Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo module nhiệt lạnh ứng dụng trong điều trị vật lý trị liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM TRẦN THIÊN TÚ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE NHIỆT LẠNH ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU TRỊ VẬT LÝ TRỊ LIỆU Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Thế Thường TS Mai Hữu Xuân Cán chấm nhận xét : TS Ngô Thị Minh Hiền Cán chấm nhận xét : PGS.TS Huỳnh Quang Linh Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 23 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Lý Anh Tú TS Phạm Thị Hải Miền TS Ngô Thị Minh Hiền PGS.TS Huỳnh Quang Linh PGS.TS Phạm Thị Thu Hiền Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM TRẦN THIÊN TÚ Ngày, tháng, năm sinh: 04/04/1994 Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT MSHV: 2070394 Nơi sinh: Tp HCM Mã số: 8520401 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE NHIỆT LẠNH Ứ N G D Ụ N G T R O N G Đ I Ề U T R Ị V Ậ T L Ý T R Ị L I Ệ U (Research, design and manufacture cold therapy module using in physiotherapy) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tiến hành thực tổng quan vấn đề liên quan trực tiếp với đề tài ▪ Cơ chế tương tác nhiệt lạnh thể ▪ Các tác nhân nhiệt lạnh sử dụng trị liệu ▪ Các nghiên cứu đề tài liên quan nước Xây dựng mơ hình mơ q trình truyền nhiệt qua da Nghiên cứu, thiết kế xây dựng module nhiệt lạnh có phạm vi nhiệt độ thay đổi khoảng – 20oC kiểm sốt mức nhiệt độ suốt thời gian điều trị Đánh giá, so sánh kết mô phỏng, thực nghiệm thiết bị nghiên cứu công bố, hướng phát triển đề tài III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thế Thường – TS Mai Hữu Xuân Tp HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Thế Thường CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Mai Hữu Xuân TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG i LỜI CÁM ƠN Để hồn thành khố cao học thực luận văn tốt nghiệp này, nhận giúp đỡ hướng dẫn chuyên môn hỗ trợ mặt thầy cô, anh chị đồng nghiệp, bạn bè đặc biệt từ phía gia đình Từ đáy lịng mình, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng sâu sắc lời cám ơn chân thành đối với: • TS Nguyễn Thế Thường, PGS TS Huỳnh Quang Linh, người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình học tập, nghiên cứu cố vấn vấn đề chun mơn hồn thiện nội dung, hình thức luận văn • TS Mai Hữu Xuân, người tận tình hỗ trợ, động viên suốt thời gian học tập, nghiên cứu tiến hành thực nghiệm • Các bộ, viên chức, quân nhân Viện Vật Lý Y Sinh Học, nơi tạo điều kiện hỗ trợ cho tiến hành thực nghiệm, nghiên cứu, phát triển xây dựng module nhiệt lạnh – phần luận văn • Nhà trường quý thầy cô tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành khố học • Tập thể anh chị em học viên cao học Vật lý Kỹ thuật khóa 2020, 2021 chia sẻ khó khăn nhiệt tình giúp đỡ, động viên thời gian qua • Cha mẹ, anh chị em bạn bè giúp đỡ nguồn động viên tinh thần lớn suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! PHẠM TRẦN THIÊN TÚ ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nghiên cứu, thiết kế chế tạo module nhiệt lạnh ứ n g d ụ n g t r o n g đ i ề u t r ị v ậ t lý trị liệu Luận văn tập trung vào nhiệt lạnh trị liệu, phương pháp rộng rãi sử dụng y học thể thao vật lý trị liệu để điều trị chấn thương cấp tính giảm đau Áp dụng nhiệt độ thấp có tác dụng giảm nhiệt độ da, góp phần giảm viêm, sưng đau vùng bị tổn thương Phương pháp thực qua nhiều phương thức khác nhau, đó, thiết bị nhiệt lạnh liên tục có kiểm sốt nhiệt độ ưa chuộng, đặc biệt điều trị khớp lớn Các thiết bị hoạt động cách bơm tuần hoàn nước lạnh vào làm lạnh quấn quanh chi bệnh nhân Nghiên cứu nhằm mục đích phát triển thiết bị nhiệt lạnh trị liệu có khả điều chỉnh nhiệt độ thấp da để đạt hiệu điều trị Phương pháp sử dụng máy nén lạnh kết hợp với nguồn nước lạnh từ xa để tuần hoàn qua áp làm mát đàn hồi đặt vị trí cần điều trị Kết cho thấy thiết bị có khả kiểm