Elżbieta Żmuda

Informacja o pracy dyplomowej
1. Nazwisko i imię:
Elżbieta Żmuda
adres mailowy: [email protected].
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Kierunek studiów:
Rodzaj studiów:
Specjalność:
Katedra dyplomująca:
Promotor pracy:
Recenzent pracy:
Termin obrony:
Ocena pracy dyplomowej:
Mechanika i Budowa Maszyn
inżynierskie
Systemy, Maszyny i Urządzenia Energetyczne
Katedra Techniki Cieplnej
dr inż. Zenon Bonca
dr hab. Inż. Dariusz Mikielewicz, prof. PG
19.02.2009 r.
celująca
10. Temat pracy dyplomowej:
Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu
noworodka dla jego utrzymania w warunkach tzw.
umiarkowanej hipotermii
Źródło: http://gfx.adzooks.co.uk/upl/7/3178B9D644B00C60997B37FBAD60438D.jpg
Spis treści
Wstęp......................................................................................................................... 12
1. Problem asfiksji okołoporodowej (niedotlenienia okołoporodowego),
jako istotnej przyczyny zachorowalności i umieralności okołoporodowej
noworodków ............................................................................................................. 13
1.1.
Układ nerwowy człowieka ............................................................................................................ 13
1.1.1.
Mikroskopowa budowa układu nerwowego człowieka ....................................................... 13
1.1.2.
Budowa makroskopowa – mózg ......................................................................................... 16
1.2.
Niedotlenienie okołoporodowe: czym jest, jak do niego dochodzi, najczęstsze jego
przyczyny...................................................................................................................................... 19
1.3.
Wpływ niedotlenienia okołoporodowego na uszkodzenie centralnego układu nerwowego
u noworodka ................................................................................................................................. 21
1.3.1.
Mechanizmy adaptacyjne zdrowego noworodka ................................................................ 21
1.3.2.
Niedotlenieniowo – niedokrwienne uszkodzenie centralnego układu nerwowego ............. 22
1.4.
Sposoby określania stanu płodu przed i w trakcie porodu, oraz noworodka po porodzie
wraz z monitorowaniem zmian poniedotlenieniowych w mózgu dziecka .................................... 23
1.4.1.
Sposoby oceny stanu płodu przed i w trakcie porodu ......................................................... 23
1.4.2. Sposoby oceny stanu noworodka po porodzie, markery niedotlenienia oraz badania
umożliwiające ocenę uszkodzenia centralnego układu nerwowego w wyniku niedotlenienia
okołoporodowego ......................................................................................................................... 24
1.5.
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 25
2. Metody ograniczające rozmiar uszkodzenia ischemicznego u
noworodka ................................................................................................................ 26
Czynniki warunkujące homeostazę wewnątrzczaszkową i wynikające z tego działania
neuroprotekcyjne .......................................................................................................................... 26
2.1.1.
Podstawowe pojęcia, wprowadzenie ................................................................................... 26
2.1.2.
Homeostaza jonowa i neuroprzekaźnikowa ........................................................................ 26
2.1.3.
Homeostaza związana z krążeniem krwi i przepływem mózgowym .................................. 28
2.2.
Niedotlenienie okołoporodowe: zaburzenia homeostazy, działania neuroprotekcyjne................. 31
2.3.
Farmakologiczne metody neuroprotekcji...................................................................................... 35
2.4.
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 37
2.1.
3. Neuroprotekcyjne oddziaływanie hipotermii umiarkowanej .............................. 37
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
Hipotermia .................................................................................................................................... 37
Neuroprotekcyjne właściwości hipotermii.................................................................................... 38
Hipotermia u noworodka .............................................................................................................. 40
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 40
4. Przegląd wraz z oceną techniczną dostępnych na rynku rozwiązań
systemów chłodzenia mózgu ................................................................................... 41
4.1.
Wprowadzenie .............................................................................................................................. 41
4.2.
