RU2429890C1

RU2429890C1 - Method of temperature control of skin surface and biotissue subcutis

Info

Publication number: RU2429890C1
Application number: RU2010102825/14A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Журба (RU); Владимир Михайлович Журба; Валерий Михайлович Митькин (RU); Валерий Михайлович Митькин
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-09-27
Also published as: RU2010102825A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: procedures are enables by using gas-flow laser emission and spaying in a mixing chamber a liquid of a boiling point exceeding body temperature. Liquid temperature is specified as T_L≤T_sur[1+λ_e/(αδ_e)]-[λ_e/(αδ_e)]T₀, where λ_e, δ_e are a heat conduction coefficient and a skin surface thickness respectively, α is a skin surface thermal conductivity coefficient, T₀ is initial skin surface temperature, T_sur is required skin surface temperature. Gas temperature is specified 5-20°C higher than liquid temperature. Then, a working chamber containing a radiolucent optical window is used to supply a gas-drop mixture flow parallel to the skin surface and sucked on an outlet of the working chamber. A laser emission cycle is preceded by completion of supplying the liquid in the mixing chamber, while been accompanied by supplying the gas flow.

EFFECT: method enables uniform temperature control of the skin surface and subcutis without mechanical skin pressure due to crosswise exposure to the pure gas flow combined with laser emission.

2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Способ управления температурой поверхности кожи и подкожных слоев биоткани относится к области лазерной медицины и может быть использован в косметологии или дерматологии.The method of controlling the temperature of the surface of the skin and subcutaneous layers of biological tissue relates to the field of laser medicine and can be used in cosmetology or dermatology.

Уровень техникиState of the art

Известны способы для обработки кожи, использующие комбинированное воздействие на ее поверхность лазерного излучения и охлаждения с целью удаления волос, пигментных пятен различного происхождения, устранения рубцов, разглаживания морщин. При этом используются чисто термические эффекты воздействия излучения на ткань, обусловленные ее поглощением. Световое излучение обеспечивает непосредственную доставку тепловой энергии на определенную глубину в зависимости от спектрального состава и интенсивности излучения, от спектральной поглощательной способности ткани-мишени. Выбор длины волны излучения, изменение режимов облучения (изменение интенсивности, длительности импульсов излучения, частоты их следования) в сочетании с процессами теплопроводности в ткани при поверхностном охлаждении предоставляют широкие возможности в обеспечении избирательного локального нагрева до заданных температур залегающих на разных расстояниях от поверхности кожи тканей-мишеней (пигментных пятен, фолликул волос, капилляров, волокон коллагена и т.д.) для получения положительного клинического эффекта.Known methods for treating the skin using the combined effect of laser radiation and cooling on its surface to remove hair, age spots, remove scars, smooth wrinkles. In this case, the purely thermal effects of the action of radiation on the tissue due to its absorption are used. Light radiation provides direct delivery of thermal energy to a certain depth depending on the spectral composition and intensity of radiation, on the spectral absorption capacity of the target tissue. The choice of the radiation wavelength, change of the irradiation regimes (change in the intensity, duration of radiation pulses, their repetition rate) in combination with the processes of heat conduction in the tissue during surface cooling provide ample opportunity to provide selective local heating to the desired temperature at different distances from the surface of the skin tissue targets (age spots, hair follicles, capillaries, collagen fibers, etc.) to obtain a positive clinical effect.