sốt nhiệt độ từ 20oC đến 5oC với mức dao động ± 0,4oC làm lạnh Nghiên cứu thử nghiệm 32 tình nguyện viên cho thấy nhiệt độ da vùng đầu gối giảm xuống đến 15,1oC ± 1,7oC (95% CI, 18,6 oC-11,1oC) sau 30 phút quấn làm lạnh 10oC Kết thử nghiệm bề mặt da khớp với kết thử nghiệm mô phỏng, chứng tỏ thiết bị có khả trở thành thiết bị y tế vật lý trị liệu hiệu quả, dễ sử dụng có khả kiểm sốt nhiệt độ xác da người, mang lại lợi ích việc điều trị iii ABSTRACT Research, design and manufacture cold therapy module using in physiotherapy Cryotherapy, a commonly utilized method in sports medicine and physical therapy, is employed for the treatment of acute injuries and pain management By applying cold temperatures, the skin surface temperature decreases, resulting in several physiological effects on the body These effects include the reduction of inflammation, swelling, and pain in the affected area Cryotherapy can be administered through different techniques, but the use of controlled continuous cold devices is widespread in cryotherapy treatment due to their ability to precisely regulate temperature, particularly when treating large joints These devices operate by circulating cold water into a cooling pad wrapped around the patient's limbs The objective of this study is to develop an adjustable cryotherapy device that effectively regulates low skin temperature for physical therapy treatment This will be achieved by combining a refrigerant compressor with a remote source of chilled water that circulates through a flexible cooling pad placed on the targeted treatment area The results demonstrate that this device can maintain temperature control ranging from 20°C to 5°C with a minimal fluctuation of ± 0.4°C at the cooling pad A trial conducted on 32 volunteers revealed that, after 30 minutes of applying a cooling plate at 10°C, the skin temperature in the knee region decreased to an average of 15.1°C ± 1.7°C (95% CI, 18.6-11.1°C) The experimental cryotherapy results on the skin surface align with the findings from simulation tests, indicating that this device can be fully developed into a medical instrument capable of providing precise and continuous temperature control on the human skin Such a device would be user-friendly and offer significant therapeutic benefits in the field of physical therapy iv LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Nguyễn Thế Thường TS Mai Hữu Xuân Các kết nêu luận văn trung thực, xác chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Những liệu bảng biểu hình ảnh sử dụng phục vụ cho việc giải thích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo TÁC GIẢ LUẬN VĂN PHẠM TRẦN THIÊN TÚ v PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 MỤC LỤC Nội dung Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x CHƯƠNG I: BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 1.1.Bối cảnh hình thành đề tài 1.2.Mục tiêu định hướng 1.3.Nhiệm vụ đề tài CHƯƠNG II: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI 2.1.Cơ chế tương tác nhiệt lạnh thể a)Giảm vận tốc dẫn truyền thần kinh b)Tăng ngưỡng đau c)Gia tăng sức mạnh d)Giảm co cứng e)Tạo thuận lợi cho co 10 f)Giảm tốc độ chuyển hóa 10 2.2.Ứng dụng tác nhân nhiệt lạnh điều trị 10 2.2.1 Kiểm soát viêm 10 2.2.2 Kiểm soát phù nề 12 2.2.3 Kiểm soát đau 13 2.2.4 Điều chỉnh tình trạng co cứng 13 2.2.5 Chống định thận trọng dùng nhiệt lạnh 14 2.3 Các phương thức áp dụng nhiệt lạnh trị liệu 15 2.4 Các nghiên cứu nước giới liệu pháp nhiệt lạnh 21 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỰ TRUYỀN NHIỆT QUA DA NGƯỜI, BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS 25 3.1.Mơ hình mơ truyền nhiệt qua da người 25 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE NHIỆT LẠNH VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ 32 4.1.Thiết kế, chế tạo module nhiệt lạnh 32 4.2.Thử nghiệm, đánh giá hoạt động thiết bị 36 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC