BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
Bối cảnh hình thành đề tài
Ngày nay, việc tập thể dục thể thao ngày càng được mọi người quan tâm do nhiều lợi ích mà nó mang lại Không chỉ riêng các vận động viên hay quân đội, mà ngay cả những người dân bình thường cũng có sự cải thiện đáng kể trong tần suất hoạt động thể chất Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến nguy cơ chấn thương, bao gồm các tổn thương như gãy xương, nứt xương, rách cơ và bầm tím Những chấn thương này thường xảy ra đột ngột, thường do ngã hoặc va chạm mạnh với vật cản Các dạng chấn thương cấp tính phổ biến cần được lưu ý.
Chấn thương cơ hoặc gân xảy ra khi cơ hoặc gân bị giãn căng hoặc rách, thường gặp ở các vùng như đùi sau, cơ háng, cơ tứ đầu, cơ bắp chân, cơ lưng và cơ vai Triệu chứng điển hình bao gồm cảm giác đau nhức, sưng tấy và khó khăn trong việc cử động vùng cơ bị tổn thương.
Chấn thương dây chằng, hay còn gọi là "bong gân", xảy ra tại các khớp nơi hai hoặc nhiều xương nối với nhau Khi bong gân, một hoặc nhiều dây chằng có thể bị giãn hoặc rách, thường do thực hiện các động tác quá sức Vùng cổ chân là khu vực nhạy cảm và dễ gặp phải tình trạng bong gân, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và khả năng tập luyện của người bị chấn thương.
Bong gân mắt cá chân là chấn thương phổ biến, thường xảy ra khi bàn chân xoay vào trong, dẫn đến rách dây chằng bên ngoài mắt cá hoặc gây căng quá mức.
Chấn thương khớp vai là một trong những chấn thương phổ biến do khớp vai có biên độ vận động lớn nhất trong cơ thể, khiến nó dễ bị tổn thương Những chấn thương này thường xảy ra trong quá trình tập luyện, chủ yếu do quá tải hoặc lặp lại các động tác ném và đẩy.
Chấn thương đầu gối thường gặp bao gồm rách dây chằng chéo trước và rách dây chằng bên trong khớp gối Rách dây chằng chéo trước, giữ vai trò ổn định cho khớp gối, có thể xảy ra khi đặt chân sai tư thế, dừng đột ngột hoặc đổi hướng quá nhanh, dẫn đến sưng đau và hạn chế vận động Trong khi đó, rách dây chằng bên trong khớp gối, kết nối xương đùi và xương chày, thường xảy ra khi gối bị đẩy sang một bên hoặc va chạm, gây đau nhức, sưng và mất ổn định cho khớp gối.
Chấn thương cấp tính nếu không được điều trị kịp thời có thể dẫn đến tình trạng nghiêm trọng hơn và kéo dài thời gian phục hồi của bệnh nhân Vật lý trị liệu là phương pháp phổ biến và hiệu quả để điều trị các chấn thương này, nhờ vào tính an toàn và việc sử dụng các tác nhân vật lý tự nhiên, không gây tác dụng phụ như thuốc Trong điều trị, các bác sĩ thường sử dụng nhiệt và lạnh làm tác nhân vật lý.
Liệu pháp nhiệt lạnh, hay liệu pháp áp lạnh, là một kỹ thuật phổ biến trong y học thể thao và vật lý trị liệu, thường được áp dụng để điều trị chấn thương cấp tính và kiểm soát cơn đau Việc sử dụng nhiệt độ lạnh giúp giảm nhiệt độ bề mặt da, dẫn đến nhiều tác động sinh lý tích cực như giảm tốc độ dẫn truyền thần kinh, lưu lượng máu cục bộ và tốc độ trao đổi chất của tế bào Những tác dụng này giúp giảm viêm, sưng và mang lại hiệu quả giảm đau tạm thời cho vùng bị tổn thương.
Nhu cầu nghiên cứu và phát triển thiết bị nhiệt lạnh có khả năng điều chỉnh nhiệt độ trong khoảng 5 – 20 độ C là rất cần thiết Thiết bị này cần kiểm soát được mức nhiệt độ trong suốt quá trình điều trị, nhằm đáp ứng cơ chế tương tác sinh học của tác nhân nhiệt lạnh với mô sống Luận văn thạc sĩ này được hình thành dựa trên thực tế điều trị bằng nhiệt lạnh trong nước và trên thế giới.
Mục tiêu và định hướng
Mục đích của nghiên cứu này là phát triển thiết bị trị liệu áp lạnh nhằm điều chỉnh nhiệt độ da thấp, phục vụ cho điều trị vật lý trị liệu hiệu quả Thiết bị sẽ cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và liên tục trong khoảng 5 – 20 o C, đảm bảo dễ sử dụng và tối ưu hóa lợi ích điều trị trong suốt quá trình.