Например, для процедуры омоложения лазерное излучение с длиной волны 1.45 мкм избирательно воздействует на коллаген, размещенный на глубине 0.5-1.2 мм от поверхности кожи и ответственный за прочность и упругость ее. Дозированное прогревание слоя коллагена вызывает его тепловое повреждение (постепенное разрушение). Откликом организма на повреждение являются естественные восстановительные процессы, которые стимулируют создание нового коллагена. То есть суть метода омоложения заключается в имитации процессов воспаления, происходящих при заживлении ран и активизирующих процессы синтеза коллагена, другими словами, процессы появления новых волокон, структура которых аналогична строению молодой кожи. В результате достигается эффект освежения, устранения морщин, улучшения эластичности кожи без повреждения ее поверхности. Для достижения таких результатов рабочее значение температуры в зоне залегания коллагеновых волокон должно находиться в диапазоне 53-57°С. В то же время температура поверхности кожи не должна превышать 40°С из-за возможности термического разрушения эпидермиса. Указанный характер распределения температуры по глубине кожи формируется при использовании охлаждения поверхности кожи в различные моменты относительно периода облучения (до, во время и после воздействия излучением). Использование так называемой системы динамического охлаждения защищает эпидермис от теплового разрушения и минимизирует ожоговые и болевые ощущения вследствие блокировки болевых рецепторов, размещенных под эпидермисом.For example, for the rejuvenation procedure, laser radiation with a wavelength of 1.45 μm selectively affects collagen located at a depth of 0.5-1.2 mm from the skin surface and is responsible for its strength and elasticity. Dosed heating of the collagen layer causes its thermal damage (gradual destruction). The body's response to damage is natural regenerative processes that stimulate the creation of new collagen. That is, the essence of the rejuvenation method is to simulate the inflammation processes that occur during wound healing and activate collagen synthesis processes, in other words, the processes of the appearance of new fibers, the structure of which is similar to the structure of young skin. As a result, the effect of refreshing, eliminating wrinkles, improving the elasticity of the skin without damaging its surface is achieved. To achieve such results, the operating temperature in the collagen fiber bed should be in the range 53-57 ° C. At the same time, the surface temperature of the skin should not exceed 40 ° C due to the possibility of thermal destruction of the epidermis. The indicated nature of the temperature distribution over the depth of the skin is formed by using cooling of the skin surface at various points relative to the irradiation period (before, during and after exposure to radiation). The use of the so-called dynamic cooling system protects the epidermis from thermal destruction and minimizes burns and pain due to blockage of pain receptors located under the epidermis.

Для охлаждения кожи применяются различные хладагенты: твердотельные, жидкостные, газообразные. Приемы удаления тепла от поверхности кожи могут быть контактными (сапфировые окна, медные пластины, криопакеты и т.д.) и бесконтактными (импульсный обдув криогенным спреем, непрерывный обдув холодным воздухом).Various refrigerants are used to cool the skin: solid, liquid, gaseous. Methods for removing heat from the skin surface can be contact (sapphire windows, copper plates, cryopackages, etc.) and non-contact (pulsed blowing with a cryogenic spray, continuous blowing with cold air).

Наиболее распространенными в лазерных системах являются контактное охлаждение и охлаждение спреем. Оба приема являются весьма эффективными средствами для охлаждения кожи, обеспечивающими высокие значения коэффициента теплообмена на поверхности кожи, лежащие на уровне α=5-10 кВт/м²град.). Однако этим методам обработки свойственны недостатки.The most common in laser systems are contact cooling and spray cooling. Both methods are very effective means for cooling the skin, providing high values of the heat transfer coefficient on the skin surface, lying at the level of α = 5-10 kW / m ² deg.). However, these processing methods have disadvantages.