TẾ KHẢ NĂNG GIẢM NHIỆT ĐỘ THEO THỜI GIAN TRÊN BỀ DA CỦA THIẾT BỊ 38 5.1.Mô tả cách thức khảo sát 38 5.2.Kết thực tế 40 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 42 vi PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 56 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 56 vii PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt ACL CIVD TKR TEC SD Giải thích Anterior Cruciate Ligament – Dây chằng chéo trước Cold induced vasodilation – Hiện tượng giãn mạch nhiệt lạnh Total knee replacement – Phẫu thuật thay hoàn toàn khớp gối Thermoelectric cooling module – Nhiệt lạnh trị liệu Standard deviation – Độ lệch chuẩn viii 2023 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Tổng kết kết luận văn đạt Luận văn trình bày vấn đề tổng quan liên quan đến đối tượng nghiên cứu, xây dựng sở lý luận để xây dựng thiết bị nhiệt lạnh, đặc biệt chế tương tác nhiệt lạnh thể, ứng dụng tác nhân nhiệt lạnh trị liệu, phương pháp trị liệu hữu nghiên cứu nước liên quan đến đề tài Bên cạnh đó, luận văn thực mơ trình truyền nhiệt qua da phần mềm COMSOL, so sánh với kết nghiên cứu thực nghiệm công bố, làm sở để phát triển, xây dựng thiết bị áp dụng thực tiễn Đồng thời, luận văn xây dựng thành công thiết bị áp lạnh dễ dàng di chuyển mang theo có khả kiểm sốt nhiệt độ ổn định phạm vi điều trị thích hợp Kết cho thấy thiết bị có khả hoạt động ổn định khoảng nhiệt độ từ 5°C đến 20°C với mức ổn định nhiệt độ làm mát Cooling Pad ±0.4°C Ứng dụng nhiệt lạnh 10°C làm mát Cooling Pad làm giảm nhiệt độ bề mặt da 11,1°C -18,6°C sau 30 phút Kết thí nghiệm da người phù hợp với kết nghiên cứu nhóm nghiên cứu Holwerda [42] , cho thấy nhiệt độ da giảm đáng kể mặt lâm sàng từ 12°C đến 17°C sử dụng hệ thống làm mát nước đá mười đối tượng khỏe mạnh (23 ± tuổi) trình điều trị liệu pháp áp lạnh kéo dài 30 phút Kết mô hỗ trợ kết thực nghiệm, cho thấy nhiệt độ mô da giảm nhanh 15 phút liệu pháp áp lạnh, sau ổn định khoảng 20-30 phút sau 6.2 Đóng góp mặt khoa học thực tiễn Luận văn phát triển thiết bị nhiệt lạnh phát triển ứng dụng vật lý trị liệu việc sử dụng máy nén khí lạnh loại nhỏ để làm nguồn lạnh sử dụng lâu dài điện kiểm soát ổn định nhiệt độ cần cài đặt, thiết bị làm lạnh tương tự nghiên cứu thị trường sử dụng nguồn dự trữ đá nước đá để làm nguồn lạnh Vì khơng kiểm soát thời gian sử dụng thiết bị cần bổ sung nguồn đá thường xuyên 42 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 Đây tính mới, khoa học đề tài Ngoài mối liên hệ phần mô thực nghiệm nghiên cứu cho thấy tương đồng rõ nét đặc biệt 15 phút đầu áp lạnh Cụ thể, kết mô cho thấy nhiệt độ bề mặt da giảm nhanh khoảng 15 phút (nhiệt độ da từ 37°C xuống 20°C) giảm chậm 15 phút lại Phần thực nghiệm cho thấy nhiệt độ trung bình da 32 tình nguyện viên giảm nhanh 15 phút đầu áp lạnh giảm chậm 15 phút sau Kết khoa học luận văn viết thành 01 báo khoa học chấp thuận đăng tạp chí phát triển khoa học cơng nghệ Đại Học Quốc Gia Hồ Chí Minh (VNUHCM Journal of Engineering and Technology) vào tháng 05/2023 6.3 Hướng phát triển Thiết bị lạnh liên tục kiểm sốt có tiềm phát triển hồn chỉnh thành thiết bị thương mại để sử dụng rộng rãi vật lý trị liệu phục hồi chức năng, đặc biệt để điều trị chấn thương cấp tính khớp khác Module hồn tồn phát triển lên tiếp thành thiết bị hoàn chỉnh để dùng lĩnh vực giảm đau điều trị chấn thương cấp tính Ngồi ra, thiết bị lắp ghép kết nối với thiết bị khác laser, điện, từ trường, siêu âm,…để tạo thành thiết bị điều trị vật lý trị liệu tổ hợp điều trị đau từ cấp tính (ngay sau chấn thương) đau mãn tính 43 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Tạp chí nước N N An, N.S Suu, D K Binh, P.T.T Tu and N.T Thuong, “Development of cryotherapy device using refrigerant compressor for decreased skin temperature”, Science & Technology Development Journal - Engineering and Technology (STDJET), May 2023 Development of cryotherapy device using refrigerant compressor for decreased skin temperature Nguyen