Nhiệm vụ chính của đề tài
Để hoàn thành mục tiêu đã đề ra, đề tài cần hoàn thành các nhiệm vụ cơ bản sau:
Tổng quan về cơ chế tương tác giữa nhiệt lạnh và cơ thể sống cho thấy rằng nhiệt lạnh có thể ảnh hưởng tích cực đến sức khỏe Các phương thức áp dụng nhiệt lạnh, như liệu pháp chườm lạnh và tắm nước lạnh, đã được nghiên cứu và chứng minh hiệu quả trong việc giảm đau và viêm Nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã chỉ ra rằng phương pháp điều trị bằng nhiệt lạnh không chỉ mang lại lợi ích cho phục hồi thể chất mà còn hỗ trợ trong việc cải thiện tinh thần.
• Tiến hành mô phỏng quá trình tương tác của nhiệt lạnh đối với cơ thể dựa trên phương trình nhiệt sinh học và phần mềm mô phỏng
• Tiến hành so sánh kết quả mô phỏng
• Đưa ra kết luận, đánh giá.
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN ĐỀ TÀI
Ứng dụng của tác nhân nhiệt lạnh trong điều trị
Nhiệt lạnh được sử dụng để kiểm soát tình trạng viêm cấp tính và thúc đẩy quá trình phục hồi sau chấn thương bằng cách làm giảm nhiệt độ mô, từ đó làm chậm các phản ứng hóa học trong viêm, giảm nhiệt độ, ban đỏ, phù nề và đau Việc giảm lưu lượng máu do co mạch và tăng độ nhớt của máu giúp kiểm soát sự di chuyển của chất lỏng từ mao mạch đến các mô lân cận, giảm thiểu mất máu và dịch lỏng sau chấn thương Hiệu ứng này không chỉ giảm ban đỏ và phù nề mà còn kiểm soát cơn đau thông qua việc giảm hoạt động của các sợi A-delta và cơ chế cổng kiểm soát ở tủy sống, từ đó hạn chế sự suy giảm chức năng của mô.
Nhiệt lạnh được khuyến cáo sử dụng ngay sau chấn thương và trong giai đoạn viêm cấp tính, giúp hạn chế chảy máu và giảm phù nề Việc điều trị sớm mang lại hiệu quả rõ rệt Nhiệt độ da cục bộ có thể ước lượng giai đoạn lành vết thương, nếu nhiệt độ tăng cao, vùng đó có thể bị viêm và sử dụng nhiệt lạnh là có lợi Khi nhiệt độ trở về bình thường, tình trạng viêm cấp tính đã được giải quyết và nên ngưng điều trị nhiệt lạnh Thời gian viêm cấp tính thường kéo dài từ 48 – 72 giờ sau chấn thương, nhưng có thể lâu hơn với các chấn thương nặng hoặc bệnh viêm nhiễm Nếu nhiệt độ vùng mô vẫn cao, cần xem xét khả năng nhiễm trùng và tham khảo ý kiến bác sĩ Nên ngưng sử dụng nhiệt lạnh khi tình trạng viêm đã được giải quyết để tránh làm chậm quá trình hồi phục.
Sử dụng nhiệt lạnh sau khi tập luyện giúp giảm mức độ nghiêm trọng của chứng đau nhức cơ khởi phát muộn (Delayed Onset Muscle Soreness) Phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện phục hồi cơ bắp và giảm cảm giác đau đớn sau khi tập luyện.
DOMS, hay Đau cơ sau khi tập luyện, được cho là do quá trình viêm gây ra bởi tổn thương mô và mô liên kết trong quá trình tập luyện Để điều trị và phòng ngừa DOMS, việc sử dụng nhiệt lạnh sau khi vận động mạnh ở các khớp hoặc mô mềm, cũng như sau khi tập nhẹ ở vùng đã có viêm, có thể giúp giảm đau nhức hiệu quả.
Mặc dù liệu pháp lạnh có hiệu quả trong việc kiểm soát viêm và các triệu chứng liên quan, việc giải quyết nguyên nhân gây viêm là cần thiết để ngăn ngừa tái phát Chẳng hạn, nếu viêm xuất phát từ quá tải ở gân, cần điều chỉnh hoạt động của gân để tránh sự trở lại của các triệu chứng.
Khi sử dụng nhiệt lạnh để kiểm soát viêm, thời gian điều trị nên được giới hạn trong 15 phút hoặc ít hơn Nếu điều trị kéo dài, có thể dẫn đến giãn mạch và tăng tuần hoàn, làm giảm hiệu quả của phương pháp này.
Nhiệt lạnh được sử dụng để kiểm soát sự hình thành phù nề, đặc biệt trong trường hợp viêm cấp tính, khi phù nề xuất hiện do tràn dịch vào khoang kẽ Nhiệt lạnh giúp giảm áp lực chất lỏng trong mạch máu bằng cách co mạch và tăng độ nhớt của máu, đồng thời kiểm soát tính thấm của mao mạch bằng cách giảm sự giải phóng các chất vận mạch như histamine Để đạt hiệu quả tốt nhất trong việc giảm phù nề, nhiệt lạnh nên được áp dụng ngay sau chấn thương cấp tính, và việc kết hợp với nén ép sẽ mang lại kết quả tối ưu Nén ép có thể thực hiện dễ dàng bằng miếng vải quấn đàn hồi, với vùng nén ép được nâng cao hơn tim để giảm phù nề bằng cách điều chỉnh dòng chất lỏng ra khỏi khu vực bị tổn thương Phương pháp điều trị RICE - Nghỉ ngơi, Chườm đá, Băng ép và Kê cao vị trí chấn thương - là cách tiếp cận hiệu quả để xử lý tình trạng này.
