(495) 984-74-92
(495) 226-51-87
info@xiron.ru
Главная
Техническая информация
Интересное
Исследование взаимосвязи механизмов теплообмена

Исследование взаимосвязи механизмов теплообмена и терморегуляции человека в низкотемпературных камерах

Издавна считается, что человек связан с природой, живет окруженный природой, и зависит от нее. Именно природа задает нам и настроение, и самочувствие. Люди очень чувствительны к изменениям погоды. А в связи с глобальным изменением климата все больше и больше стали следить за погодой и пытаться приспособится к ней. Человек излишне заботится о своем комфорте — слишком теплая одежда для плюсовой температуры; создание микроклимата практически во всех общественных местах, дома и на работе. Организм человека привыкает к нормальным климатическим условиям, но при этом ослабевает его иммунитет и он не готов противостоять резким перепадам температур или просто ненастью (ветер, дождь, мороз).

Проблема сезонных простудных заболеваний очень актуальна в наши дни. К простудным заболеваниям относят разнообразные острые инфекционные заболевания и обострение хронических заболеваний верхних дыхательных путей. Простудные заболевания относятся к группе «острых респираторных вирусных инфекции (ОРВИ)». Почти каждый россиянин хотя бы один раз в течение осенне-зимнего периода переносит ОРЗ, ОРВИ или грипп. По данным официальной статистики гриппом и другими ОРЗ на территории России и стран ближнего зарубежья ежегодно болеет около 40 миллионов человек. Вероятность заражения и тяжелого течения заболевания с осложнениями тем выше, чем слабее защитные силы человека, то есть иммунитет.

Не всегда спасает такой метод профилактики сезонного гриппа, как вакцинация. В силу стремительных мутаций вирусов гриппа, этот метод не может обеспечить надежную защиту. Главной и надежной защитой для человека остаются внутренние силы организма — иммунитет. Именно его нужно укреплять, закалять и поддерживать.

Закаливание-совокупность процессов в организме ориентированных на противостояние повторяющимся сильным термическим воздействиям. При этом организм человека претерпевает изменения, приводящие к улучшению процессов терморегуляции. Закаливание организма — применение холода во всех его видах и формах (холодная вода, лед, холодный воздух).

Еще во времена древности холод использовался для уменьшения местного воспаления и создания анестезии. Местное прикладывание льда, холодной воды поныне остается распространенной процедурой в лечебной практике. Упоминания о лечебном действии холода встречаются в трудах Гиппократа, Авиценны и в более ранних источниках. Многие известные врачи, начиная с Галена, с успехом применяли в качестве противовоспалительного средства низкие температуры. А египтяне еще за 2500 лет до нашей эры применяли холодные компрессы для лечения ранений грудной клетки и переломов костей черепа.

Более 100 лет назад немецкий ученый, пастор П. Кнайп, прыгнув в ледяной Дунай, чтобы вылечиться от лихорадочного воспаления легких, доказал на самом себе, что самое тяжелое заболевание можно победить благодаря холодовому воздействию водных процедур. А знаменитый русский полководец Александр Суворов, будучи от рождения довольно болезненным человеком, путем закаливания холодом укрепил свое здоровье и на протяжении многих лет жизни сохранял высокий уровень работоспособности. Чтобы приучить себя к холоду, он ходил по несколько часов обнаженным и регулярно обливался холодной водой.[2]

В конце XIX — начале XX в. во многих странах начали проводиться исследования по оценке влияния на организм искусственного глубокого охлаждения — гипотермии. Этот метод нашел широкое распространение. Суть его заключается в том, что производится безопасное и высокоинтенсивное охлаждение всего тела человека до температуры 0˚С на охлаждаемой поверхности и не ниже 25˚С в глубине тела. Криотерапия является одним из вариантов гипотермии. Криотерапия – метод воздествия на тело человека холодным газом с температурой −120…-180˚С при помощи специальной аппаратуры в течение 2-3 мин. [7]

