Aspekt techniczny i użytkowy wybranych systemów chłodzenia

Chłodnictwo - Seminarium
Temat: Aspekt techniczny i użytkowy wybranych systemów chłodzenia
mózgu noworodka dla jego utrzymania w warunkach umiarkowanej
hipotermii.
Opracowała:
Elżbieta Żmuda
1. Wstęp
Organizm ludzki wytwarza niezbędną do życia energię w procesie oddychania,
którego istotą jest wyzwolenie energii zgromadzonej w związkach chemicznych
znajdujących się w obrębie komórek.
Tlen wobec tego jest podstawowym pierwiastkiem niezbędnym do życia i
prawidłowego funkcjonowania organizmu ludzkiego. Przedłużające się stany jego braku w
organizmie nazywane hipoksją, anoksją, lub asfiksją prowadzą do nieuchronnych
zaburzeń homeostazy czyli pewnego rodzaju równowagi biologicznej ustroju.
Na konsekwencje braku tlenu najbardziej narażone są tkanki pobudliwe – nerwowa i
mięśniowa i o ile druga z nich ma swoje własne rezerwy tlenowe zgromadzone na potrzeby
wzmożonej aktywności, o tyle tkanka nerwowa takich rezerw jest pozbawiona, co
powoduje iż na stany niedotlenieniowe jest szczególnie wrażliwa.
2. Niedotlenienie okołoporodowe
Szczególnym przykładem asfiksji jest zjawisko niedotlenienia okołoporodowego –
zamartwicy, które z różnych przyczyn (np. zaburzenia wymiany gazowej pomiędzy
matką, a dzieckiem wady wrodzone, nieprawidłowe ułożenie płodu, zaburzenia
adaptacyjne noworodka), dotyka płód w trakcie ciąży, porodu, lub noworodka po porodzie.
Zjawisko okołoporodowych stanów niedotlenienia określane również mianem
zamartwicy nie doczekało się do dnia dzisiejszego ogólnie przyjętej definicji, mimo to za
niedotlenienie okołoporodowe uważa się stan okołoporodowych zaburzeń w utlenowaniu
mózgu, w konsekwencji których pojawiają się objawy neurologiczne ujawniające się w
ciągu 24 godzin od momentu narodzin.
Zamartwicę noworodka rozpoznaje się na podstawie wywiadu, badania klinicznego
oraz diagnostyki zarówno neurofizjologicznej, jak i biochemicznej i obrazowej. Do
Zaburzeń wymiany gazowej u dziecka dochodzić może w trakcie ciąży, porodu i w 10%
przypadków po urodzeniu.
Rys. 1 Chronologia procesów zachodzących w mózgu po urazie niedotlenieniowo - niedokrwiennym
Wskutek niedotlenienia po załamaniu się mechanizmów adaptacyjnych
płodu/noworodka w mózgu dziecka zapoczątkowana zostaje kaskada ekscytotoksyczna,
która prowadzi do śmierci komórek nerwowych zarówno w drodze nekrozy jak i
opóźnionej śmierci komórkowej – apoptozy.
Co ciekawe wówczas kiedy inne organy już zdrowieją, niedotleniony mózg jest
nadal uszkadzany przez toczące się w nim reakcje, w wyniku których komórki nerwowe
programują się na śmierć apoptotyczną. Zaburzenia osmotyczności i stan zapalny
powodują dodatkowo obrzęk. Wszystkie wymienione czynniki razem prowadzą do
nieodwracalnych uszkodzeń centralnego układu nerwowego .
W najcięższych przypadkach przebyta asfiksja prowadzi do zgonu dziecka.
Następstwem niedotlenienia – niedokrwienia (NN) mogą być również wielonarządowe
uszkodzenia, z których najgroźniejszym jest uszkodzenie ośrodkowego układu
nerwowego.
W wyniku zamartwicy u noworodka rozwija się Zespół encefalopatii
niedotlenieniowo – niedokrwiennej (HIE). Występuje on u niemowląt, które w piątej
minucie życia otrzymały punktację Apgar w zakresie od 0 do 3.
Ze względu na zróżnicowany stopień nasilenia rozróżnia się trzy postacie kliniczne
HIE.