Nhat An, Nguyen Sy Suu, Do Khoa Binh, Pham Tran Thien Tu and Nguyen The Thuong* Abstract—Cryotherapy is a commonly used technique in sports medicine and physical therapy for the treatment of acute injuries and pain management The application of cold temperatures leads to a decrease in skin surface temperature, which can have several physiological effects on the body This can help to reduce inflammation, swelling, and pain in the affected area Cryotherapy can be administered using various modalities, but controlled continuous cold devices are widely used in cryotherapy treatment due to their accurate temperature control, especially when treating large joints These devices work by pumping cold water alternately into a cooling pad that is wrapped around a patient's limbs The aim of this study is to develop a cryotherapy device that regulates low skin temperature for effective physical therapy treatment This will be achieved by utilizing a refrigerant compressor in combination with a remote source of chilled water that is circulated through a cooling pad placed on the treatment site The results show that this device can control temperature from 20oC to 5oC with a fluctuation of ± 0.4oC at the cooling pad A test study on 32 volunteers showed that the skin temperature in the knee area can drop to 15.1oC±1.7oC (95% CI, 18.6-11.1oC) after 30 minutes of applying a cooling plate at 10 oC The experimental cryotherapy results on the skin surface are consistent with the simulation test results, indicating that this device can be developed into a medical device that provides precise and continuous temperature control, thereby ensuring ease of use and maximum therapeutic benefit in the field of physical therapy Index Terms— Cryotherapy, refrigerant compressor Bio-heat C INTRODUCTION ryotherapy, also known as cold therapy, is a commonly used technique in sports medicine and physical therapy for the treatment of acute injuries and pain management [1-4] The application of cold temperatures leads to a decrease in skin surface temperature, which can have several physiological effects on the body, including a reduction in nerve conduction velocity, local blood flow, and cellular metabolic rate These effects, in turn, reduce the inflammation process, swelling, and provide temporary pain relief in the affected injured area Cryotherapy is administered using various modalities, including vapocoolant sprays, cold or ice packs, and controlled continuous cold devices Among these, controlled continuous cold devices are widely used in cryotherapy treatment due to their accurate temperature control, particularly when treating large joints [5] These devices work by pumping cold water alternately into a cooling pad that is wrapped around a patient's limbs The cooling pad should be set to a temperature between 10°C and 15°C [5], and the skin temperature can be lowered to about 20°C to achieve demonstrable intra-articular temperature changes [6] Controlled continuous cold devices are also very effective in reducing swelling and pain, managing musculoskeletal injuries, especially knee joint injuries, and helping patients regain their range of motion after surgery [7,8,9] Barber et al evaluated the effectiveness of controlled continuous cold therapy for postoperative pain management in outpatient arthroscopic anterior cruciate ligament (ACL) reconstructions The results of their study indicated that transfers, 44 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 Where ρ is skin density [kg/m3]; c is skin heat capacity [J/(kgK)]; T is skin temperature [K]; k is skin thermal conductivity [W/mK]; b is blood perfusion rate [1/s]; ρb is blood density [kg/m3]; cb is blood heat capacity [J/(kgK)]; Ta is blood temperature [K]; qmet is metabolic heat souce [W/m3]; qext is external environmental heat source [W/m3] continuous-flow cold therapy is both safe and effective in reducing pain medication