При использовании криогенного спреея характерен режим кратковременного предварительного охлаждения поверхности кожи (перед началом лазерного облучения). Хладагентом является жидкость, температура кипения которой намного меньше исходной температуры кожи. Так, температура падающих на поверхность кожи капель лежит в пределах от -40 до -60°С. При касании с теплой поверхностью кожи капли жидкости кипят, испаряются и быстро охлаждают эпидермис. Нерегулярность в размере капель криогенной жидкости и в толщине жидкого криогенного слоя приводит к переменным по поверхности кожи локальным значениям как контактной температуры, так и времени испарения. Возникающая тепловая ситуация не обеспечивает полной защиты эпидермиса, особенно когда работают с плотностями излучения вблизи порогового значения разрушения неохлажденной кожи. Также влажность окружающей атмосферы (воздуха) оказывает неблагоприятное влияние на эффективность обработки. Ослабление пучка излучения на торосистой ледяной пленке, образующейся на поверхности кожи, требует от оператора компенсирующего увеличения интенсивности рабочего потока излучения. Все это требует четкой и безошибочной работы оператора и аппаратуры, так как любой сбой в нарушении баланса между интенсивностями облучения и охлаждения поверхности кожи может привести к перегреву и разрушению как эпидермиса, так и ткани-мишени. Все это приводит к ухудшению качества обработки.When using a cryogenic spray, a mode of short-term preliminary cooling of the skin surface (before the start of laser irradiation) is characteristic. The refrigerant is a liquid whose boiling point is much lower than the initial skin temperature. So, the temperature of drops falling on the skin surface lies in the range from -40 to -60 ° C. When touched with a warm surface of the skin, liquid droplets boil, evaporate and quickly cool the epidermis. Irregularity in the size of droplets of cryogenic liquid and in the thickness of the liquid cryogenic layer leads to local values of contact temperature and evaporation time that are variable over the skin surface. The resulting thermal situation does not provide complete protection of the epidermis, especially when they work with radiation densities near the threshold value for the destruction of uncooled skin. Also, the humidity of the surrounding atmosphere (air) has an adverse effect on the processing efficiency. The attenuation of the radiation beam on a hummock ice film formed on the surface of the skin requires the operator to compensate for the increase in the intensity of the working radiation flux. All this requires a clear and error-free operation of the operator and equipment, since any malfunction in the imbalance between the intensities of irradiation and cooling of the skin surface can lead to overheating and destruction of both the epidermis and the target tissue. All this leads to a deterioration in the quality of processing.

Что касается контактного охлаждения, то наиболее используемым в лазерных системах хладагентом для этой цели является сапфир. Сапфир прозрачен, имеет высокий порог разрушения и близок к металлам по величине коэффициента теплопроводности. Однако для воспроизводимости результатов при переходе от одной рабочей зоны к другой необходимо выдерживать постоянное давление на поверхность кожи, так как при механическом сжатии изменяются условия кожного кровообращения и нарушаются термодинамические процессы. Кроме того, при прямом контакте с кожей на рабочей поверхности сапфирового окна могут накапливаться продукты износа: жир, волосы, микрочешуйки кожи и т.д., что чревато нагревом окна и ослаблением пучка излучения. Необходимость чистки поверхности окна после каждого цикла лазерной обработки резко снижает производительность проведения процедур.As for contact cooling, sapphire is the most used refrigerant in laser systems for this purpose. Sapphire is transparent, has a high fracture threshold and is close to metals in terms of thermal conductivity. However, for reproducibility of the results, when passing from one working zone to another, it is necessary to withstand constant pressure on the skin surface, since during mechanical compression the conditions of skin blood circulation change and the thermodynamic processes are violated. In addition, with direct contact with the skin, wear products may accumulate on the working surface of the sapphire window: grease, hair, skin micro-flakes, etc., which is fraught with heating of the window and attenuation of the radiation beam. The need to clean the window surface after each cycle of laser processing dramatically reduces the performance of the procedures.

Наиболее близким к предлагаемому решению являются раскрытые в патенте US 6475211 метод и устройство для управления температурой биологической ткани с синхронным облучением, в котором охлаждение поверхности кожи производится потоком движущегося хладагента. Для этого устройство содержит средства доставки излучения и потока хладагента в рабочую зону, средства управления температурой и скоростью потока хладагента. Хладагент может находится в жидком или газообразном состоянии. В качестве хладагента выбран воздух.Closest to the proposed solution are the method and device disclosed in US Pat. No. 6,475,211 for controlling the temperature of biological tissue with simultaneous irradiation, in which the skin surface is cooled by a stream of moving refrigerant. To this end, the device comprises means for delivering radiation and a refrigerant flow to the working area, means for controlling the temperature and flow rate of the refrigerant. The refrigerant may be in a liquid or gaseous state. Air is selected as the refrigerant.