Áp nhiệt lạnh không hiệu quả trong việc kiểm soát sự hình thành phù nề do tình trạng nằm tại chỗ lâu ngày và tuần hoàn kém Để giải quyết vấn đề này, cần tăng cường lưu thông tĩnh mạch và tuần hoàn bạch huyết nhằm loại bỏ chất lỏng khỏi khu vực bị ảnh hưởng Phương pháp hiệu quả nhất bao gồm sự kết hợp giữa nén ép, nâng cao, nhiệt nóng, luyện tập và matxa.
Nhiệt lạnh giúp giảm cảm giác đau một cách nhanh chóng bằng cách kích hoạt các thụ thể nhiệt trên da Phương pháp này thường được áp dụng qua xịt hơi nước hoặc matxa bằng đá để làm mát da trước khi kéo giãn các cơ bên dưới Việc giảm đau cho phép thực hiện kéo giãn với lực mạnh hơn, mang lại hiệu quả tốt hơn Điều trị bằng nhiệt lạnh trong 10 – 15 phút có thể kiểm soát đau trong khoảng 1 giờ hoặc lâu hơn, nhờ vào việc ngăn chặn sự dẫn truyền của các sợi thần kinh A-delta và cơ chế cổng kiểm soát kích thích các thụ thể nhiệt.
Sau 1-2 giờ ngừng điều trị, quá trình lầm ấm của vùng da bị chậm lại do mạch máu co lại, dẫn đến hạn chế lưu thông máu Đồng thời, lớp mỡ dưới da hoạt động như một bộ phận cách nhiệt, làm chậm quá trình truyền nhiệt qua phương pháp dẫn truyền.
Giảm đau do nhiệt lạnh là kết quả của việc ngắt chu kỳ đau – co cứng – đau, giúp giảm co cứng cơ và kéo dài hiệu quả giảm đau ngay cả khi nhiệt độ vùng điều trị trở về bình thường Ngoài ra, nhiệt lạnh còn giảm đau gián tiếp bằng cách hạn chế các tình trạng viêm và phù nề.
2.2.4 Điều chỉnh tình trạng co cứng cơ
Nhiệt lạnh có thể tạm thời giảm co cứng cơ ở bệnh nhân rối loạn chức năng thần kinh vận động Sử dụng trong khoảng 5 phút sẽ ngay lập tức làm giảm phản xạ gân sâu, trong khi tác động kéo dài từ 10 đến 30 phút có thể giảm hoặc loại bỏ sự co thắt và giảm kháng trở của cơ khi thực hiện kéo giãn thụ động.
Tác dụng kéo dài trên 1 giờ sau khi thực hiện trong 30 phút, đủ thời gian để áp dụng các biện pháp điều trị khác như luyện tập chủ động, kéo giãn và các hoạt động phục hồi chức năng.
2.2.5 Chống chỉ định và thận trọng khi dùng nhiệt lạnh
Quá mẫn cảm với lạnh là tình trạng khiến bệnh nhân xuất hiện các mảng mịn trên da, có độ nhô lên nhẹ và màu sắc có thể đỏ hơn hoặc nhạt hơn so với vùng da xung quanh Tình trạng này thường đi kèm với ngứa dữ dội, gây khó chịu cho người mắc phải.
Không dung nạp lạnh là tình trạng gây ra đau dữ dội, tê liệt và thay đổi màu da khi tiếp xúc với nhiệt độ lạnh Phản ứng này thường gặp ở những bệnh nhân mắc các bệnh thấp khớp hoặc sau khi trải qua chấn thương nghiêm trọng do tai nạn hoặc phẫu thuật ở các ngón tay và ngón chân.
Các phương thức áp dụng nhiệt lạnh trị liệu
Liệu pháp áp lạnh được thực hiện qua nhiều phương pháp như phun chất làm mát, chườm lạnh và sử dụng thiết bị làm lạnh liên tục có kiểm soát Các thiết bị này được ưa chuộng trong điều trị nhờ khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác, đặc biệt cho các khớp lớn Chúng hoạt động bằng cách bơm nước lạnh vào tấm làm mát quấn quanh tay hoặc chân, với nhiệt độ từ 10°C đến 15°C, giúp hạ nhiệt độ bề mặt da xuống khoảng 20°C, từ đó tác động đến nhiệt độ trong khớp Thiết bị lạnh liên tục có kiểm soát cũng rất hiệu quả trong việc giảm sưng đau và xử trí tổn thương cơ xương khớp, đặc biệt là chấn thương khớp gối, hỗ trợ bệnh nhân phục hồi sau phẫu thuật.