requirements for outpatient ACL reconstruction patients [7] In another study, Webb et al compared cold compressive dressings with wool and crepe in the postoperative management of 40 patients who underwent total knee replacement (TKR) The findings of their study suggested that the cold compression device was effective in reducing blood loss and pain following TKR [8] Furthermore, Kullenberg et al demonstrated that cryotherapy improves the control of pain, which might lead to an improvement in the range of motion (ROM) and a shorter hospital stay for 86 patients undergoing total knee arthroplasty [9] Controlled continuous cold therapy devices can be manufactured using various technologies and techniques However, they typically consist of a cold therapy unit combined with an adjustable wrap, also known as a cooling pad The cold therapy unit can use thermoelectric cooling (TEC) modules [10] to bring the refrigeration source directly to the tissue being treated [11, 12], or it can use a refrigerant compressor to cool water, which is then circulated through a pad to provide continuous cold therapy to the affected area [5] The latter type of device includes a cold-water cabinet, a pump to deliver cold water through the duct, and a cold pad for application to the affected area The cold water is stored in the cabinet and pumped through the duct to the cold pad, which delivers the cold therapy to the injured region Various types of these devices have been specially designed and commercialized, such as the Aircast Cryo Cuff™ [5] and Game Ready [13], but they are usually quite expensive and require ice storage The aim of this study is to develop a cryotherapy device that facilitates the regulation of low skin temperature for effective physical therapy treatment This will be achieved by utilizing a refrigerant compressor in combination with a remote source of chilled water that is circulated through a bladder placed on the treatment site The device will provide precise and continuous temperature control, ensuring ease of use and maximum therapeutic benefit Figure 3D human skin model The biological heat transfer equation was solved using Comsol Multiphysics software, with the thermophysical properties of skin tissue for a three-layer model as presented in Table For this study, the entire surface of the knee joint's skin was covered by a cooling pack (as shown in Figure 2), which prevented heat exchange with the surrounding environment (qext = 0) As for the boundary conditions, the skin was cooled at the surface using a cooling heat source (cooling pad) with a constant temperature of 10°C (or 283 K), while the skin's bottom was maintained at body temperature of 37°C (or 310 K) Table Thermophysical properties of skin tissue for three-layer model [9] Parameter Epidermis Dermis Hypodermis ρ ( kg/m ) 1190 1116 971 c (J/(kgK) 3600 3300 2700 T (K) 310 310 310 k (W/mK) 0.235 0.445 0.185 b (1/s) 0.001 0.001 ρb (kg/m ) 1060 1060 cb (J/(kgK) 3770 3770 Ta (K) 310 310 368 368 368 METHODOLOGY Simulation of heat transfer in human skin The human skin modeled by COMSOL Multiphysics in Figure is a cube with dimensions of 6x6x6 mm in which three layers from top to bottom with thickness: epidermis (0.1 mm), dermis (1.5 mm), mm) and the subcutaneous layer (4.4 mm) [14] The heat transfer in the skin tissue is governed by Pennes bioheat equation [13]: 𝝏𝑻 𝒄 = 𝒌𝟐 𝑻 + 𝒃 𝒃 𝒄𝒃 (𝑻𝒂 − 𝑻) + 𝒒𝒎𝒆𝒕 + 𝒒𝒆𝒙𝒕 (𝟏) 𝝏𝒕 qmet (W/m ) 45 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ Development of cryotherapy device The cryotherapy device is designed to decrease the skin surface temperature in a controlled manner The device's operating principle is illustrated in the block diagrams shown in Figures and The device utilizes an FSCH019Z12 refrigerant unit [10] and a mini pump to circulate water from the water tank through the cooling block and transfer it to the cooling pad (elastic wrap) The cooling pad comes into