Поток холодного воздуха для охлаждения поверхности кожи в лазерных системах используется реже, чем криогенный спрей и сапфир, из-за намного меньшей скорости теплосъема с поверхности. При использовании воздуха максимально достижимые значения коэффициента теплообмена лежат в диапазоне 0.4-0.6 кВт/(м²град.), что на порядок меньше, чем при контактном охлаждении сапфиром или охлаждении с помощью криогенного спрея. В результате низкой интенсивности теплообмена на поверхности кожи процесс охлаждения ее потоком воздуха до заданного значения температуры является длительной процедурой, пригодной только для предварительного охлаждения кожи в режиме редких посылок импульсов излучения. Этот факт резко снижает производительность проведения процедуры лазерной обработки. Для управления же температурой кожи в миллисекундном диапазоне времен воздушное охлаждение неработоспособно. Кроме того, поток хладагента по патенту направлен почти по нормали к поверхности кожи и неминуемо оказывает механическое давление на поверхность кожи. Сжатие кожи меняет внутритканевые условия как поглощения ткани, так и прохождения тепла в ней, что ухудшает стабильность результатов обработки. Кроме того, падение по нормали к поверхности кожи газового потока ведет к образованию над поверхностью кожи воздушной подушки, затрудняющей процесс теплообмена и препятствующей тем самым ее эффективному охлаждению.The flow of cold air to cool the surface of the skin in laser systems is used less frequently than cryogenic spray and sapphire, due to the much lower rate of heat removal from the surface. When using air, the maximum achievable values of the heat transfer coefficient lie in the range 0.4-0.6 kW / (m ² deg.), Which is an order of magnitude less than with contact cooling with sapphire or cooling with a cryogenic spray. As a result of the low intensity of heat transfer on the skin surface, the process of cooling it with an air stream to a predetermined temperature is a lengthy procedure, suitable only for preliminary cooling of the skin in the mode of rare sending of radiation pulses. This fact dramatically reduces the performance of the laser processing procedure. To control the skin temperature in the millisecond time range, air cooling is inoperative. In addition, the flow of refrigerant according to the patent is directed almost normal to the skin surface and inevitably exerts mechanical pressure on the skin surface. Compression of the skin changes the interstitial conditions of both tissue absorption and heat transfer in it, which impairs the stability of the processing results. In addition, a drop along the normal to the skin surface of the gas flow leads to the formation of an air cushion above the skin surface, which impedes the process of heat transfer and thereby prevents its effective cooling.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения и стабильности результатов обработки путем использования комбинации разнородных хладагентов, выбора направления и параметров движения хладагента, а также подбора относительных температур компонент смешанного хладагента.The aim of the invention is to increase the cooling efficiency and stability of the processing results by using a combination of dissimilar refrigerants, choosing the direction and parameters of movement of the refrigerant, as well as selecting the relative temperatures of the components of the mixed refrigerant.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления температурой биологической ткани синхронным облучением и охлаждением поверхности кожи потоком газа (воздуха) в потоке газа распыляют жидкость, температура кипения которой превышает температуру тела. Распыление производят в камере смешения. При этом температуру жидкости выбирают из условия Т_ж≤Т_пов[1+λ_э/(αδ_э)]-[λ_э(αδ_э)]Т_о, где λ_э, δ_э - коэффициент теплопроводности и толщина поверхностного слоя кожи соответственно, α - коэффициент теплообмена на поверхности кожи, Т_о - исходная температура поверхностного слоя кожи, Т_пов - требуемая температура поверхностного слоя кожи, а температуру газа выбирают на 5-20°С выше температуры жидкости. После чего с помощью рабочей камеры, содержащей прозрачное для рабочего излучения оптическое окно, поток газокапельной смеси направляют параллельно поверхности кожи и на выходе рабочей камеры отсасывают. Перед циклом лазерного облучения подачу жидкости в камеру смешения прекращают, а поток газа в течение цикла лазерного облучения продолжают. Массовую концентрацию жидкости в газокапельной смеси выбирают из условия К≤[(ρ_эδ_эс_э)/с_ж][1_p/vtD_к)][Т_о-Т_пов)/(Т_о-Т_ж)], где ρ_э - плотность поверхностного слоя кожи, с_э, с_ж - теплоемкость поверхностного слоя кожи и жидкости соответственно, δ_э - толщина поверхностного слоя кожи, l_p - длина рабочей зоны охлаждения на коже, D_к - диаметр капли, v - скорость движения смеси, t - время обдува смесью, Т_ж - температура жидкости.This goal is achieved by the fact that in the known method of controlling the temperature of a biological tissue by synchronizing irradiation and cooling the skin surface with a gas (air) stream, a liquid is sprayed in the gas stream, the boiling point of which exceeds the body temperature. Spraying is carried out in a mixing chamber. In this case, the temperature of the liquid is selected from the condition T _g ≤T _pov [1 + λ _e / (αδ _e )] - [λ _e (αδ _e )] T _o , where λ _e , δ _e are the thermal conductivity and thickness of the skin surface layer, respectively , α is the heat transfer coefficient on the surface of the skin, T _o is the initial temperature of the surface layer of the skin, T _pov is the required temperature of the surface layer of the skin, and the gas temperature is chosen 5-20 ° C higher than the temperature of the liquid. Then, using a working chamber containing an optical window transparent for working radiation, the gas-droplet mixture flow is directed parallel to the skin surface and is sucked out at the outlet of the working chamber. Before the laser irradiation cycle, the liquid supply to the mixing chamber is stopped, and the gas flow continues during the laser irradiation cycle. The mass concentration in the liquid mixture is selected from gasdroplet conditions K≤ [(ρ δ _e _e _e a) / c _w] [1 _p / vtD _k)] [T _o T _surf) / (T _o -T _w)], where ρ _e - density of the surface layer of the skin, with _e, s _w - thermal capacity of the surface layer of the skin and the liquid, respectively, δ _e - thickness of the surface layer of the skin, l _p - working length of the cooling zone on the skin, D _k - droplet diameter, v - velocity mixture, t is the time of blowing the mixture, T _W is the temperature of the liquid.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа управления температурой поверхностного слоя кожи и подкожных слоев биоткани.Figure 1 presents a device for implementing a method of controlling the temperature of the surface layer of the skin and subcutaneous layers of biological tissue.