Các thiết bị trị liệu lạnh liên tục có kiểm soát sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, thường bao gồm bộ phận trị liệu lạnh kết hợp với tấm bọc điều chỉnh được Bộ phận trị liệu lạnh có thể sử dụng module làm mát nhiệt điện (TEC) để cung cấp nguồn làm lạnh trực tiếp đến mô điều trị hoặc sử dụng máy nén lạnh để làm mát nước, sau đó lưu thông qua miếng đệm cho liệu pháp lạnh liên tục Một số thiết bị khác bao gồm bình nước lạnh, máy bơm và miếng đệm lạnh để áp dụng cho khu vực bị ảnh hưởng Nước lạnh được chứa trong bình và bơm qua ống dẫn đến tấm đệm lạnh, mang liệu pháp lạnh đến vùng bị thương Nhiều thiết bị như Aircast Cryo Cuff™ và Game Ready đã được thiết kế đặc biệt và thương mại hóa, nhưng thường có giá thành cao và yêu cầu duy trì lượng nước đá cần thiết.
Túi chườm lạnh thường được làm bằng gel chứa silica hoặc hỗn hợp saline và gelatin, bọc bên ngoài bằng nhựa vinyl Gel được thiết kế để duy trì trạng thái bán rắn ở nhiệt độ từ 0 đến 5°C, giúp phù hợp với các đường cong của cơ thể Nhiệt độ của túi chườm lạnh được bảo quản trong tủ lạnh chuyên dụng hoặc tủ đá ở mức -5°C Để đạt hiệu quả tối ưu, túi chườm lạnh cần được làm lạnh ít nhất 30 phút giữa các lần sử dụng và ít nhất 2 giờ trước lần sử dụng đầu tiên.
Để kiểm soát đau, viêm và phù nề, việc điều trị bằng túi chườm lạnh nên được thực hiện liên tục trong 10 – 15 phút, với thời gian 10 phút là hiệu quả nhất để giảm đau và sưng liên quan đến tổn thương mô mềm Việc này cũng giúp giảm thiểu nguy cơ tác dụng phụ và chấn thương thêm Nếu sử dụng nhiệt lạnh trên vùng có băng ép hoặc bó bột, cần tăng thời gian điều trị để đảm bảo tác dụng đến vùng da Trong trường hợp gói lạnh bị tan chảy trong quá trình điều trị, nên thay gói lạnh bằng gói mới để đảm bảo hiệu quả.
Sử dụng nhiệt lạnh để kiểm soát co cứng cơ có thể kéo dài tối đa 30 phút Sau khoảng 10 – 15 phút điều trị, cần kiểm tra tình trạng vùng điều trị Để giảm đau và viêm, thời gian lặp lại giữa các lần điều trị nên từ 1 – 2 giờ.
+ Vật liệu và trang bị rẻ tiền
+ Thời gian điều trị ngắn
+ Không cần trình độ chuyên môn cao
+ Có thể sử dụng cho các vùng điều trị từ trung bình đến lớn
+ Có thể áp dụng kết hợp với nâng chân lên cao
+ Các túi chườm lạnh cần phải di chuyển vị trí để quan sát vùng điều trị trong khi đang điều trị
+ Bệnh nhân có thể không chịu được trọng lượng của túi chườm lạnh
+ Túi chườm lạnh có thể không duy trì độ tiếp xúc tốt đối với các vùng điều trị nhỏ hay các vùng có cấu trúc cong
+ Thời gian điều trị dài hơn phương pháp matxa bằng đá lạnh b) Matxa đá
Cốc đá hoặc kem nước đông lạnh là công cụ hữu ích trong liệu pháp trị liệu Chuyên gia trị liệu sẽ giữ đáy cốc và từ từ bóc mép để lộ bề mặt đá, sau đó đặt trực tiếp lên da của bệnh nhân để mang lại hiệu quả trị liệu.
Thời gian điều trị: từ 5 – 10 phút hoặc cho đến khi bệnh nhân giảm cảm giác đau ở vùng điều trị
Khi sử dụng phương pháp này, đá lạnh sẽ được tác động trên mỗi vùng trong khoảng từ
Hình 2.8 Matxa đá (Injury & Icing Effectively (physis.uk.com))
+ Vùng điều trị được quan sát liên tục trong quá trình tác động
+ Có thể sử dụng cho những vùng điều trị nhỏ hoặc những vùng bất tiện khác
+ Thời gian điều trị ngắn
+ Có thể áp dụng với các chi được nâng lên cao
+ Mất nhiều thời gian khi điều trị ở vùng có diện tích lớn
Quá trình điều trị yêu cầu sự tham gia tích cực của bác sĩ lâm sàng hoặc bệnh nhân Thiết bị điều khiển áp lực kết hợp với nhiệt lạnh là một phần quan trọng trong liệu trình này.