Криотерапия, как фундаментальное направление медицины сделала весомую заявку о себе в конце 70-х годов ХХ века, когда японский врач Тосимо Ямаучи на ревматологическом конгрессе в Висбадене доложил об очень эффективных результатах лечения ревматоидного полиартрита в специальном воздушном криоториуме с температурой минус 160˚С-180˚С. Немецкие ревматологи, имевшие основательный опыт аппликационного холодолечения ледовыми термопакетами, подхватили идею Т. Ямаучи. Для решения такой сверхзадачи, помимо очень низких (до минус 160˚С) температур, он использовал еще и методы запредельных волевых усилий пациента, а именно, огромные физические нагрузки. [2]

Сеансы криотерапии, основанные на применении различных газовых сред в качестве хладагента, проводятся с помощью специального оборудования и в предназначенных для этих целей камерах, которые оснащены необходимыми приспособлениями, гарантирующими полную безопасность процедуры.

Существует три уровня воздействия криотерапии: 1) низкотемпературная газовая гипотермия +20°С…-30°С; 2) криотерапия −30°С…-150°С; 3) экстремальная криотерапия −150°С…-180°С. [2] В зависимости от площади воздействия различают локальную и общую криотерапию. Суть локального воздействия заключается в следующем: газовая смесь или воздух, охлажденный до температуры от −30°С до −180°С, через рукав подается непосредственно на очаг (пораженный орган; кожную поверхность, ожоговую или язвенную и т.д.). Продолжительность воздействия составляет 1-3 мин. Общая криотерапия: больной помещается в криокамеру, с температурой от −100°С до −150°С на 1-3 мин. При этом соблюдаются все меры безопасности, связанные с нахождением больного в экстремальной среде.

Устройства локального действия подразделяются на контактные (криопакеты, криоаппликаторы, термоэлектрические устройства) и бесконтактные (направленная газовая или парожидкостная струя). Устройства общего действия также разделяются на контактные (ледяные ванны, ледяное обертывание) и бесконтактные (обдувание газовой струей в криокабинах, воздействие парожидкостной смесью азота). Также криотерапевтические кромплексы общего действия могут быть как индивидуальные так и для нескольких пациентов.

Все известные криотерапевтические установки общего действия образованы из двух основных частей: устройства для размещения пациента (камеры) и блока подготовки теплоносителя. Оба элемента находятся в тесной технологической и конструктивной связи. Конструкция аппаратов должна обеспечивать безусловную безопасность криотерапевтических процедур. Система криостатирования — силовой агрегат криотерапевтического комплекса, с помощью которого теплота отводится из зоны криовоздействия. Варианты исполнения криостатирующей аппаратуры криотерапевтических комплексов многочисленны и разнообразны. В данных системах используются традиционные для криогенной и холодильной техники решения.

При проведении криовоздействия, камера заполняется подготовленным (охлажденным и осушенным) хладоносителем, при этом технология производства хладоносителя оказывает определяющее влияние на конструкцию камеры. В криотерапевтических установках в качестве среды, заполняющей камеру с пациентом, используют пары азота, обогащенный азотом воздух и воздух с нормальной концентрацией кислорода. В случаях когда хладоноситель для дыхания не пригоден в конструкции камеры предусматриваются системы защиты от гипоксии. Например, в установке компании "Medizintechnik Kirschеman + Schweizer " (ФРГ) предусмотрен принудительный подвод атмосферного воздуха к органам дыхания пациента. Пациент размещается в камере таким образом, чтобы голова оказывалась в пространстве, отделенном от рабочей зоны камеры перегородкой, и в которое при помощи вентиляторов нагнетается атмосферный воздух рис.1[10].

Физический принцип холодной стены
Рис.1. Кабина для криотерапии. 1.-кабина; 2- камера для размещения головы человека;3- перегородка;4-переточные решетки;5-вентиляторы подачи атмосферного воздуха;6-форсунки подачи газа;7-коллектор забора газа;8-труба подачи газа;9-датчики кислорода;10-двери.

Компанией «Messer Griesheim» предложена схема криотерапевтической установки, в которой хладоноститель получают за счет контактного теплообмена между атмосферным воздухом и жидким азотом рис.2.

схема криотерапевтической установки
Рис.2. Схема подготовки хладоносителя. 1-вентилятор подачи атмосферного воздуха;2-рекупиративный теплообменник;3-смеситель;4-трубопровод подачи жидкого азота; 5-кабина пациента;6-вентили;7-вентилятор для откачки газа из кабины.