На фиг.2 изображен график, иллюстрирующий распределение температуры в поверхностном слое кожи и подкожных слоях биоткани.Figure 2 shows a graph illustrating the temperature distribution in the surface layer of the skin and subcutaneous layers of biological tissue.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа управления температурой поверхностного слоя кожи и подкожных слоев биоткани. Устройство содержит лазерный излучатель 1, рабочую камеру 2, газовую систему 3, камеру смешения 4, систему отсасывания 5, средства доставки лазерного излучения 6 в рабочую камеру, систему управления 7, систему регулирования температуры газа 8, резервуар для жидкости 9, систему регулирования температуры жидкости 10, систему впрыскивания жидкости 11 в камеру смешения, каналы 12 для подачи жидкости в систему впрыскивания и каналы 13 для отвода отсасываемых системой отсасывания из рабочей камеры газа и жидкости.Figure 1 presents a device for implementing a method of controlling the temperature of the surface layer of the skin and subcutaneous layers of biological tissue. The device comprises a laser emitter 1, a working chamber 2, a gas system 3, a mixing chamber 4, a suction system 5, means for delivering laser radiation 6 to the working chamber, a control system 7, a gas temperature control system 8, a liquid reservoir 9, a liquid temperature control system 10, a system for injecting liquid 11 into the mixing chamber, channels 12 for supplying liquid to the injection system, and channels 13 for removing gas and liquid sucked by the suction system from the working chamber.