Olympic Cool – Cap System ........................................................................................................ 42
4.2.1.
Budowa czapki chłodzącej .................................................................................................. 42
4.2.2.
Jednostka chłodząca, jednostka sterująca i czujniki temperatury ........................................ 44
4.2.3.
Podsumowanie .................................................................................................................... 45
4.3.
Aparat do konwekcyjnego selektywnego chłodzenia mózgu ....................................................... 46
4.3.1.
Jednostka chłodząca systemu konwekcyjnego .................................................................... 46
4.3.2.
Chłodzący kaptur systemu konwekcyjnego ........................................................................ 46
4.3.3.
Jednostka sterująca systemu konwekcyjnego ...................................................................... 47
4.3.4.
Podsumowanie .................................................................................................................... 47
4.4.
Termoelektryczny system chłodzenia mózgu ............................................................................... 47
4.4.1.
Jednostka zasilająca............................................................................................................. 48
4.4.2.
Hełm chłodzący ................................................................................................................... 48
4.4.3.
Jednostka sterująca systemu termoelektrycznego ............................................................... 49
4.4.4.
Podsumowanie .................................................................................................................... 49
4.5.
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 50
5. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia mózgu wraz z założeniami
technicznymi ............................................................................................................. 50
5.1.
Wprowadzenie .............................................................................................................................. 50
5.2.
Założenia techniczne .................................................................................................................... 51
5.3.
Propozycje rozwiązań projektowych ............................................................................................ 52
5.3.1.
Termoelektryczny bezpośredni system selektywnego chłodzenia mózgu........................... 52
5.3.2.
Termoelektryczny system pośredni z wodą jako płynem chłodzącym................................ 53
5.3.3.
Podsumowanie i wnioski ..................................................................................................... 55
5.4.
Wybór optymalnego rozwiązania – projekt koncepcyjny systemu chłodzenia ............................. 55
5.4.1.
Porównanie systemów termoelektrycznych ........................................................................ 55
5.4.2.
Hybrydowy układ selektywnego chłodzenia mózgu ........................................................... 56
5.5.
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 58
6. Ocena gęstości strumienia ciepła i jego rozkład w górnej części głowy
noworodka ................................................................................................................ 58
6.1.
Wprowadzenie .............................................................................................................................. 58
6.2.
Ocena gęstości strumienia ciepła .................................................................................................. 59
6.2.1.
Biologiczne równanie przepływu ciepła zaproponowane przez .......................................... 59
6.3.
Gęstość strumienia ciepła wytwarzana w określonych warunkach przez tkanki .......................... 60
6.3.1.
Gęstość strumienia ciepła odprowadzanego, lub dostarczanego przez krew ...................... 61
6.3.2.
Strumień ciepła dostarczany przez metabolizm .................................................................. 62
6.3.3.
Całkowity strumień ciepła wydzielanego przez głowę ....................................................... 62
6.3.4.
Całkowity maksymalny strumień ciepła wydzielanego przez głowę .................................. 63
6.4.
Strumień ciepła przejęty przez urządzenie.................................................................................... 63
6.5.
Podsumowanie wyników obliczeń ................................................................................................ 65
6.6.
Rozkład strumienia ciepła w górnej części głowy noworodka ..................................................... 65
6.7.
Podsumowanie i wnioski .............................................................................................................. 66
7. Obliczenia cieplne wraz z doborem elementów systemu chłodzenia oraz
kompletacja
elementów
wykonawczych
i
regulacyjno
–
zabezpieczających .................................................................................................... 67
7.1.
Koncepcja projektowa .................................................................................................................. 67
7.2.
Poduszka wodna ........................................................................................................................... 67
7.2.1.
Obliczenia ........................................................................................................................... 69
7.3.
Warstwa termomodułów ............................................................................................................... 84
7.3.1.
Obliczenia ........................................................................................................................... 84
7.4.
Płaszcz wodny odbierający ciepło strony „gorącej” termomodułów wraz z chłodnicą ................ 89
7.4.1.