Thiết bị này tự động bơm nước lạnh và không khí vào tay áo quấn quanh bệnh nhân, với nhiệt độ nước được điều chỉnh trong khoảng 10 – 25°C Phương pháp này thường được áp dụng ngay sau phẫu thuật để kiểm soát viêm và phù nề, nhưng cũng có thể sử dụng cho các tình trạng viêm khác Ống tay áo được đặt vào vùng chi cần điều trị ngay sau khi phẫu thuật khi bệnh nhân ở trong phòng hồi sức, và thiết bị này có thể được mang về nhà để sử dụng trong vài ngày hoặc vài tuần tiếp theo Nghiên cứu cho thấy phương pháp này hiệu quả hơn so với chườm đá trong việc kiểm soát sưng, đau và mất máu sau phẫu thuật Làm mát có thể được thực hiện liên tục hoặc gián đoạn, với chườm lạnh trong 15 phút sau mỗi 2 giờ cho liệu pháp ngắt quãng.
+ Cho phép điều trị đồng thời cả lạnh và nén ép
+ Nhiệt độ và lực nén ép có thể điều khiển được chính xác và dễ dàng
+ Có thể áp dụng cho khớp lớn
+ Phần được điều trị không quan sát được trong khi điều trị
+ Chỉ dùng được cho các chi
+ Không dùng được cho vùng thân người
Hình 2.9 Thiết bị điều khiển áp lực kết hợp nhiệt lạnh (Courtesy Aircast, Vista, CA ;
Courtesy Game Ready, Inc., Concord, CA.) d) Bình xịt làm lạnh
Bình xịt chứa CO2 lạnh và Etyl clorua giúp ức chế cơn đau tạm thời Etyl clorua, với nhiệt độ sôi chỉ hơn 120°C, khi xịt lên da (khoảng 37°C) sẽ bốc hơi, tạo ra cảm giác tê cứng và đông lạnh cục bộ Điều này ngăn cản dây thần kinh truyền cảm giác đau lên não bộ Khí CO2 lạnh không chỉ gây tê mà còn giảm đau và làm mát vết thương, mang lại hiệu quả tức thì cho các va chạm gây sưng, bầm tím.
+ Thời gian làm lạnh nhanh
+ Định vị được vùng làm lạnh
+ Bình xịt chỉ có tác dụng giảm đau tạm thời
Hình 2.10 Chai xịt lạnh (Courtesy Gebauer Company, Cleveland, OH.)
Qua khảo sát về các phương pháp điều trị bằng nhiệt lạnh, luận văn chỉ ra rằng có nhiều hình thức và thiết bị điều trị, từ gói nhiệt lạnh, cốc đá lạnh, thuốc xịt lạnh đến các thiết bị tạo áp lực kết hợp nhiệt lạnh Tuy nhiên, các phương pháp này chưa đáp ứng đủ yêu cầu điều trị trong quân y dã chiến, đặc biệt về tính cơ động, gọn nhẹ và khả năng điều trị các vùng khác nhau trên cơ thể, cũng như việc theo dõi và ổn định mức nhiệt độ Vì vậy, việc thiết kế module nhiệt lạnh đạt các tiêu chí này là rất cần thiết.
Các nghiên cứu trong nước và trên thế giới về liệu pháp nhiệt lạnh
Phương pháp nhiệt lạnh, đặc biệt là sử dụng đá lạnh, là một trong những phương pháp điều trị phổ biến nhất cho các chấn thương cơ xương Để hiểu rõ hơn về cơ chế điều trị này, mô hình về các quá trình tổn thương bên trong cơ đã được Knight và cộng sự xây dựng từ năm 2000, được minh họa trong Hình 2.11.
Hình 2.11 Quá trình xảy ra tổn thương cấu trúc mô và giai đoạn điều trị bằng nhiệt lạnh
Theo mô hình này, quá trình phục hồi cơ bắp sau chấn thương hoặc tập luyện bao gồm nhiều giai đoạn, bắt đầu từ việc phá hủy cấu trúc sợi cơ Giai đoạn đầu tiên diễn ra ngay khi chấn thương xảy ra, không thể áp dụng phương pháp phục hồi Tiếp theo, giai đoạn thứ cấp liên quan đến việc gia tăng tổn thương ban đầu và phản ứng viêm xung quanh khu vực bị thương Khi áp dụng phương pháp điều trị nhiệt lạnh, cần chú ý đến độ sâu của mô bị ảnh hưởng trong thời gian điều trị Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị nhiệt lạnh khác nhau.
Nghiên cứu của Kwiecien và cộng sự đã so sánh hiệu quả làm lạnh mô cơ của các phương pháp nhiệt lạnh khác nhau, cho thấy nhiệt độ mô cơ giảm từ 8-10°C ở độ sâu 2-3 cm Mức độ làm lạnh phụ thuộc vào đặc tính lớp da, bề dày lớp mô mỡ và lưu lượng máu Đặc biệt, lớp mỡ dưới da có độ dẫn nhiệt thấp, làm giảm hiệu quả làm lạnh; người có độ dày nếp gấp da 31-40 mm cần thời gian chườm đá lâu hơn 6 lần so với người có độ dày 0-10 mm Nhiệt độ mô cơ cũng bị ảnh hưởng bởi gradient nhiệt độ và thời gian điều trị, nhưng nếu nhiệt độ giảm xuống dưới 10°C có thể gây rung cơ và tăng tưới máu, dẫn đến nguy cơ chấn thương do lạnh Nghiên cứu của Zemke và cộng sự cho thấy liệu pháp matxa đá lạnh hiệu quả hơn chườm đá, với mức giảm nhiệt độ 4°C ở độ sâu 1,7 cm sau 15 phút, trong khi chườm đá chỉ giảm 2°C với cùng thời gian và diện tích điều trị.