Схема подготовки хладоносителя с нормальным содержанием кислорода, предложена компанией «Nichon Sanso» (Япония). В камеру направляется осушенный и охлажденный до −170…-180˚С атмосферный воздух. Подготовка (осушка и охлаждение) атмосферного воздуха осуществляется в блоке, состоящем из адсорбера и рекуперативного теплообменника рис.3.[2]

схема криотерапевтической установки
Рис.3. Схема подготовки хладоносителя. 1-вентилятор подачи атмосферного воздуха; 2 –абсорбер;3-рекупиративный теплообменник; 4-вентиль; 5-кабина пациента.

Ямаучи лечил больных в криовоздушной камере. Главной особенностью его криотерапевтического процесса стало использование только охлажденных воздушных газовых сред в сочетании с большими объемами главных камер. Больной через предкамеру попадет в главную камеру, дышит воздухом при −100 …-140°С, активно двигается во время процедуры.[2]

Имеющееся на сегодняшний день компрессионное холодильное оборудование немецких фирм Zimmer и Seus, как и японское, и польское стационарное оборудование и аппаратура с использованием жидкого азота, отличаются чрезвычайной сложностью. Портативное оборудование с охлаждением жидким азотом было впервые разработано в России в 1984-90 гг. в Ленинградском технологическом институте холодильной промышленности под руководством профессора Головко Г. А. Развитием этой работы является установка медицинского центра «Криомед» г. Москва.

В криотерапевтическом комплексе (криобасейне) индивидуального действия «Каэкт-01-Крион» (г. Санкт-Петербург) в камеру подается охлажденная до −150°С газовая воздушно-азотной смесь. Пары азота вытесняют воздух и, поднимаясь до уровня шеи, откачиваются. Предусмотрено, что голова пациента во время процедуры не контактирует с газовой смесью, пациент дышит обычным воздухом и находится в визуальном контакте с врачом. Камеры работают в импульсном режиме с автоматической подачей жидкого азота в генератор холода рис. 4.[11]

схема криотерапевтической установки
Рис.4. Схема криотерапевтического комплекса «Каэкт-01-Крион». I-кабина пациента; II-блок подготовки хладоносителя;III-заправочное устройство; 1-канал подачи хладоносителя; 2- трехходовой клапан; 3-канал откачки отбросного потока;4-канал откачки финищной откачки; 5-вентилятор; 6-пациент; 7-подъемник; 8-привод подъемника; 9-сосуд Дьюара; 10-канал выброса газа в атмосферу; 11-панель распределения газа в кабине; 12-канал рециркуляционного потока.

«Криомед-20/150-01» (г. Москва)- криокабина, предназначена для индивидуальных процедур и также использует азотно-воздушную смесь для охлаждения. Но защита пациента от гипоксии осуществляется с помощью профелированного окошка, где пациент размещает голову во время процедуры и при этом дышит атмосферным воздухом рис.5.

схема криотерапевтической установки
Рис.5. Схема криотерапевтического комплекса «Криомед-20/150-01». 1-пациент; 2-устройство газоподготовки; 3-сосуд Дьюара; 4-устройство подачи жидкого азота; 5-устройство дозировки газа; 6-кабина; 7-каналы подачи хладоносителя; 8-отверстие для головы пациента; 9-пульт управления; 10-диски для уровня; 11-предохранительный клапан; 12-канал для охлаждения вентилятора.

Компактные камеры криотерапии, без использования жидкого азота, на базе системы охлаждения воздуха на одном компрессоре, работающем на смесях холодильных агентов, было разработано на предприятии «Холод»(г. Киев). Двухкамерный блок состоит из предкамеры и основной криопроцедурной камеры. Холодильный блок подает обычный атмосферный воздух, предварительно охлажденный до температуры от −60°С до −120°С.рис.6 [2]

схема криотерапевтической установки
Рис.6. Схема групповых криотерапевтических комплексов. 1-основная камера; 2-предкамера; 3-пульт управления; 4-гермитичные теплоизолированные двери; 5-холодильная машина; 6-ресиверы; 7-конденсатор; 8-гермитичное смотровоеокно; 9-испарители.

