Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время, в России не существует утвержденных стандартов оснащения учреждений службы крови специализированным медицинским оборудованием, применяемые аппараты не всегда отвечают технологическим требованиям. Наряду с этим, имеется острый недостаток донорской крови: на 1000 человек населения приходится менее 14 доноров, при необходимости в 4 раза больше. В итоге, значительно сокращается количество потенциально пригодных к применению компонентов и препаратов крови.
Кровь, её компоненты и препараты - биологические продукты, необходимые в трансфузионной терапии для коррекции нарушений гомеостаза и управления функциями организма направленным изменением свойств, состава и объема циркулирующей крови внутрисосудистым введением трансфузионных средств, а также трансфузиологическими операциями экстракорпоральной гемокоррекции, физиогемотерапии и искусственного кровообращения.
Получение компонентов и препаратов крови с максимально высокими показателями биологической активности, от которых зависит положительный результат при их применении, является главной задачей учреждений службы крови.
Трансфузия гемотрансфузионньгх сред сопряжена с высоким риском посттрансфузионных осложнений, что подтверждается данными медицинской статистики как в России, так и за рубежом. По данным Российского НИИ гематологии и трансфузиологии около 30% посттрансфузионных осложнений приводит к летальному исходу. По данным трансфузиологической службы США, технические и организационные факторы стоят на 2-м месте по количеству посттрансфузионных осложнений, что составляет около 25%о (рис.1) от общего числа посттрансфузионных осложнений.
Рисі. Причины посттрапсфузионныхосложнений
Основной причиной потери биологической полноценности компонентов и препаратов крови является нарушение температурно-временных условий в процессе их получения, начиная от забора крови, её хранения, хранения компонентов и препаратов донорской крови, культивирования компонентов крови, и оканчивая подготовкой к трансфузии.
По данным ряда ученых (Holme S., Moroff S., Krishnan LK, Sulochana P. и др.) установлено влияние температуры на различные компоненты и препараты крови. Известно, что при нестабильности поддержания температуры в допустимых пределах, при хранении компонентов донорской крови, наблюдаются значительные морфологические изменения клеток крови, рН, наблюдается потеря физиологических функций, уменьшаются сроки их хранения, в итоге, значительно меняется их функциональная активность в посттрансфузионный период.
Анализ влияния температурных режимов и точности их поддержания на полноценность компонентов и препаратов крови, в процессе их получения, показал необходимость использования для этих целей прецизионного теплотехнического оборудования.
В области медицинского теплотехнического оборудования для обеспечения температурных условий получения и применения компонентов и препаратов крови, существует множество наработок и производится
большое количество аппаратов, но, как показал анализ, они имеют ряд недостатков, основные среди которых:
проведение контроля температуры по одному датчику в камере, что не позволяет судить о изотермичности всего рабочего объёма;
обеспечение контроля температурного режима по датчику в воздухе камеры, а не по температуре компонента крови;
низкая точность поддержания температурного режима.
Кроме этого, среди производителей часто не соблюдается размерная связь различных по функциональному назначению теплотехнических аппаратов, обеспечивающих необходимые условия определенных технологических этапов, что, в конечном итоге, влиязт на температурно-временные показатели всего технологического процесса, а соответственно и на качество, компонентов и препаратов крови.
В связи с этим, необходим комплексный подход к процессу получения и применения компонентов и препаратов крови.
Практическое отсутствие отечественных аппаратов, обеспечивающих оптимальные значения температурно-энергетических и временных факторов при получении компонентов и препаратов крови, высокие цены зарубежных аппаратов, недоступные для широкого круга учреждений различного уровня, наряду с острой потребностью в больших количествах компонентов и препаратов крови с максимально высокой биологической полноценностью, определяют актуальность выполненных в диссертации научно-технических исследований. Конечным итогом и целью работы явилось обеспечение оптимальных условий для получения биологических продуктов с высокими показателями критериальной полноценности. В связи с чем, сформирована совокупность конструкторско-технических решений, реализованных в нескольких принципиально новых модификациях высокоэффективных морозильных аппаратов для высокоскоростного замораживания плазмы, морозильниках, прецизионных изотермических термостатах-холодильниках и термостатах-инкубаторах для хранения и культивирования компонентов
крови, обеспечивающих в итоге максимально высокую биологическую полноценность компонентов и препаратов.
Цель диссертационной работы - разработка совокупности теплотехнических аппаратов для обеспечения оптимальных температурно-энергетических условий на этапах технологических процессов получения компонентов и препаратов крови с высокой степенью критериальной полноценности.
Поставленная цель определила следующие задачи:
-
Исследование влияния на биологическую полноценность компонентов и препаратов крови временных, температурных, энергетических факторов при реализации процессов фазового перехода, хранения, культивирования.
-
Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем медицинских термостатов базирующихся на многоканальном регулировании как тепловых мощностей различных направлений, генерируемых тепловоздействующими блоками различной физической природы, так и интенсивности теплообмена.