Nhiệt lạnh có tác dụng làm giảm tốc độ chuyển hóa của vùng mô bị tác động, giúp giảm tình trạng viêm sau chấn thương cấp tính Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng nhiệt độ lạnh lên vùng bị thương có thể hỗ trợ trong việc kiểm soát viêm và thúc đẩy quá trình hồi phục.
Nhiệt độ từ 15 – 20°C có tác dụng giảm phù nề, tổn thương mô và phản ứng viêm sau chấn thương, đặc biệt là các chấn thương cơ xương khớp, giúp bệnh nhân phục hồi nhanh chóng sau phẫu thuật Nghiên cứu của Barber và cộng sự cho thấy liệu pháp lạnh liên tục có kiểm soát hiệu quả trong việc giảm đau sau phẫu thuật cho bệnh nhân tái tạo dây chằng chéo trước (ACL) và giảm nhu cầu sử dụng thuốc giảm đau Một nghiên cứu khác của Webb và cộng sự cũng đã áp dụng băng nén lạnh trong quản lý hậu phẫu, khẳng định tính hiệu quả của phương pháp này trong quá trình phục hồi.
Nghiên cứu trên 40 bệnh nhân đã thực hiện thay thế toàn bộ đầu gối (TKR) cho thấy thiết bị nén lạnh hiệu quả trong việc giảm mất máu và giảm đau sau phẫu thuật Kullenberg và cộng sự cũng đã chứng minh rằng liệu pháp áp lạnh không chỉ cải thiện kiểm soát cơn đau mà còn có thể nâng cao phạm vi chuyển động và rút ngắn thời gian nằm viện cho 86 bệnh nhân trải qua phẫu thuật thay khớp gối toàn phần.
MÔ PHỎNG SỰ TRUYỀN NHIỆT QUA DA NGƯỜI, BẰNG PHẦN MỀM COMSOL
BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS
3.1 Mô hình mô phỏng sự truyền nhiệt qua da người
Mô hình da người được xây dựng bằng phần mềm Comsol Multiphysics, như mô tả trong Hình 3.1, có kích thước khối lập phương 6x6x6 mm, bao gồm ba lớp với độ dày lần lượt là: Biểu bì (0,1 mm), trung bì (1,5 mm) và hạ bì (4,4 mm) [51].
Sự truyền nhiệt trong mô da được điều chỉnh bởi phương trình nhiệt sinh học Pennes [42]:
Phương trình nhiệt độ mô da được mô tả bởi công thức 𝝏𝒕 = 𝒌 𝟐 𝑻 + 𝒃 𝜌 𝒃 𝒄 𝒃 (𝑻 𝒂 − 𝑻) + 𝒒 𝒎𝒆𝒕 + 𝒒 𝒆𝒙𝒕, trong đó ρ đại diện cho mật độ mô da tính bằng kg/m³, c là nhiệt dung riêng của mô da tính bằng J/(kg·K), và T là nhiệt độ mô da tính bằng Kelvin Hệ số k biểu thị độ dẫn truyền của mô da tính bằng W/m·K, trong khi b là tốc độ tưới máu tính bằng 1/s, ρ b là tỷ trọng của máu tính bằng kg/m³, và c b là nhiệt dung riêng của máu tính bằng J/(kg·K) Thêm vào đó, Ta là nhiệt độ của máu tính bằng Kelvin, q met là quá trình sinh nhiệt chuyển hóa trong mô tính bằng W/m³, và q ext là quá trình sinh nhiệt do các nguồn nhiệt bên ngoài cũng tính bằng W/m³.
Bảng 3.1 Thông số nhiệt vật lý cho mô hình mô da 3 lớp [38]
Thông số Biểu bì Trung bì Hạ bì ρ (kg/m 3 ) 1190 1116 971 c (J/(kgK) 3600 3300 2700
Phương trình truyền nhiệt sinh học được giải bằng phần mềm Comsol Multiphysics, với các đặc tính vật lý nhiệt của mô da cho mô hình ba lớp như trình bày trong Bảng 1 Mô hình mô phỏng này sử dụng tấm nhiệt lạnh để làm mát toàn bộ bề mặt da, ngăn cản sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh (𝒒 𝒆𝒙𝒕 = 0) Điều kiện biên được thiết lập với bề mặt da được làm mát bằng nguồn nhiệt không đổi ở 10°C (283 K), trong khi phần đáy của mô da duy trì nhiệt độ cơ thể là 37°C (310 K).