Ciężka postać encefalopatii niedotlenieniowo – niedokrwiennej najczęściej na
skutek śmierci mózgu i zaburzeń w rozwoju prowadzi do śmierci noworodka, objawia się
ona śpiączką, obniżonym napięciem mięśniowym, stłumieniem funkcji pnia mózgu,
drgawkami oraz objawami zwiększonego na skutek obrzęku mózgu ciśnienia
wewnątrzczaszkowego.
W przypadku średniej postaci encefalopatii niedotlenieniowo – niedokrwiennej
obserwuje się nasilone zmiany napięcia mięśniowego, drgawki, zmienne odruchy. Postać
ta powoduje również zmiany w EEG, obrzęk mózgu, upośledzenie przepływów w
naczyniach mózgowych, oraz nieprawidłowe obrazy rezonansu magnetycznego i
tomografii komputerowej. U noworodka można zaobserwować letarg, lub stupor, hipotonię
oraz stłumienie odruchów pierwotnych. W tej postaci mogą także występować drgawki.
W przypadku krótko utrzymujących się objawów tego typu rozwojowi dziecka
towarzyszą zazwyczaj jedynie niewielkie zaburzenia, jednak w przypadku długotrwale
utrzymującej się encefalopatii niedotlenieniowo – niedokrwiennej można spodziewać się w
przyszłości znacznych zaburzeń w rozwoju dziecka, padaczki i mózgowego porażenia
dziecięcego.
Przebyta zamartwica okołoporodowa odpowiedzialna jest za zespól mózgowego
porażenia dziecięcego w 8 - 20% przypadków, a skutkiem przebytych w okresie
okołoporodowym komplikacji niedotlenieniowo – niedokrwiennych może być również
zespól nadpobudliwości ruchowej i zaburzeń koncentracji uwagi ADHD.
lekka postać encefalopatii niedotlenieniowo – niedokrwiennej powoduje
niewielkie zmiany napięcia mięśniowego, u dziecka zaobserwować można nadmierną
czujność, niepohamowane odruchy, oraz nadmierną aktywność układu współczulnego,
objawy te mogą utrzymywać się do doby, a ich wystąpienie pozostaje bez konsekwencji w
postaci zaburzeń rozwoju dziecka.
Niezmiernie ważne jest niedopuszczanie do zagrożenia płodu/noworodka
niedotlenieniem. W tym celu stosuje się monitorowanie ciąży i porodu, diagnostykę
ultrasonograficzną, kardiotokografię etc. Niekiedy rozważa się rozwiązanie ciąży drogą
cesarskiego cięcia, co pozwala na uniknięcie przykrych konsekwencji u dziecka, którego
mechanizmy przystosowawcze do warunków niedoboru tlenu uległy wyczerpaniu już na
początku porodu, lub jeszcze długo przed nim.
Jednak jeżeli do niedotlenienia dojdzie, wówczas w celu ograniczenia rozmiaru
uszkodzeń poischemicznych w mózgu dziecka stosuje się neuroprotekcję farmakologiczną
(leczenie przeciwdrgawkowe, przeciwzapalne, zamiatacze wolnych rodników, trwają prace
nad związkami hamującymi receptory glutaminergiczne), oraz metody z wykorzystaniem
terapeutycznej hipotermii umiarkowanej.
Co ciekawe charakter i dynamika zmian następujących po urazie niedotlenieniowo –
niedokrwiennym umożliwiają wdrożenie terapii dziecka nawet do kilku godzin po urazie.
3. Hipotermia i jej neuroprotekcyjne własności
Własności neuroprotekcyjne hipotermii umiarkowanej znane były już od setek lat.
Hipotermia to stan wychłodzenia organizmu w wyniku którego temperatura rdzenia ciała
spada poniżej 35C. W zależności od głębokości wychłodzenia i możliwych powikłań
hipotermię dzielimy na głęboką 10 - 20°C , umiarkowaną 28 - 32°C i łagodną 33 - 36°C.
Historia leczenia hipotermią sięga czasów Hipokratesa, który zalecał ochładzanie
pacjentów w celu zredukowania krwawienia. O leczeniu urazów głowy zimnem wspomina
także egipski papirus odnaleziony przez Edwina Smith’a. Lekarz Napoleona Bonaparte
poczynił również spostrzeżenia, że na polu bitwy częściej przeżywają ranni, którzy ulegli
wychłodzeniu.