contact with the human body, allowing for heat exchange through the skin Once the heat exchange process is complete, the water is circulated back into the water tank to begin the next cooling cycle 2023 working modes, and operation push buttons, allows users to customize the temperature level and cooling mode The control and display unit circuits were designed using Altium Designer software and are detailed in Figures and Figure The control circuit consists of several components The main part is the ATmega2560 microcontroller (), responsible for collecting and processing input signals such as water temperature and signals from button systems to control the operation of the refrigeration unit In order to maintain the operation of the microcontroller, the LM7805 IC () is used to convert the input power suitable for the operating parameters of the IC and the LED display screen In addition, the control circuit also utilizes temperature sensors () and signal transmission headers () to communicate with other functional units and keep the circuit board compact in size The display circuit includes four 7-segment LED circuits () used to display the module's output temperature and operating time The signal of each LED is controlled and processed by a separate 74HC53 IC, which is then combined with signals from the control button system () and directed to the main IC of the display circuit, the 7447 (), for synthesis and communication with the control circuit via signal transmission headers () To ensure the continuous operation of the device, an input power board is required to provide power to the refrigeration module's components, which include the FSCH019Z12 refrigeration unit, mini pump, and control circuit board The control circuit board will regulate the operation of the cryotherapy device based on electrical signals The board will monitor the system's condition by reading temperature and pressure sensor values If necessary, the board will adjust system parameters such as liquid temperature and refrigerant power to ensure efficient operation In case of any malfunction, the control board will send an alert signal to the user and can automatically shut down the system to prevent hazardous situations Figure Block diagram of the cryotherapy device Figure Block diagram of the cryotherapy device in practice The cryotherapy device must meet technical requirements for maintaining and controlling temperatures within the range of 10-15°C To ensure stable operation, a control board is used to manage the system's functions Specifically, the ATmega2560 is programmed as the control board for this module The circuit board, along with the temperature display system, 46 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 injuries, and no contraindications for cryotherapy The average age (±SD) was 35.8 ± 10.3 years and body mass index was 23.7 ± 2.8 Each subject participated in a single trial, with room temperature maintained at a mean of 27°C An Elitech temperature measuring device (RC4HC) was used to measure the temperature on the skin surface of the knee joint The cooling pad, measuring 30cm x 30cm, was wrapped around the knee joint of each volunteer, as shown in Figure 6, and the temperature on the cooling pad surface was set to 10°C The device was applied to the skin surface of the knee joint for 30 minutes, during which skin surface temperature data was recorded on a minute-by-minute basis Statistical analysis was performed using SPSS 22 software A P value of less than 0.05 was used to determine statistical significance Figure Circuit diagram control unit Figure Circuit diagram display unit Experiments To assess the device's temperature control performance, we conducted an evaluation of its ability to maintain stable temperatures on the surface of the elastic wrap (cooling pad) The device was set to four different temperatures: 5, 10, 15, and 20°C and maximum power (150W) The