Obliczenia ........................................................................................................................... 90
7.5.
Kompletacja elementów wykonawczych i regulacyjno – zabezpieczających systemu .............. 100
7.6.
Podsumowanie ............................................................................................................................ 103
8. Ocena techniczno - ekonomiczna zaproponowanego rozwiązania w
porównaniu z dostępnymi na rynku systemami .................................................... 104
Podsumowanie: ........................................................................................................ 106
Literatura ................................................................................................................. 107
Załączniki ................................................................................................................. 111
Wstęp
Niniejsza praca dyplomowa jest opracowaniem dotykającym bezpośrednio dwóch
dziedzin naukowych, medycyny i budowy maszyn. jej celem jest stworzenie projektu
koncepcyjnego urządzenia chłodniczego wraz z systemem regulacyjno – zabezpieczającym
przeznaczonego do stosowania w terapii niedotlenionego noworodka.
Hipotermia znana była jako czynnik neuroprotekcyjny już w czasach historycznych,
natomiast ostatnie dwadzieścia lat przyniosło efekty w postaci prac nad metodami i
urządzeniami służącymi do selektywnego chłodzenia mózgu.
Mózg ludzki, jest delikatnym organem odpowiedzialnym za wszystko, co odróżnia
nas spośród zwierząt, dlatego tak ważne jest zadbanie o to, aby już w momencie przyjścia
na świat dziecko miało zapewnioną w razie konieczności możliwość minimalizacji
uszkodzeń neurologicznych spowodowanych niedotlenieniem okołoporodowym.
Narodziny dziecka, to cudowna chwila, która w niektórych przypadkach przeradza
się w koszmar pociągający za sobą miesiące rehabilitacji niemowlęcia w celu
przywrócenia sprawności jego układu nerwowego. Zaprojektowany system jest pierwotną
koncepcją urządzenia medycznego, które w wielu przypadkach potrafi złagodzić
następstwa urazu centralnego układu nerwowego zapoczątkowanego przez niedotlenienie
okołoporodowe.
W dzisiejszych czasach umiemy zapobiegać niedotlenieniu okołoporodowemu
poprzez stosowanie odpowiednich praktyk położniczych, monitorowanie różnymi
metodami stanu dziecka podczas porodu oraz w ekstremalnych przypadkach
rozwiązywanie ciąży metodą cesarskiego cięcia. Jednak zdarzają się sytuacje
nieprzewidywalne, powodujące, że na świat przychodzi człowiek, który pomimo tego iż
przez całe dziewięć miesięcy przebywał w bezpiecznym środowisku doskonale się
rozwijając i rokując na przyszłość, rodzi się w poważny sposób okaleczony, ale…
Mało kto z nas zastanawiał się kiedykolwiek nad istota procesów jakie następują po
przerwaniu dostawy tlenu w mózgu, mało kto ze zwyczajnych ludzi nie stykających się na
co dzień z zagadnieniem wie o tym, że tak naprawdę za późniejszy stan neurologiczny
dziecka odpowiada nie bezpośrednio epizod niedotlenienia trwający kilka minut, lecz w
głównej mierze właśnie to, co następuje po nim. Niedotlenienie zaburza bowiem w
dramatyczny sposób homeostazę mózgu, który jako najbardziej energochłonny organ
potrzebuje najwięcej tlenu. Zapoczątkowana brakiem tlenu kaskada procesów
biochemicznych ma zgubne skutki dla układu nerwowego, w szczególności rozwijającego
się.
Hipotermia, czyli stan oziębienia (w przypadku selektywnego chłodzenia mózgu
wybiórczo niektórych tkanek) poniżej pewnych wartości temperatur spowalnia znacznie,
lub całkowicie wyhamowuje poszczególne reakcje zabójczej kaskady, i to leży u podstaw
jej własności neuroprotekcyjnych.