W nowożytnej medycynie do leczenia urazów głowy hipotermia została zastosowana
przez chirurga Temple Fay’a w 1938 roku. Po wojnie opracowano metodę obniżania
temperatury ciała poniżej 24°C, co pozwoliło wykonywać operacje neurochirurgiczne w
bezkrwawym polu.
Z obserwacji wynika, że oddziaływanie hipotermii na tkanki jest w małym stopniu
szkodliwe i zależy przede wszystkim od czasu przez jaki jest ona utrzymywana. Najwięcej
zmian niepożądanych spotyka się przy długotrwałym oziębieniu. Jednak niepokojący jest
fakt, że część procesów i zjawisk biologicznych zachodzących w warunkach hipotermii
jest nieprzewidywalna. Wynika to z faktu, że pomimo badań i prób nad odpowiedzią
tkanek w zmienionym środowisku termicznym, zjawiska te nie zostały jeszcze do końca
poznane i wyjaśnione.
Pod koniec lat 80. odkryto neuroprotekcyjne własności hipotermii. Udowodniono,
że już obniżenie temperatury o 2-3°C zmniejsza znacząco uraz spowodowany
niedokrwieniem. Ograniczenie uszkodzeń stwierdzono ponad wszelką wątpliwość badając
modele niedotlenienia ogólnego, do którego zalicza się między innymi niedotlenienie
okołoporodowe, jak też niedotlenienia lokalnego naśladujące udar niedokrwienny mózgu.
Wykonywane były także badania nad wpływem hipotermii na tkankę nerwową poddaną
urazowi mechanicznemu. Dowiedziono, że po urazie czaszkowo – mózgowym zadanym w
temperaturze 30°C śmiertelność była 70% niższa niż w warunkach normotermii.
Mechanizmy neuroprotekcyjnego oddziaływania hipotermii polegają z jednej strony
na spowalnianiu metabolizmu, w związku z czym zmniejszaniu zapotrzebowania
energetycznego komórek nerwowych (spadek temperatury o 1°C powoduje redukcje
metabolizmu o 5%, co zmniejsza utratę przez komórkę rezerw energetycznych), z drugiej
strony na hamowaniu kaskady reakcji biochemicznych zachodzących po urazie
niedotlenieniowo – niedokrwiennym.
Niewielka hipotermia hamuje poszczególne reakcje kaskady w różnym stopniu.
Udowodniono jednak, że efekt ten jest znacząco większy niż efekt wynikający z samego
spowolnienia metabolizmu komórek.
Hipotermia silnie hamuje reakcje kaskady ekscytotoksycznej, powoduje ograniczenie
zapotrzebowania komórki nerwowej na tlen, a także ogranicza proces zapalny oraz syntezę
wolnych rodników i tlenku azotu wywierających uszkadzające oddziaływanie na neurony.
Hipotermia wywiera również hamujące oddziaływanie na reakcje odpowiedzialne za
rozwój procesu zapalnego.
Ponadto w myśl reguły Arrheniusa i Van’t Hoffa opisującej wpływ zmian
temperatury na szybkość reakcji chemicznych (każda zmiana temperatury o 10°C
powoduje 2 – 4 krotna zmianę szybkości reakcji z udziałem enzymów) obniżenie
temperatury hamuje zachodzące w niedotlenionym mózgu reakcje.
Nie bez znaczenia jest także fakt wpływu zmian temperatury na przepływ krwi.
Oziębienie tkanek powoduje spowolnienie jej przepływu. W przypadku urazu
niedotlenieniowo - niedokrwiennego, w którym po epizodzie ischemii następuje powrót
krążenia do niedokrwionej wcześniej tkanki hipotermia powoduje zminimalizowanie
uszkodzeń reperfuzyjnych mających wówczas miejsce.
Neuroprotekcyjne własności hipotermii umiarkowanej są niezaprzeczalnym faktem,
między innymi dlatego stosowanie hipotermii terapeutycznej, jako czynnika
neuroprotekcyjnego po nagłym zatrzymaniu krążenia u osób dorosłych, znalazło się jako
jedna z procedur zalecanych do stosowania w „Wytycznych resuscytacji krążeniowo –
oddechowej” opublikowanych w 2005 roku przez Europejską Radę Resuscytacji.