Выбор стратегии разработки камер общей кроитерапии основан на учете анализа недостатков известных камер общей криотерапии, которые в общем сведены к следующим:

Недостатки, связанные с типом охлаждения:

1. для варианта камеры с компрессионным охлаждением
  • термодинамически несовершенная система получения холода, используются три каскада на однокомпонентных холодильных агентах,
  • наличие однокомпонентных холодильных агентов делает практически невозможным осуществлять в этих камерах режим охлаждения ниже −120?С,
  • наличие трёх каскадов холодильного оборудования делает всю систему сложной, металлоёмкой и громоздкой,
  • значительный шум оборудования, что может ограничивать возможности установки такого оборудования,
  • потребность в значительных площадях для размещения холодильного оборудования,
  • высокая стоимость,
  • сложность эксплуатации;
2. для варианта камер с азотным охлаждением («КРИОМЕД-20/150-01» г. Москва, «КАЭКТ-01-КРИОН»г. Санкт-Петербург)
  • для работы камеры общей криотерапии необходимо обеспечение жидким азотом от 4-х до 8 литров на пациента,
  • проблемы с доставкой жидкого азота, причем зачастую междугородней,
  • проблем связанных с хранением жидкого азота, т.е. необходимость приобретение азотных танков, их безопасной установки и их безопасного обслуживания,
  • трудности с возможностью автоматизацией,
  • необходим постоянный контроль за количеством азота.

Недостатки, связанные с конструкцией камер:

1. Сауны («КРИОСАУНА» ОАО «Холод»,г Киев, «КриоСпейс» Германия.)
  • пациент дышит воздухом, охлажденным до –120?С;
  • невозможность быстрой эвакуации пациента из сауны;
  • визуальный контроль только через окошко;
  • невозможность быстрой остановки процедуры по просьбе самого пациента;
  • большой градиент температуры, не только по ширине, но и высоте кабины.
2. Кабина («КРИОМЕД-20/150-01»г. Москва, «Арктика» Польша.)
  • малый внутренний объём камеры, некомфортные условия,
  • голова пациента находится вне кабины, что стесняет свободу движения.
  • невозможность одновременного приёма криопроцедур для нескольких пациентов, например, родителей с ребёнком.
3. Бассейн («КАЭКТ-01-КРИОН» г. Санкт-Петербург)
  • пары азота вытесняют воздух и, поднимаясь до уровня головы, могут вызвать явления маргинальной гипоксии, переход ее в асфиксию и, что совершенно недопустимо, азотное апноэ (остановку дыхания).
  • большой градиент температур по высоте кабины (плечи при комнатной температуре, ноги-при −140°С).

Недостатки связанные с процессом теплобмена в камерах:

  • теплообмен в существующих камерах в основном посредством вынужденной конвекции;
  • скорость потоков около тела пациента может достигать 1м/с, что вызывает сильное переохлаждение и дискомфорт;
  • регулирование холодопроизводительности системы осуществляется с помощью регулирования скорости подачи холодного газа, что вызывает дискомфорт при проведении процедуры.
Все особенности конструкций и систем подготовки хладоносителя рассмотренных комплексов имеют свои достоинства и недостатки. Но главный недостаток всех существующих систем связан даже не с конструкцией и не с системой криостатирования, он главным образом связан с неопределенными в каждом случае режимами проведения криотерапевтических процедур. Условия проведения процедур должны учитывать влияние холода на системы жизнедеятельности человека, способность системы терморегуляции пациента противостоять переохлаждению тела. Поэтому чтобы правильно поставить задачу и правильно воздействовать и регулировать процесс криостатирования необходимо разобраться как может противостоять организм человека данному экстремальному воздействию.