-
Разработка обобщенных методов расчета и оптимизации тештовоздействующих блоков медицинских термостатов в виде полупроводниковых термомодулей, на основе эффекта Пельтье.
-
Разработка конструкций, электрических и гидравлических схем комплекса термопреобразователей, реализующих процесс фазового перехода, хранения и культивирования в биологическом продукте с заданными температурно-временными показателями.
Научная новизна
1. Посредством использования критериальных уравнений теории подобия выполнен анализ условий теплоотаода при вынужденной циркуляции жидкого или газообразного теплоносителя вдоль внешней поверхности полимерных контейнеров с биологическим продуктом, претерпевающим фазовые превращения, показавший, что для
ускорения процесса фазового перехода целесообразно обеспечивать ламинарный характер движения теплоносителя, а также биологического продукта внутри контейнеров.
-
Разработан метод оптимизации термоэлектрических преобразователей, реализующих эффект Пельтье, учитывающий полную совокупность теплофизических процессов, происходящих в ветвях термоэлементов, динамику изменения термоэлектрических свойств полупроводниковых материалов с изменением температуры, основывающийся на безразмерных уравнениях, определяющих квадратичную зависимость тепловых мощностей от безразмерного тока, и устанавливающих явную связь между температурами внешней среды и рабочего объёма.
-
Разработан метод расчета и оптимизации аэродинамических и теплофизических параметров воздушных плоскорёберных теплообменников, позволяющий определять критерий максимальной тепловой эффективности при заданных габаритно-массовых ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.
-
Разработан алгоритм и методика оптимизации гидравлической сети низкотемпературных холодильных агрегатов, применение которых позволяет на (40+45)% уменьшить время выхода морозильных аппаратов на рабочий режим, уменьшить на (20+30)% длительность акта замораживания, обеспечивать температурно-временные параметры этапа «домораживания» криоконсервированного продукта в соответствии с требованиями нормативных документов и надежную работу аппаратов при условии частичной загрузки.
Практическая значимость
1. Разработан типеряд терместатпрующпх аппаратов ка основе полупроводниковых тепловоздействующих блоков, использующих эффект Пельтье и обеспечивающих высокую степень объемной изотермичности посредством многоканального регулирования и
контроля температуры в рабочей камере по нескольким датчикам температуры.
-
Разработана принципиально новая гидравлическая схема компрессионных холодильных агрегатов, применяющаяся в медицинских морозильных аппаратах, как при обеспечении высокоскоростных режимов замораживания, так и при хранении криоконсервированных компонентов и препаратов крови, основывающаяся на автоматическом регулировании подачи хладагента и обеспечивающая реализацию нескольких заданных температурно-энергетических уровней.
-
Разработаны прецизионные динамические жидкостные аппараты для размораживания и подогрева криоконсервированных биологических продуктов, обеспечивающие возможность высокоточного поддержания температурного режима в рабочем диапазоне от + 30С до + 60С с точностью ±0.1 С во всем рабочем объеме.
-
Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы явилось разработка ряда морозильных аппаратов «Гемотерм» для обеспечения высокоскоростных режимов замораживания и хранения криоконсервированных компонентов и препаратов крови, термостатов «ЭкспОТ» для обеспечения режимных параметров технологических процессов, установленных нормативными документами, при заготовке, хранении, культивировании компонентов и препаратов крови. Разработанные аппараты используются во многих стационарных учреждениях службы крови и на нескольких типах передвижных пунктов заготовки донорской крови.
Положения выносимые на защиту
1. Алгоритм решения критериальных уравнений подобия, определяющих теплообменные процессы в воздушной и жидкой среде, в биологическом веществе при реализации фазового перехода, при термостатировании, механическом перемещении с ускорением,
периодически изменяющемся по величине и направлению.
-
Алгоритм обобщенной оптимизации термоэлектрического преобразователя, основывающийся на безразмерных уравнениях, определяющих квадратичную зависимость тепловых мощностей от безразмерного тока, и устанавливающих явную связь между температурами внешней среды и рабочего объёма.
-
Алгоритм решения задачи оптимизации плоскорёберных воздушных теплообменников, определяющий нахождение критерия наивысшей тепловой эффективности при заданных габаритно-массовых ограничениях, плотности отводимого теплового потока и известных динамических характеристиках вентилятора.
-
Методика расчета многоконтурного холодильного агрегата медицинского морозильного аппарата с несколькими температурно-энергетическими уровнями.
Апробация работы и публикации. Апробация работы проведена на научном семинаре ФГУ «ВНИИИМТ». По теме диссертации опубликовано две научных статьи, получено 3 патента на полезную модель, патент на изобретение, опубликовано 4 научных отчета.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и выводов, библиографического списка, включающего 91 источник, 18 из которых иностранных. Основное содержание работы изложено на 130 страницах, содержит 55 рисунков, 25 таблиц.