Co udowadnia nawet największym niedowiarkom skuteczność tej unikalnej metody
neuroprotekcji.
4. Systemy chłodzenia mózgu
W przypadku terapii umiarkowaną hipotermią u noworodka zastosowanie znajdują
dwa rodzaje metod różniące się sposobem osiągnięcia temperatury terapeutycznej w
obrębie mózgowia dziecka.
Pierwsza z metod zakłada selektywne - wybiórcze chłodzenie mózgu (Selective
Brain Cooling - SBC), druga przewiduje wprowadzenie dziecka w hipotermię ogólną chłodzenie całego ciała do temperatury rdzenia z zakresu temperatury terapeutycznej.

Selektywne chłodzenie mózgu
System OCCS jest jedynym systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka
dopuszczonym do stosowania w oddziałach intensywnej opieki noworodka na terenie
USA. System ten opatentowany został 6 grudnia 2001 roku w Stanach Zjednoczonych
Ameryki (US Patent nr 6312453).
Rys. 2 Chłodząca czapka systemu OCCS
Chłodzenie mózgu tą metodą odbywa się dzięki czapce chłodzącej (Rys.2), w której
przepływa płyn chłodzący - sterylna woda o temperaturze około 10°C.
Urządzenie to składa się z jednostki chłodzącej płyn, jednostki sterującej procesem
chłodzenia, czujników temperatury oraz trójwarstwowej czapki (Rys.2 a, b, c), w której
środkowa warstwa chłodząca jest wymiennikiem ciepła z przepływającą wewnątrz wodą.
Urządzenie dopuszczone jest do użycia z konwencjonalnym promiennikiem podczerwieni
służącym do ogrzewania noworodków.
System OCCS jest przykładem termoelektrycznego pośredniego systemu
selektywnego chłodzenia mózgu.
Czapka systemu OCCS składa się z trzech części. Warstwy wewnętrznej (Rys.2 a)
warstwy chłodzącej (Rys.2 b) i warstwy izolacyjnej (Rys.2 c)
Warstwa wewnętrzna (Rys.2 a) została zaprojektowana i opatentowana jako
tkanina przylegająca bezpośrednio do skóry głowy dziecka i ochraniająca ją przed
przyklejaniem się do niej części chłodzącej. W zamyśle ta część czapki odpowiadała za
odbieranie i odprowadzanie wilgoci, stanowiła też ochronę przed ochłodzeniem dla uszu i
czoła dziecka.
Warstwa chłodząca czapki (Water Cap) (Rys. 2 b), to system odpowiednio
ukształtowanych kanałów, o półowalnym przekroju, przez które przepływa woda, przy
czym jej wlot oraz wylot usytuowane są u szczytu czapki i przylegają do siebie, aby
zapewnić przepływ płynu w każdej sytuacji. Takie usytuowanie wlotu i wylotu
uniemożliwia np. zagięcie rurek dolotowych i wylotowych przez ułożone na nich dziecko
oraz pośrednio gwarantuje komfort chłodzonemu noworodkowi.
Część chłodząca zaprojektowana jest również w taki sposób, aby nie nakrywała
czoła dziecka, ponieważ nagłe ochłodzenie twarzy i czoła może powodować odruchowe
zaburzenia w rytmie serca i oddychaniu na skutek działania tzw. odruchu nurka.
Przebieg wężownicy wykonany jest w taki sposób, aby umożliwić swobodne
ułożenie warstwy chłodzącej na głowie noworodka i jak najdokładniejsze jej przyleganie,
co polepsza wymianę ciepła. W tym celu zastosowano również specjalny system zapięć i
zakładek.
Warstwa chłodząca wykonywana jest z poliuretanu – nietoksycznego tworzywa
sztucznego, które może mieć kontakt ze skórą.