Hình 3 1 Mô hình 3D da người
3.2 Quy trình tính toán bài toán mô phỏng bằng COMSOL
Hình 3 2 Sơ đồ khối quy trình mô phỏng bằng COMSOL
Hình 3 3 Chọn hệ vật lý với module có sẵn Bioheat Transfer
Hình 3 4 Thiết kế hình học mô hình mô da người
Hình 3 5 Nhập đặc tính từng lớp vật liệu
Hình 3 6 Cài đặt thời gian mô phỏng và các thông số hiển thị kết quả
Kết quả mô phỏng nhiệt độ mô da ở các khoảng thời gian 5, 10, 15 và 30 phút được thể hiện trong các hình 3.7a, 3.7b, 3.7c và 3.7d Khi tấm làm mát với nhiệt độ 10°C được áp lên bề mặt da, sự thay đổi nhiệt độ mô da được ghi nhận rõ ràng.
Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ mô da giảm nhanh chóng trong 15 phút đầu tiên, sau đó không có nhiều khác biệt giữa các thời điểm 15 và 30 phút Nhiệt độ da giảm đáng kể và ổn định ở cả 3 lớp sau 15 phút đầu, duy trì sự ổn định trong 15 phút tiếp theo.
Hình 3.7 trình bày kết quả mô phỏng nhiệt độ của mô da từ biểu bì đến hạ bì sau các khoảng thời gian 5, 10, 15 và 30 phút, với tấm làm mát có nhiệt độ bề mặt 10°C Hình 3.8 minh họa sự thay đổi nhiệt độ theo độ sâu của mô da khi sử dụng tấm làm mát ở 10°C trong 30 phút tại ba độ sâu khác nhau: biểu bì 0,05 mm, trung bì 1,5 mm và hạ bì 3 mm Kết quả này được thể hiện qua biểu đồ mặt cắt Contour trong Hình 3.9.
Dựa trên kết quả mô phỏng, nhiệt độ mô da từ lớp biểu bì đến lớp hạ bì dao động trong khoảng 12-18°C, 11-16°C, 11-15,5°C và 11-15°C tại các thời điểm khác nhau.
Hình 3 8 Nhiệt độ của ba lớp da trong quá trình áp lạnh với nhiệt độ bề mặt tấm làm mát
Hình 3 9 Biểu đồ mặt cắt Contour theo trục (XZ) sự truyền nhiệt từ bề mặt da từ biểu bì đến hạ bì sau 30 phút làm mát
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE NHIỆT LẠNH VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ
VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ
4.1 Thiết kế, chế tạo module nhiệt lạnh
Thiết bị áp lạnh được thiết kế để giảm nhiệt độ bề mặt da một cách có kiểm soát, hoạt động dựa trên nguyên lý tuần hoàn nước qua bộ phận làm lạnh FSCH019Z12 và máy bơm nhỏ Nước từ bình chứa được đưa qua khối làm mát, sau đó đến tấm làm mát Cooling Pad, tiếp xúc với cơ thể để trao đổi nhiệt qua da Khi quá trình trao đổi nhiệt hoàn tất, nước sẽ trở lại bình chứa để bắt đầu chu trình làm mát tiếp theo.
Hình 4 1 Sơ đồ khối của thiết bị nhiệt lạnh
Hình 4 2 Hình ảnh thực tế bên trong thiết bị nhiệt lạnh
Thiết bị nhiệt lạnh này được thiết kế để duy trì và kiểm soát nhiệt độ trong khoảng 10-15°C, sử dụng bo mạch điều khiển ATmega2560 để quản lý hệ thống Bo mạch này kết hợp với hệ thống hiển thị nhiệt độ và các chế độ làm việc, cho phép người dùng tùy chỉnh mức nhiệt độ và chế độ làm lạnh Mạch điều khiển và hiển thị được thiết kế bằng phần mềm Altium Designer, được trình bày chi tiết trong Hình 4.3 và Hình 4.4.
Hình 4 3 Sơ đồ mạch điều khiển
Mạch điều khiển được cấu thành từ nhiều thành phần, trong đó vi điều khiển ATmega2560 đóng vai trò chủ đạo Vi điều khiển này có nhiệm vụ thu thập và xử lý các tín hiệu đầu vào, bao gồm nhiệt độ nước và tín hiệu từ hệ thống nút bấm, nhằm điều khiển hoạt động của dàn lạnh Để đảm bảo vi điều khiển hoạt động hiệu quả, việc duy trì nguồn cung cấp điện là rất quan trọng.
IC LM7805 được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện đầu vào, đảm bảo phù hợp với các thông số hoạt động của IC và màn hình LED Mạch điều khiển tích hợp cảm biến nhiệt độ và đầu truyền tín hiệu, giúp giao tiếp hiệu quả với các khối chức năng khác và duy trì kích thước nhỏ gọn cho bảng mạch.
Mạch hiển thị sử dụng 4 mạch LED 7 đoạn để thể hiện nhiệt độ ngõ ra và thời gian hoạt động của module Tín hiệu của từng LED được điều khiển bởi các IC 74HC53 riêng biệt, sau đó kết hợp với tín hiệu từ hệ thống nút điều khiển.