Powyższe twierdzenie poparte faktami naukowymi w postaci dużej ilości prac
opisujących wyniki badań medycznych leży u podstaw niniejszej koncepcji projektowej i
czyni ją sensowną.
Celem tej pracy jest stworzenie projektu koncepcyjnego urządzenia ratującego
zdrowie dzieci, jednak, jako autorka, chciałabym również, aby pośrednim jej efektem było
uświadomienie jak największemu gronu osób tego, że istnieje możliwość właśnie wtórnej
ochrony układu nerwowego przed uszkodzeniem w sytuacji nie tylko niedotlenienia
okołoporodowego, lecz także w sytuacjach nagłego zatrzymania krążenia np. po
podtopieniu. Czynnikiem mającym zbawienne oddziaływanie w tego typu przypadkach
jest właśnie hipotermia umiarkowana.
Podsumowanie
 Zaproponowane rozwiązanie powstało w wyniku analizy dwóch dostępnych na rynku,
medycznych systemów służących do selektywnego chłodzenia mózgu, opartych na
chłodzeniu termoelektrycznym, ze szczególnym uwzględnieniem jego przeznaczenia dla
ratowania zdrowia niedotlenionych noworodków.
 Znajomość procesów neurochemicznych zachodzących w niedotlenionym mózgu
dziecka, anatomii centralnego układu nerwowego, patofizjologii procesów
niedotlenieniowo –
niedokrwiennych oraz mechanizmu neuroprotekcyjnego
oddziaływania obniżonych temperatur tkanki nerwowej pozwoliła na stworzenie
pierwotnej koncepcji systemu selektywnego chłodzenia mózgu.
 Analiza dostępnych na rynku systemów selektywnego chłodzenia mózgu umożliwiła
stworzenie nowej koncepcji w postaci systemu hybrydowego, łączącego w sobie zalety
rozpatrywanych wcześniej rozwiązań.
 Projekt koncepcyjny systemu hybrydowego przedstawiono w rozdziale 5. Jest to projekt
specyficznego urządzenia hybrydowego, w zasadzie pompy ciepła działającej z
wykorzystaniem modułów termoelektrycznych w celu schłodzenia głowy dziecka.
Niespotykanym dotąd rozwiązaniem jest zastosowanie układu termoelektrycznego, w
którym strumień ciepła odbierany przez termomoduły zostaje wyrównany przez wodę
opływającą kanały poduszki wodnej.
 W rozdziale 6 przedstawiono obliczony przy zastosowaniu równań fizjologicznych
strumień ciepła wydostający się z chłodzonego mózgu dziecka. Interesujący jest fakt, że
rozdział ten w jednoznaczny sposób łączy poprzez zależności matematyczne dwie z
pozoru diametralnie różne dziedziny wiedzy, których dotyczy ta praca, technikę i
medycynę.
 Unikalne możliwości regulacji parametrów pracy urządzenia stwarza fakt
bezpośredniego oddziaływania na warunki wymiany ciepła pomiędzy nim, a
środowiskiem chłodzonym, dzięki zastosowaniu w systemie precyzyjnej pompy
laboratoryjnej o regulowanej wydajności.
 Analiza techniczno – ekonomiczna zaproponowanego rozwiązania, ze względu na jego
przeznaczenie, jak i trudną dostępność podobnych systemów na rynku, opiera się w
zasadzie na próbie oszacowania kosztów poszczególnych elementów systemu.
Medyczne przeznaczenie urządzenia oraz ewentualne zmiany w koncepcji projektowej
podczas tworzenia projektu wykonawczego, czynią tą analizę jedynie orientacyjnym
przybliżeniem. Jednak mając na uwadze fakt, że w przypadku urządzeń medycznych
pierwszym kryterium oceny branym pod uwagę w momencie zakupu, czy wyboru jest
kryterium jakościowe. Kryterium cenowe jest w przypadku, kiedy mamy do czynienia
ze sprzętem ratującym życie człowieka kryterium drugorzędnym.