Warstwa zewnętrzna (Insulating Cap) – czapka izolacyjna (Rys. 2 c), stanowi
izolację warstwy chłodzącej od otoczenia. Materiał izolujący zawarty jest pomiędzy
warstwą elastyczną przylegająca od strony zewnętrznej do wymiennika, w którym
przepływa woda, a warstwą odbijającą promieniowanie podczerwone znajdującą się od
strony zewnętrznej. Zadaniem warstwy zewnętrznej czapki jest zapobieganie
przedostawaniu się ciepła z otoczenia i z promiennika podczerwieni stosowanego w celu
ogrzewania pozostałych części ciała dziecka do chłodzącej głowę wody. Ta część systemu
wykonana jest z wełny poliestrowej pokrytej na zewnętrznej powierzchni warstwą metalu
odbijającego promieniowanie podczerwone.
W urządzeniu zdecydowano się także na zastosowanie wykonanej z rozciągliwego
spandex’u czapki nakładanej bezpośrednio na warstwę chłodzącą (Water Cap Retainer) i
zapinanej pod brodą dziecka w celu osiągnięcia jak najlepszego przylegania części
wymiennikowej do skóry głowy dziecka.
Jednostka chłodząco - sterująca systemu - jest układem chłodzenia
wykorzystującym urządzenie termoelektryczne w celu schłodzenia przepływającej przez
czapkę wody. Dwa ogniwa Peltiera zamocowane są do aluminiowego wymiennika ciepła,
przez który przepływa chłodzona woda, wszystko zblokowane jest z komputerem
sterującym procesem chłodzenia.
Rys. 3 Zamodelowane numerycznie pole temperatur osiągane w mózgu podczas chłodzenia
metodą SBC
System Olympic Cool Cap zapewnia uzyskanie temperatur z zakresu hipotermii
umiarkowanej w istocie szarej mózgu dziecka przy utrzymaniu średniej temperatury
mózgowia i ciała noworodka w zakresie hipotermii łagodnej (Rys.3). Jest on również
jedynym powstałym do tej pory systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka po
NN który przeszedł pomyślnie próby kliniczne i został dopuszczony do sprzedaży. Podlega
on także ciągłym modyfikacjom w celu poprawy jego niezawodności i własności
terapeutycznych. Pomimo niewielkich wad jest jedynym urządzeniem tego typu
przeznaczonym do ratowania zdrowia dzieci na całym świecie.

Ogólna hipotermia terapeutyczna
Przykładem systemu służącego do wprowadzania noworodka w umiarkowaną
hipotermie terapeutyczną jest system Kool Kit Neonate firmy Cincinnati Sub Zero (Rys.4)
System ten w połączeniu z modułową jednostką sterująco – chłodzącą Blanketrol III.
przystowany jest do terapii hipotermią ogólną noworodka z 1 i 2 stopniem HIE. Jest to
sterowany komputerowo termoelektryczny moduł chłodząco - sterujący, którego
konstrukcja pozwala na szybką odpowiedź układu chłodzącego w przypadku zmian
temperatury rdzenia ciała dziecka, oraz zaprogramowanie parametrów schładzania dziecka
i ogrzewania po zakończonej terapii.
Rys. 4 System Kool Kit Neonate
Dodatkowo reszta oprzyrządowania składa się z kompatybilnego z jednostką
sterująco - chłodzącą wodnego wymiennika ciepła - kocyka o sterowanym przepływie
medium chłodzącego, dodatkowo urządzenie wyposażone jest w termometr do pomiaru
temperatury wnętrza ciała.
Niewątpliwą zaletą systemu Kool Kit Neonate jest jego prostota, składa się on
bowiem z nieskomplikowanego wymiennika wodnego połączonego z jednostką chłodząco
sterującą. System ten jest również termoelektrycznym systemem pośrednim – chłodzenie
dziecka realizowane jest z pośrednictwem medium chłodzącego – wody.
5. Podsumowanie
Terapia niedotlenionego noworodka z zastosowaniem hipotermii umiarkowanej
niesie ze sobą wielkie nadzieje. Fakt neuroprotekcyjnego oddziaływania hipotermii
umiarkowanej został na przestrzeni dziesięcioleci udowodniony niezaprzeczalnie, co
znalazło potwierdzenie w umieszczeniu tej terapii w procedurach zalecanych przez
europejską radę resuscytacji po nagłym zatrzymaniu krążenia u osób dorosłych. W
przypadku niedotlenienia ogólnego u dzieci – noworodków metoda również przynosi
wymierne efekty lecznicze udokumentowane badaniami.