С помощью приведенного устройства способ реализуется по заданной программе системой управления 7. Открывают газовую систему 3 с установленной заранее с помощью системы терморегулирования 8 заданной температурой газа и включают систему отсасывания 5. Формируется поток газа, движущийся из газовой системы 3 через камеру смешения 4 в рабочую камеру 2, с помощью которой поток газа направляют вдоль поверхности кожи и далее в систему отсасывания 5. Включают систему подачи жидкости в камеру смешения. Из резервуара 9 жидкость с заранее установленной системой терморегулирования 10 температурой с помощью системы впрыскивания 11 подается в камеру смешения 4 в течение заданного периода времени (определяется расчетом). Чисто газовый поток после камеры смешения 4 в течение длительности этого периода превращается в поток газокапельной смеси, который движется в том же направлении, омывая поверхность кожи. Период времени, в течение которого жидкость подается в камеру смешения 4, характеризуется повышенной эффективностью охлаждения поверхности кожи в рабочей камере 2. К концу этого периода высокоинтенсивного охлаждения поверхности кожи по глубине биоткани формируется температурное поле с ниспадающим к поверхности кожи характером распределения температуры до заданного значения на ней. В момент достижения заданной температуры на поверхности кожи подачу жидкости в камеру смешения прекращают и включают лазерное излучение заданной длительности и плотности (определяются расчетом). Излучение из лазерного излучателя 1 с помощью средства доставки 6 через прозрачное для рабочего излучения оптическое окно рабочей камеры 2 направляют на поверхность кожи. В результате воздействия импульсного лазерного нагрева поверхности кожи вслед периода ее высокоинтенсивного охлаждения по сечению биоткани формируется профиль распределения температуры с температурой поверхности кожи, не превышающей допустимой величины. Продолжающий действовать во время лазерного импульса поперечный газовый поток не влияет на параметры проходящего излучения из-за своей прозрачности и однородности. После окончания процедуры рабочую камеру переносят на новый участок кожи и цикл повторяется.Using the above device, the method is implemented according to a predetermined program by the control system 7. Open the gas system 3 with a predetermined gas temperature set in advance using the temperature control system 8 and turn on the suction system 5. A gas flow is generated moving from the gas system 3 through the mixing chamber 4 into the working chamber 2, by which a gas flow is directed along the skin surface and further into the suction system 5. The fluid supply system to the mixing chamber is turned on. From the reservoir 9, a liquid with a temperature pre-set by the temperature control system 10 is supplied to the mixing chamber 4 by means of the injection system 11 for a predetermined period of time (determined by calculation). Purely the gas stream after mixing chamber 4 for the duration of this period turns into a stream of gas-droplet mixture, which moves in the same direction, washing the surface of the skin. The period of time during which the liquid is supplied to the mixing chamber 4 is characterized by an increased efficiency of cooling the skin surface in the working chamber 2. By the end of this period of high-intensity cooling of the skin surface along the depth of the biological tissue, a temperature field is formed with the character of the temperature distribution falling to the skin surface to a predetermined value by her. At the moment of reaching a predetermined temperature on the skin surface, the fluid supply to the mixing chamber is stopped and the laser radiation of a given duration and density is turned on (determined by calculation). The radiation from the laser emitter 1 by means of the delivery means 6 through the optical window of the working chamber 2 transparent to the working radiation is directed to the skin surface. As a result of exposure to pulsed laser heating of the skin surface after a period of its high-intensity cooling along the biotissue section, a temperature distribution profile is formed with the skin surface temperature not exceeding the permissible value. The transverse gas flow that continues to act during the laser pulse does not affect the parameters of the transmitted radiation due to its transparency and uniformity. After the procedure, the working chamber is transferred to a new area of the skin and the cycle repeats.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе в поток газа впрыскивают жидкость в течение некоторого периода времени для увеличения эффективности охлаждения поверхности кожи. Как известно, интенсивность теплоотвода от поверхности определяется величиной коэффициента теплообмена α на ней, который представляет собой сложную функцию потока хладагента, его теплофизических свойств и геометрических параметров системы. Как видно из фиг.2 температура охлаждаемой поверхности при любых значениях коэффициента теплообмена превышает температуру хладагента. Чем больше значение этого коэффициента, тем ближе значение температуры охлаждаемой поверхности Т_пов к значению температуры хладагента Т_ж. При использовании воздуха в качестве хладагента максимально достигаемые значения коэффициента теплообмена лежат в диапазоне α=400-600 Вт/м²град. Величину этого коэффициента для воздуха можно повысить, если в потоке воздуха распылять теплопроводную жидкость (например, воду) перед рабочей зоной охлаждения. Микрокапельки жидкости при оседании на поверхность интенсивно забирают тепло от поверхности сообразно своим значениям коэффициента теплопроводности и теплоемкости и затем выносятся из рабочей зоны потоком воздуха. А эффект возможной турбулентности потока смеси еще более увеличивает эффективность теплосъема с поверхности кожи. Расчеты показали, что при впрыскивании воды в поток воздуха и умеренной скорости потока смешанного хладагента величина коэффициента теплообмена на поверхности кожи на порядок превышает значения для чистого воздуха (повышается до значений в диапазоне 3-10 кВт/м²град.) и становится соизмеримой со значениями коэффициента, обеспечиваемыми контактным охлаждением сапфиром и спрей, охлаждением.Unlike the prototype in the proposed method, liquid is injected into the gas stream for a certain period of time to increase the cooling efficiency of the skin surface. As is known, the intensity of heat removal from the surface is determined by the value of the heat transfer coefficient α on it, which is a complex function of the flow of the refrigerant, its thermophysical properties and geometric parameters of the system. As can be seen from figure 2, the temperature of the cooled surface at any values of the heat transfer coefficient exceeds the temperature of the refrigerant. The larger the value of this coefficient, the closer the temperature value of the cooled surface T _p to the value of the temperature of the refrigerant T _g . When using air as a refrigerant, the maximum achievable values of the heat transfer coefficient lie in the range α = 400-600 W / m ² deg. The value of this coefficient for air can be increased if heat-conducting liquid (for example, water) is sprayed in the air stream in front of the working cooling zone. Liquid droplets, when deposited on the surface, intensively collect heat from the surface in accordance with their values of the coefficient of thermal conductivity and heat capacity and then are carried out from the working area by an air stream. And the effect of possible turbulence in the mixture flow further increases the efficiency of heat removal from the skin surface. The calculations showed that when water is injected into the air stream and the mixed refrigerant has a moderate flow rate, the heat transfer coefficient on the skin surface is an order of magnitude higher than the values for pure air (increases to values in the range of 3-10 kW / m ² deg.) And becomes comparable with the values coefficient provided by contact cooling by sapphire and spray, cooling.