room temperature was maintained at a mean of 27°C We used an Elitech device thermometer (RC4HC) to measure the cooling pad surface temperature, with a display resolution of 0.1 °C and an accuracy of ±0.1°C The thermometer probe was mounted and fixed on the elastic wrap surface to measure and record temperature data every minute The collected data was then analyzed using Origin software to evaluate the device's ability to reduce and stabilize the temperature over time To assess the cooler's ability to reduce skin temperature, experiments were performed on healthy volunteers (23 males and women) who were staff members at the Institute of Biomedical Physics in Ho Chi Minh City Prior to participation, each subject completed a questionnaire to ensure they were healthy, had no Figure Knee joint of the volunteer wrapped with a cooling elastic pad during the experiment RESULTS Simulation of results of bio-heat transfer in the skin tissue The simulation results of skin tissue temperature at different time intervals of 5, 10, 15, and 30 minutes are shown in Figure 7a, 7b, 7c, and 7d, respectively, when a cooling pad with a temperature of 10°C is applied to the skin surface The temperature profile results revealed a rapid decrease in skin tissue temperature during the initial 15 minutes, and there was not much difference in the skin temperature simulation results at 15 and 30 minutes These results indicate that the temperature of the skin is significantly reduced and stabilized in all three layers after 15 minutes, and remains almost stable for the subsequent 15 minutes 47 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 Figure Three skin layers’ temperature during the application of the cooling pad of 10°C for 30 minutes Figure Map contour (XZ) of heat transfer from the skin surface (epidermis) to the hypodermis after 30 cooling Figure Simulation results of skin tissue temperature from epidermis to hypodermis at different time intervals (5, 10, 15, and 30 minutes) with a cooling pad at a surface temperature of 10°C Temperature stability results on cooling pad surface To demonstrate the device's temperature control ability, we tested different temperature settings: 20°C, 15°C, 10°C, and 5°C Figure 10 displays the temperature set points of the device (red line) and the cold plate (blue line) over time Lower temperature settings require more time to stabilize For example, it took 65 minutes for the device to reach a stable temperature of 5°C, while it took 35, 25, and 15 minutes to reach a stable temperature at settings of 10°C, 15°C, and 20°C, respectively Once the temperature setting on the device stabilizes, the temperature on the cold plate also stabilizes, but there is a slight corresponding fluctuation of 21.88 oC±0.26,17.25 o C ±0.29, 12.49 oC ±0.43, and 5.74 oC ±0.38 for temperature settings of 20°C, 15°C, 10°C, and 5°C, respectively This fluctuation is due to heat loss to the environment through the recirculation system in the water to the cooling plate Figure illustrates the depth of cold penetration and temperature changes using a cooling pad set to 10°C for 30 minutes at three different points (epidermis 0.05 mm, dermis 1.5 mm, and dermis mm) in the skin tissue, as shown in the contour map of Figure Based on the simulation results, the skin tissue temperature (from the epidermis to the hypodermis) ranged from 12-18 °C, 1116 °C, 11-15.5 °C, and 11-15°C at 5, 10, 15, and 30 minutes, respectively 48 PHẠM TRẦN THIÊN TÚ LUẬN VĂN THẠC SĨ 2023 minutes of application using a cooling pad at 10°C, the mean skin temperatures decreased substantially to 17.1°C ±2.2 (95% CI, 13.2-21.2°C) From the 15th minute onwards, the mean skin temperature continued to slightly decrease, with the mean skin surface temperature recorded at 15.1°C at the 30th minute The mean skin temperature values at the time points after 5, 10, 15, 20, 25 and 30 minutes are statistically significant (p