Физиологической основой реакции организма на охлаждение служит выработанная на протяжении эволюционного процесса реакция терморегуляции. В осуществлении терморегуляции участвуют обширные поля холодовых рецепторов, в составе центрального регулирующего аппарата находятся кора больших полушарий, гипоталамус. В реакцию включаются и гормональная система (гипофиз, надпочечники, щитовидная железа и д.р.) В процессе охлаждения возникают изменения нервной деятельности и физиологических функций (газовый и углеродный обмен, кровообращение, дыхание, двигательная активность и д.р.) Сначала перечисленные функции усиливаются, а на глубоких стадиях охлаждения тела – угнетаются. [1]

Первая стадия реакции на внешнее охлаждение связана с усилением физиологических функций: повышение артериального давления, возрастания сахара крови, повышение минутного объема крови, выбрасываемой в аорту, спазм периферических сосудов, увеличение теплообразования, возрастает обмен и потребление кислорода, отмечается учащение пульса и тому подобное. Наблюдается усиление двигательной активности, дрожь в мышцах туловища и конечностей, иногда судорожные сокращения в мышцах. Усиливается возбудимость и проводимость импульсов в нервной системе. Эти реакции сходны с теми, которые имеют место при возбуждении симпатических отделов вегетативной нервной системы, повышении функции мозгового отдела надпочечников и выделении в кровь больших количеств адреналина. Еще в 1936 г. было показано, что внешнее охлаждение является типичным «стрессом», вызывающим общий синдром адаптации.[5] Причинами стрессорной реакции в условиях охлаждения считается взаимодействие двух факторов: охлаждающего влияния среды и психогенного, эмоционального фактора, который всегда сопровождает патологическое охлаждение – замерзание человека в естественных условиях[6].

Итак, при легкой адинамической форме охлаждения и в том числе при остром охлаждении возникает возбуждение нервной системы, усиливается дыхание, кровообращение и терморегуляция. При этом, благодаря усилению обмена, в некоторые периоды времени температура тела сохраняется в пределах нормы, однако в последующем компенсаторные механизмы оказываются недостаточными и развивается постепенное падение температуры тела [1].

На стадиях переохлаждения повышенное выделение гормонов гипофиза и коры надпочечников приводит к появлению различных нарушений – гиперреактивности, усилению воспалительных процессов в соединительных тканях, ревматоидными поражениями, гипертонии и другим. Также, нарушается обмен веществ[5]. Изменение нервной деятельности в ходе охлаждения тела вызывают в свою очередь дальнейшие расстройства жизнедеятельности. К ним относятся прежде всего истощение энергетических ресурсов, развивающееся в первой стадии охлаждения тела в связи с чрезмерно выраженной реакцией повышения теплопродукции[5].

Все процессы, происходящие во время и после охлаждения, связаны с внутренними изменениями, направленными на поддержание постоянства температуры организма человека. Ведь главная функция терморегуляции — сохранить температуру тела на постоянном уровне, так как все протекающие в живом организме реакции, включая обмен веществ, зависят от температуры. В комфортных условиях в организме человека вырабатывается количество энергии, необходимое для проведения химических реакций обмена веществ. Интенсивность процессов превращения энергии возрастает пропорционально внешней температуре в соответствии с правилом Ван-Гоффа[12]. Если организм охлаждать, начиная с комфортной температуры окружающей среды, интенсивность протекающих в нем процессов энергетического обмена и, следовательно, выработка тепла возрастают, предотвращая понижение температуры тела.

Температура тела у большинства теплокровных находится в диапазоне от 36˚С до 37˚С. В теле человека можно выделить оболочку или поверхностный слой и сердцевину или внутренний слой. Температура внутренних слоев более чувствительна к перепадам температур и поэтому именно она поддерживается на постоянном уровне 36-43˚С[3,12], в отличии от температуры поверхностных слоев, которая может колебаться в приделах от 37˚С до 0˚С [12].

У человека при теплообмене температура поверхности тела всегда ниже внутренней температуры. Это означает, что артериальная кровь, притекающая к поверхностным тканям, теряет часть тепла, и оттекающая от поверхности венозная кровь холоднее, чем артериальная. Именно таким образом в основном осуществляется перенос тепла к поверхности тела. Для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано следующими способами: [12]