Для реализации конвективного механизма теплообмена на поверхности кожи без фазового перехода в охлаждающей среде в способе используют жидкость с температурой кипения выше температуры тела, что повышает стабильность результатов обработки кожи, то есть обеспечивает стабильность управления температурой поверхности кожи за счет равномерной интенсивности и однородности условий теплообмена. Кроме того, хладагенты должны быть нейтральными по отношению к коже. С этих точек зрения в способе в качестве жидкости может быть выбрана вода с температурой кипения 100°С при нормальном атмосферном давлении, а в качестве газа может быть выбран воздух.To implement the convective heat transfer mechanism on the skin surface without a phase transition in a cooling medium, the method uses a liquid with a boiling point above body temperature, which increases the stability of the skin processing results, that is, it provides stability to control the skin surface temperature due to the uniform intensity and uniformity of heat transfer conditions. In addition, refrigerants must be neutral to the skin. From these points of view, in the method, water with a boiling point of 100 ° C at normal atmospheric pressure can be selected as a liquid, and air can be selected as a gas.

Для распыления используют камеру смешения, в которую в течение всей процедуры подается газ и в течение заданного периода времени подается (впрыскивается) жидкость.For spraying, a mixing chamber is used, into which gas is supplied throughout the procedure and liquid is injected (injected) for a predetermined period of time.

Для формирования заданной температуры поверхности кожи (при фиксированной интенсивности охлаждения) температуру жидкости в способе выбирают из условия, вытекающего из уравнения теплового баланса на поверхности кожи,To form a predetermined temperature of the skin surface (at a fixed cooling rate), the temperature of the liquid in the method is selected from the condition arising from the heat balance equation on the skin surface,

Т_ж≤Т_пов[1+λ_э/αδ_э)]-[λ_э/(αδ_э)]Т₀.T _f ≤T _pov [1 + λ _e / αδ _e )] - [λ _e / (αδ _e )] T ₀ .

Расчеты показали, что положительные значения температуры жидкости Т_ж получаются при следующих значениях параметров: α≥3000 Вт/м²град., Т_пов≥7°С.Calculations have shown that the positive value the fluid temperature T _w are obtained for the following parameters: α≥3000 W / m ² deg, T _dressings ≥7 ° C..