IC chính của mạch hiển thị là 7447 () để tổng hợp và giao tiếp với mạch điều khiển thông qua các đầu cắm truyền tín hiệu ()
Để đảm bảo thiết bị hoạt động liên tục, cần có bảng nguồn đầu vào cung cấp điện cho các bộ phận của module làm lạnh như bộ phận làm lạnh FSCH019Z12, máy bơm mini và bảng mạch điều khiển Bo mạch điều khiển sẽ điều chỉnh hoạt động của thiết bị dựa trên tín hiệu điện, theo dõi tình trạng hệ thống qua cảm biến nhiệt độ và áp suất Nếu cần, bo mạch sẽ điều chỉnh các thông số như nhiệt độ chất lỏng và công suất máy nén để đảm bảo hiệu quả Trong trường hợp sự cố xảy ra, bảng điều khiển sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến người dùng và tự động tắt hệ thống để ngăn ngừa tình huống nguy hiểm.
Để kiểm tra khả năng kiểm soát nhiệt độ của thiết bị, nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm với các cài đặt nhiệt độ khác nhau là 20°C, 15°C, 10°C và 5°C Hình 4.5 minh họa sự so sánh giữa các điểm đặt nhiệt độ (đường màu đỏ) và nhiệt độ thực tế của tấm lạnh (đường màu xanh) theo thời gian Kết quả cho thấy cài đặt nhiệt độ thấp hơn yêu cầu nhiều thời gian hơn để đạt được sự ổn định, cụ thể là 65 phút để đạt 5°C, trong khi các cài đặt 10°C, 15°C và 20°C lần lượt ổn định sau 35, 25 và 15 phút.
Hình 4 5 Nhiệt độ của thiết bị - Device temperature (đường màu đỏ) và tấm nhiệt lạnh –
Cooling pad temperature (đường màu xanh) theo thời gian
Khi nhiệt độ cài đặt trên thiết bị ổn định, nhiệt độ trên tấm lạnh cũng duy trì ổn định với sự dao động nhẹ, cụ thể là 21.88°C±0.26, 17.25°C±0.29, 12.49°C±0.43 và 5.74°C±0.38 tương ứng với các mức cài đặt nhiệt độ 20°C, 15°C, 10°C và 5°C Sự dao động này chủ yếu xảy ra do thất thoát nhiệt ra môi trường thông qua hệ thống tuần hoàn nước đến tấm làm mát.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC TẾ KHẢ NĂNG GIẢM NHIỆT ĐỘ THEO THỜI
Mô tả cách thức khảo sát
Để đánh giá hiệu suất kiểm soát nhiệt độ của thiết bị, nghiên cứu đã tiến hành đánh giá khả năng duy trì nhiệt độ ổn định trên bề mặt tấm quấn đàn hồi (Cooling Pad) ở bốn mức nhiệt độ khác nhau: 5, 10, 15 và 20°C với công suất tối đa 150W, trong khi nhiệt độ phòng duy trì trung bình là 27°C Nhiệt độ bề mặt tấm làm mát được đo bằng nhiệt kế Elitech (RC-4HC) với độ phân giải 0,1°C và độ chính xác ±0,1°C Đầu dò nhiệt kế được cố định trên bề mặt bọc đàn hồi để ghi dữ liệu nhiệt độ mỗi phút, sau đó dữ liệu này được phân tích bằng phần mềm Origin 7 Để đo nhiệt độ da ở khớp gối, đầu dò được gắn bằng miếng dán y tế và tấm áp lạnh quấn quanh khớp, ghi nhận nhiệt độ da theo từng phút Nghiên cứu được thực hiện trên 32 tình nguyện viên khỏe mạnh (23 nam, 9 nữ) với tuổi trung bình 35,8 ± 10,3 tuổi và chỉ số BMI 23,7 ± 2,8 Tấm làm mát có kích thước 30 cm x 30 cm được áp dụng cho bề mặt da khớp gối trong 30 phút, với nhiệt độ tấm làm mát ở mức 10°C, và dữ liệu nhiệt độ bề mặt da được ghi lại từng phút Phân tích thống kê được thực hiện bằng phần mềm SPSS 22, với giá trị P nhỏ hơn 0,05 để xác định ý nghĩa thống kê.
Hình 5 1 Khớp gối của tình nguyện viên được quấn bằng một miếng đàn hồi làm mát trong quá trình thí nghiệm
Kết quả thực tế
Nhiệt độ bề mặt da trung bình trước khi sử dụng thiết bị nằm trong khoảng 28°C đến 32,2°C ở nhiệt độ phòng 27°C Sau 15 phút sử dụng tấm làm mát ở 10°C, nhiệt độ da giảm đáng kể xuống 17,1°C ±2,2 (95% CI, 13,2-21,2°C), và tiếp tục giảm nhẹ, ghi nhận ở phút thứ 30 là 15,1°C Sự khác biệt về nhiệt độ da trung bình tại các thời điểm 5, 10, 15, 20, 25 và 30 phút có ý nghĩa thống kê (p