  1. за счет синтеза веществ в организме — химическая терморегуляция;
  2. за счет тонической или ритмической мышечной активности (дрожи);
  3. за счет ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц, так называемым несократительным термогенезом.
Терморегуляторное повышение теплопродукции называется химической терморегуляцией [12] Химическая терморегуляция, в отличие от основного обмена, который не может быть ниже определенного уровня и является объектом регуляции [4]. У взрослого человека холодовая мышечная дрожь — наиболее важный непроизвольный механизм терморегуляции. Холодовая дрожь представляет собой нерегулярные, периодически возникающие серии сокращений мышц. Частота возникновения серий и сила сокращений зависят от степени воздействия холода. Дрожь начинается при 20˚С и прогрессивно увеличивается при более низких температурах [4]. Экспериментально было показано, что у неодетого человека в помещении с температурой −1˚С из-за усиления теплообмена и появления холодовой дрожи образование тепла увеличилось на 430 Вт [3,13]. Такая теплопродукция может удерживать на более или менее нормальном уровне температуру внутренних органов, если перепад температур между «ядром» тела и воздухом составляет не более чем 35С, т.е при температуре воздуха не ниже 2˚С [3,13]. При защите от холода тепловая эффективность холодовой дрожи в 2.5 раза выше, чем произвольная мышечная работа [4].

Другим специфическим мышечным механизмом повышения теплопродукции в организме при угрозе охлаждения является терморегуляторный мышечный тонус. Этот механизм сходен с холодовой мышечной дрожью, но терморегуляторный тонус можно зарегестрировать только с помощью электрофизиологических методов. Терморегуляторный мышечный тонус более экономичен, чем холодовая дрожь. Энергетический эффект составляет 25-45% [4]. При адаптации человека к холоду температурный порог дрожи может быть сдвинут в сторону более низких значений, хотя повышение теплопродукции остается на необходимом уровне. Было показано, что при акклиматизации человека и животных к холоду наблюдается увеличение несократительного термогенеза. У человека теплопродукция при несократительном термогенезе может быть увеличена примерно в три раза по сравнению с уровнем основного обмена [4]. Так называемый «бурый жир»-ткань, служащая главным источником несократительного термогенеза [4]. Эта ткань обнаруживается между лопатками, в подмышечных впадинах и в других местах. Несократительный термогенез встречается у детей, у мелких животных и животных, вподающих в спячку. Во время акклиматизации животных к холоду главным является несократительный термогенез за счет активации бурой жировой ткани [4].

Для поддержания постоянной температуры тела человека скорость отдачи тепла должна быть сопоставима со скоростью его выработки в процессе метаболизма (совокупность всех процессов в организме). Менее половины всего тепла, выработанного внутри тела, распространяется к поверхности благодаря его проведению через ткани, но большая часть тепла переносится путем конвекции кровотоком от внутренних органов к периферии. «Ядро» организма отделяется от внешней среды последовательными слоями теплоизоляции, включающими в себя мышцы, жировую ткань, кожу, волосы и эпидермис (верхний слой кожи). Однако сами эти ткани имеют сравнительно малое значение теплопроводности.

Кровенаполнение покровных тканей определяет их температуру и теплопроводность, а тем самым и величину теплоотдачи конвекцией, теплопроводностью, излучением и в определенной степени даже испарением. Кроваток оболочки тела при термических раздражения изменяется в очень широких пределах: от 1 до 150 мл/100г ткани/мин., что обеспечивается протеканием крови через капилляры [6].

Под действие холода имеют место сосудистые сдвиги во всех частях тела: сужаются периферические сосуды, при этом теплоизоляция тканей возрастает, теплоотдача в среду уменьшается. Сужение кожных сосудов повышает теплоизолирующие свойства в 2-4 раза. Степень сужения периферических сосудов и, следовательно, понижение температуры охлажденных тканей зависит от интенсивности холодового раздражения и от времени его воздействия. При низкой температуре воздействия после сужения начинается фаза расширения сосудов, затем снова сужения, вновь расширения и т.д. Расширение кровеносных сосудов кожи в ответ на избыточное охлаждение известно всем – покраснение на морозе открытых частей тела. Полезное значение расширения сосудов в охлажденных тканях заключается в том, что волны теплой крови, притекающие к коже из «ядра» в фазу расширения сосудов, создают своеобразную тепловую завесу, предохраняющую глубже расположенную ткань от охлаждения и предотвращая замораживание и гибель поверхностных тканей. Эти волнообразные сдвиги тонуса сосудов более выражены при относительно сильном холодовом раздражении [6].

