны между собой креплениями 6 (например, в виде болтового соединения) так, чтобы тепловыравнивающая, теплосъемная пластины и ТЭБ образовывали жесткую конструкцию. Для устранения теплоперетоков между  тепловыравнивающей 3 и теплосъемной 5 пластиной крепления 6 выполняются из материала с низким коэффициентом теплопередачи (например, пластмассы). На поверхность тепловыравнивающей пластины 3, контактирующей с объектом воздействия, с хорошим сцеплением нанесен тонкий слой эластичного материала 7 (например, силикона). Питание ТЭБ 1 производится управляемым источником электрической энергии 8. Для плотной фиксации устройства на поврежденном участке ткани используется фиксирующее приспособление 9, выполненное виде двух полос из кожного или матерчатого материала, с одной стороны крепящихся по бокам тепловыравнивающей пластины 3, а с другой имеющие возможность осуществлять ременное соединение. Перед эксплуатацией прибор тщательно дезинфицируется и затем поверхностью с нанесенным эластичным материалом 7 приводится в механический контакт с поврежденным участком ткани. С помощью фиксирующего приспособления 9 производится плотное прижатие устройства к пораженному участку. Далее посредством управляемого источника электрической энергии 8 на ТЭБ 1 подается постоянный электрический ток такой полярности, чтобы ее рабочая поверхность 2, и, следовательно, тепловыравнивающая пластина 3 и эластичный материал 7, охладились. Величина тока питания, а также продолжительность охлаждения определяются длительностью кристаллизации, затвердевания и остановки кровотока поврежденного участка. Излишек теплоты, выделяющейся на поверхности 4 ТЭБ 1, противоположной рабочей, отводится в окружающую среду посредством теплосъемной пластины 5. После остановки кровотечения на ТЭБ 1 от источника электрической энергии 8 подается краткий импульс тока противоположной полярности, что приводит кнепродолжительному нагреву тепловыравнивающей пластины 3 и эластичного материала 7 с целью снятия болезненных ощущений при съеме устройства. Далее происходит непосредственно съем прибора, после чего проводятся дальнейшие медицинские процедуры.

Использование ТЭБ при воздействии на место кровотечения дает возможность получить более высокую интенсивность охлаждения, тем самым сокращая продолжительность образования тромба, прекращающего кровоток, а применение реверса тока дает возможность устранить болезненные ощущения при съеме прибора с поврежденного участка. При этом сокращение длительности охлаждения во многом сокращает риск обморожения близлежащих тканей.

Вывод. Проведенное исследование позволяет сформулировать следующий вывод: 1. В настоящее время в практике оказания первой медицинской помощи, связанной с остановкой кровотечения, эффективным является использование новых методов, основанных на локальном замораживании зоны кровотока. 2. Существующие технические средства, реализующие данный метод (пузырь со льдом, промывание холодной водой) имеют определенные недостатки: сложность использования в полевых условиях, где сказывается отсутствие постоянного источника холода, дискомфортность процедуры остановки кровотечения, риск обморожения тканей. 3. Эффективным техническим средством для остановки кровотечения методом замораживания является термоэлектрическое устройство специальной конструкции, дающее возможность обеспечивать высокую интенсивность охлаждения, сокращая продолжительность образования тромба, прекращающего кровоток, реверс тока, что дает возможность устранить болезненные ощущения при съеме прибора с поврежденного участка. 4. Разработана модель термоэлектрического устройства для остановки кровотечения, реализованная на основе решения задачи о затвердевании вязкой жидкости методом Л.С. Лейбензона с учетом электро- и теплофизических характеристик источника холода - ТЭБ. 5. В результате численного эксперимента получена зависимость продолжительности образования ледяной корочки на ткани толщиной 1 мм, что соответствует возможности остановки кровотечения, от величины тока питания ТЭБ, согласно которой следует, что при увеличении тока питания продолжительность образования ледяной корки снижается и может составлять порядка 160 с при 5 А. 6. Указано, что подбор параметров ТЭБ и тока ее питания должен ориентироваться на медицинские нормы и стандарты во избежание процесса обморожения прилежащих в зоне кровотечения тканей.

Список литературы

1. Корнеев А. Первая медицинская помощь. Донецк: БАО. - 2013. - 240 с.

2.   Первая медицинская помощь: Справочник / Под общ. ред. В. М. Баршая и Л. В. Димитровой. Ростов на Дону: Феникс. - 2001. - 346 с.

3.         http://fb.ru/article/165072/krovoostanavlivayuschie-preparatyi-krovoostanavlivayuschiepreparatyi-v- ginekologii.

4. Сапин М. Р. Анатомия и физиология человека. М.: Просвещение. - 2000. – 256 с.

5.   Столяров Е.А., Грачев Б.Д., Косов А.И., Батаков Е.А., Навасардян А.С.Остановка кровотечения. Острая кровопотеря. Переливание крови и ее компонентов.: Учебное пособие. Самара: СамГМУ. - 2005. - 157 с.

6.   Воробьев А.И., Городецкий В.М., Шулутко Е.М., Васильев С.А. Острая массивная кровопотеря. М.: ГЭОТАР-Медия. - 2001. - 172 с.

7. Глыбочко П.В., Николаенко В.Н. и др. Первая медицинская помощь: Учебник. Москва: Академия.- 2013. - 305 с.

8.   Яромич И.В. Скорая и неотложная медицинская помощь. Минск: Вышэйшая школа. - 2010. - 289 с.

9. Неотложная хирургия органов брюшной полости / Под ред. В.В. Леватовича. М.: ГЭОТАР-Медиа.- 2007. - 247 с.

10.   Ssennoga Twaha, Jie Zhu, Yuying An, Bo Li. A comprehensive review of thermoelectric technology: Materials, applications, modelling and performance improvement // Renewable and sustainable energy reviews. - 2016. - vol. 65. - pp. 698-726.

11.   Yevdulov O.V., Ragimova T.A. Investigation of thermoelectric system for local freezing of tissues of the larynx // Journal of Thermoelectricity. - 2015. - № 2. - pp. 86-94.

12. Патент РФ на изобретение № 2594821 Термоэлектрическое устройство для остановки кровотечения / Исмаилов Т.А., Евдулов О.В., Евдулов Д.В., опубл. 20.08.2016, Бюл. №23.

13. Анатычук Л.И. Термоэлектричество. т.2. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества. - 2003. - 376 с.

14. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа. - 1967. - 600 с. 15. Левчук И.П.,Третьяков Н.В. Медицина катастроф. - М.: ГЭОТАР-Медиа. -2011. - 246 с.