Postęp w dziedzinie tworzenia urządzeń służących do terapii hipotermią
umiarkowaną dokonał się niejako dwutorowo.
Jedno z rozwiązań zakłada selektywne – wybiórcze chłodzenie tylko mózgu, co w
rzeczywistości jest rzeczą trudną do zrealizowania, gdyż organizm, to jedna reagująca w
specyficzny sposób na zmiany temperatury całość, niemożliwe jest całkowite adiabatyczne
oddzielenie głowy od tułowia w celu zrealizowania terapii, stąd w chłodzonym mózgu
wytwarza się gradient temperatur i o ile średnia temperatura znajduje się w zakresie
terapeutycznym, o tyle sam rdzeń mózgu pozostaje w temperaturze z zakresu normotermii,
co może mieć znaczenie dla powodzenia leczenia tą metodą.
Kolejnym rozwiązaniem jest zastosowanie ogólnej hipotermii terapeutycznej.
Umożliwia ono osiągnięcie temperatury terapeutycznej w całym rdzeniu ciała, w tym w
mózgowiu. Jednak w przypadku takiego chłodzenia trzeba mieć na uwadze większe
prawdopodobieństwo wystąpienia u dziecka powikłań związanych zarówno z głębokością
chłodzenia jak i jego ogólnym charakterem. Metoda ta jednak ma swoje zalety do których
należy między innymi wybitna prostota konstrukcji wymiennika wodnego. System ten
dzięki swojemu ogólnemu charakterowi nie wymaga również zastosowania promiennika w
celu dogrzania zbytnio wychłodzonego dziecka, lub w celu realizacji procesu ogrzewania
po terapii, urządzenie to może realizować również funkcję ogrzewania, co w pewnym
sensie stanowi o jego przewadze i dodatkowo upraszcza jeszcze bardziej konstrukcję i
sterowanie.
6. Literatura
[1.]
[2.]
[3.]
[4.]
[5.]
[6.]
[7.]
[8.]
[9.]
[10.]
[11.]
[12.]
[13.]
Antoszewski.Z, Gwóźdź.B, Skalski.J .(red): Hipotremia i hipertermia w
zastosowaniu klinicznym. Wyd. Śląsk, Katowice, 2000.
Zmuda E:. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu
noworodka.
dla jego utrzymania w warunkach tzw. umiarkowanej hipotermii. Praca dyplomowa
inżynierska. Politechnika Gdańska, wydział Mechaniczny, Katedra Techniki
Cieplnej, Gdańsk 2009 (Prom. Z.Bonca).
Kobosz.T.: Łagodna hipotermia terapeutyczna. "Służba Zdrowia", 2006, nr 92-95, s.
28-29.
Mariak.Z Łysoń.T Rudziński.W.: Hipotermia jako czynik neuroprotekcyjny.
"Neurologia i Neurochirurgia Polska", 2004, nr 38, s. 51-54.
Pathak.K, Yu.N, Shoffstall.A, Zheng.L.: Modeling Heat-Transfer of the Olympic
Cool-Cap System. 2008 Student Papers, Bee 453 23.06.2008.
Kusza.K.: Hipotermia i jej wpływ na ośrodkowy układ nerwowy po niedotlenieniu
"Materiały edukacyjne dla zdających Państwowy Egzamin Specjalizacyjny z
Anestecjologii i Intenywnej Terapii", Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej
Terapii C.M. UMK Bydgoszcz – Toruń.
Makarewicz.D.: Asfiksja okołoporodowa w klinice i w laboratorium. Audycja
platformy TVN Med, Kod audycji: PED084.
Sługocki.P.:
Patofizjologiczne uwarunkowania resuscytacji nororodka –
patofizjologia niedotlenienia okołoporodowego. "Kurs FEEA Nr 4 Matka i dziecko",
23-25.11.2006, Warszawa.
United States Patent nr 6312453.: Device for cooling infant's brain. Data patentu
6.11.2001.
Materiały firmy natus medical inc. www.natus.com
Materiały firmy Cincinnati Sub - Zero inc. www.cszinc.com
http://journals.prous.com/journals/dnp/20001303/html/dn130133/images/Wang
_f1.jpg