Таким образом, компенсация тепловых потерь за счет увеличенного теплообразования энергетически не выгодна. Заметное возрастание теплопродукции, а следовательно, значительный распад энергетических материалов компенсируют сравнительно слабые степени охлаждения; ее эффективность зависит от степени теплоизоляции тканей тела, одежды и воздуха. Эффективность этого пути компенсации может снижаться еще потому, что при усиленной мышечной работе (дрожь) теплоизоляция тканей тела понижается в результате повышенного кровенаполнения оболочки тела. Температурный градиент «оболочка» — среда возрастает, что усиливает теплопотери [6,13].

Условия теплоотдачи зависят от внешних факторов. Как известно, существуют несколько способов передачи тепла – теплопроводность, излучение, конвекция и испарение. Перенос тепла путем теплопроводностью происходит только при соприкосновении с внешним объектом. Около 22%[3] теплоотдачи человека в нормальных условиях осуществляется за счет испарения воды с поверхности кожи или со слизистой оболочки при дыхании. Но этот теплообмен характерен в основном тогда, когда температура окружающей среды превышает температуру тела. При охлаждении имеет малое значение.

При переносе тепла путем конвекции, кожа теплее окружающего воздуха и, прилегающий воздух нагревается, поднимается и замещается более холодным и плотным. В процессе естественной конвекции тепло уносится ламинарным потоком воздуха от поверхности кожи. Максимальная толщина ламинарного слоя 4-8мм. Но если конвекция вынужденная, то пограничный слой уменьшается и интенсивность теплоотдачи значительно увеличивается. Теплоотдача путем конвекции составляет нормальных значениях температуры около 32%[3].

Перенос тепла путем излучения подчиняется закону Стефана-Больцмана. Для небольшого диапазона температур перенос тепла за счет излучения может быть описан линейным уравнением. При средних температурах окружающего воздуха и предметов теплоотдача излучением составляет около 46%[3].

Соотношение между величиной тепловых потерь телом человека путем радиации и конвекции зависит от многих внешних условий. На тепловое ощущение главное влияние оказывает совокупное воздействие температуры воздуха и температуры окружающих предметов. Для создания определенных тепловых воздействий и ощущений данной интенсивности имеется множество комбинаций температуры воздуха и окружающих предметов. Такое сочетание может быть выражено соответствующей радиационно-эффективной температуры (РЭТ) [3].

Охлаждение, вызываемое теплопотерей путем излучения, обладает рядом особенностей. К ним относятся повышенная чувствительность людей даже к незначительным перепадам температуры между телом и окружающими предметами. В процессе охлаждения путем излучения легко возникают изменения сосудистого тонуса, которые приводят к понижению температуры слизистых оболочек, верхних и нижних конечностей. Радиационное охлаждение вызывает менее выраженные реакции терморегуляции, чем охлаждение конвективное и это при равных условиях способствует более значительной общей теплопотере и более низкой сопротивляемости организма к простудным заболеваниям. Более эффективная реакция физической и химической терморегуляции при конвективной теплоотдаче связаны с вовлечением значительно большего числа рецепторов, учитывающих суммарную стимуляцию регулирующих центров [6].

Таким образом, мы рассмотрели особенности процессов теплообразования и теплообмена человека с окружающей средой. Но терморегуляция человека-это не просто эти процессы, происходящие спонтанно, а определенная, контролируемая и регулируемая последовательность процессов, причем в разном организме и при разных условиях она различна.

Регуляция температурного гомеостаза осуществляется взаимодействием трех систем. Первая- информационная система. Вся информация об изменении наружной температуры окружающей среды или внутренней температуры тела с помощью периферических и центральных термочувствительных элементов (рецепторов или клеток мозга) поступает в центр терморегуляции. Рецепторы представляют собой конечные специализированные образования, которые предназначены для восприятия энергии раздражителя и трансформации ее в специфическую активность нервной клетки. Рефлекторные изменения процессов терморегуляции происходят при раздражении тепловых и холодовых рецепторов, расположенных в кожных покровах, в слизистых оболочках дыхательных путей, во внутренних органах, в сосудах, в различных отделах ЦНС (гипоталамусе, ретикулярной формации, продолговатом и спинном мозге, двигательной коре и др.). Особенно большое количество центральных терморецепторов, которые реагируют на изменение температуры крови, находится в гипоталамусе. Вторая система– интегрирующая и управляющая система. В центре терморегуляции осуществляется интеграция поступающих сигналов от всех термочувствительных элементов организма и выработка управляющего сигнала, направленного на удержание температуры «ядра» на постоянном уровне. Третья –система компенсаторных механизмов. В зависимости от необходимости сохранить тепло или сбросить лишнее развиваются специфические компенсаторные терморегуляторные реакции, например, дрожь для повышения теплопродукции или потоотделение для повышения теплоотдачи[8].

Главной системой, которая воспринимает информацию от окружающей среды являются рецепторная. Рецепторы, воспринимающие температуру — терморецепторы различают по нескольким признакам:

  • тепловые, холодовые, механо-холодовые рецепторы;
  • по расположению (периферические, внутренние, сосудистые холодовые рецепторы);
  • по типу активности (тонические и фазовые) или частоте импульсации (статические и динамические) [12].
Если рассматривать расположение рецепторов, то существуют периферические кожные терморецепторы, расположенные на кожном покрове и под кожей, возможно уже относящиеся к сосудистым. Все внутренние органы организма человека также имеют свои терморецепторы, которые контролируют температуру внутренних органов. Периферических (кожных) холодовых рецепторов больше чем тепловых. Известно, что на 1 см2 кожи лица обнаружено 16-19 холодовых точек, при этом тепловых точек не обнаружено [12]. Относительно малое количество тепловых рецепторов на периферии указывают на то, что для центров терморегуляции особо важное значение имеет информация, идущая от холодовых рецепторов, но не от тепловых.

Существуют также механо-холодовые, возбуждаемые охлаждением. Например, очень сильное нагревание часто вызывает чувство холода. Вероятно оно возникает потому, что механо-холодовые рецепторы, дают кратковременную импульсацию при превышении температуры выше 45˚С, когда обычные холодовые рецепторы «молчат» [12]. Наиболее существенное различие между холодовыми и «механо-холодовыми» рецепторами состоит в том, что последние сравнительно быстро адаптируются к холодовым раздражениям, частота импульсов, вызванных в них охлаждением, быстро пропадает и через несколько секунд они прекращаются и сохраняется импульсация, связанная только с механическим раздражением.

При изучении одиночных холодовых рецепторов были выявлены основные закономерности в их реакции. При постоянной, не меняющейся температуре рецепторы обнаруживают тонический тип активности, т.е. частота импульсации зависит от температуры и удерживается без изменения на протяжении десятков минут. Это так называемая статическая частота импульсации. Схема А на рис. 7 отображает частоту импульсации холодовых рецепторов в зависимости от температуры [8]. Частота импульсации холодовых рецепторов возрастает по мере падения температуры от 33-40˚С и достигает максимума при 17-260С (у разных рецепторов) [12]. При этом максимальное учащение импульсов составляет 40-55 имп/с. Верхняя граница активности холодовых рецепторов лежит около 400С, а нижняя, соответствующая холодовой блокаде рецепторов и прекращению импульсной активности, около 10…170С [8,12]. Максимум импульсации для одного холодового рецептора зависит от одной температуры, но тем не менее центральная нервная система (ЦНС) может правильно распознавать холод и на отрезке ниже 170С.

Возможно, это происходит за счет динамической реакции холодовых рецепторов, т.е. из-за того, что частота импульсации зависит не только от температуры, но и от скорости ее изменения [12]. Быстрое снижение температуры вызывает фазовое учащение импульса (иногда до 140имп/с) с постепенным их уменьшением и с возобновлением устойчивого ритма, частота которого соответствует новому уровню температуры. Конечная частота импульсации устанавливается обычно на протяжении 1-2 мин после сдвига температуры на новый уровень [8]. Температурные пределы динамической чувствительности терморецепторов отличаются от установленных для статической. Например, при охлаждении кожи ниже максимума статической импульсации холодового рецептора динамическая частота его импульсации повышается, несмотря на уменьшение ее статического уровня, поэтому возбуждение периферических рецепторов присутствует практически всегда в той или иной степени [12].

 

"Добавить комментарий"

<< Новый метод расчета тепловой нагрузки   Физический принцип холодной стены >>

 

Menu