Знак ≥ в выражении учитывает возможный нагрев капель жидкости от контакта со стенками канала при движении потока от камеры смешения до рабочей камеры.The sign ≥ in the expression takes into account the possible heating of liquid droplets from contact with the channel walls when the flow moves from the mixing chamber to the working chamber.

Температуру несущего газа в способе выбирают выше температуры жидкости на величину в диапазоне 5-20°С, так как температура газа не оказывает влияния на температуру капель из-за практически отсутствующего теплообмена между ними и основной вклад в процесс управления температурой кожи оказывает температура жидкости. Такой выбор исключает необходимость предварительного глубокого охлаждения газа и использования систем для этого, что приводит к существенной экономии энергетических затрат при проведении процедуры и к уменьшению габаритов устройства для осуществления предлагаемого способа.The temperature of the carrier gas in the method is selected above the temperature of the liquid by an amount in the range of 5-20 ° C, since the temperature of the gas does not affect the temperature of the droplets due to the practically absent heat exchange between them and the main contribution to the process of controlling skin temperature is made by the temperature of the liquid. This choice eliminates the need for preliminary deep cooling of the gas and the use of systems for this, which leads to significant savings in energy costs during the procedure and to reduce the dimensions of the device for implementing the proposed method.

В отличие от прототипа в способе поток хладагента направляют вдоль поверхности кожи, что минимизирует механическое влияние на кожу и улучшает стабильность результатов обработки управления температурой кожи. Направление потока хладагента параллельно поверхности кожи в способе формируют с помощью рабочей камеры 2, образуемой сверху прозрачным для рабочего излучения оптическим окном на пути хода лазерного излучения, поверхностью кожи снизу и боковыми стенками.In contrast to the prototype in the method, the flow of refrigerant is directed along the surface of the skin, which minimizes the mechanical effect on the skin and improves the stability of the results of processing the temperature control of the skin. The direction of flow of the refrigerant parallel to the skin surface in the method is formed using the working chamber 2, formed from above by an optical window transparent to the working radiation on the path of the laser radiation, the skin surface from below and side walls.

Толщину зазора в рабочей камере выбирают из условия, чтобы ближайшая к внешней поверхности кожи точка с температурой хладагента располагалась внутри рабочего канала как в случае использования газокапельной смеси, так и в случае использования чистого газа. Дальность расположения этой точки зависит от коэффициента теплопроводности поверхностного слоя кожи (эпидермиса) λ_э, коэффициента теплообмена на поверхности кожи α и вычисляется по формуле d=λ_э/α (см. фиг.2). На фиг.2 показана диаграмма, на которой показано распределение температуры (по вертикальной оси) в зависимости от расстояния от поверхности кожи (слева) и глубины слоя биоткани (справа). Например, для воздушнокапельной смеси на основе воды с режимами движения, обеспечивающими величину коэффициента теплообмена α≈9000 Вт/м² град., эта точка располагается на расстоянии d≈0.03 мм от поверхности кожи, а при использовании чистого воздуха с протоком со скоростью, обеспечивающей величину α≈500 Вт/м²град., это расстояние составляет уже d≈0.5 мм. Следовательно, толщина зазора должна составлять величину не менее 0.6 мм. Однако практическую толщину зазора относительно расчетного значения надо увеличить не менее чем в 4 раза как для компенсации неизбежной и довольно значительной погрешности теплофизического расчета, так и для обеспечения условий развития стабильного режима течения хладагента. С учетом сказанного толщину зазора следует выбирать в данных условиях равной не менее d=4λ_э/α≈2 мм.The thickness of the gap in the working chamber is chosen so that the point closest to the outer surface of the skin with the temperature of the refrigerant is located inside the working channel both in the case of using a gas-droplet mixture and in the case of using pure gas. The range of this point depends on the thermal conductivity of the surface layer of the skin (epidermis) λ _e , the heat transfer coefficient on the skin surface α and is calculated by the formula d = λ _e / α (see figure 2). Figure 2 shows a diagram showing the temperature distribution (along the vertical axis) depending on the distance from the skin surface (left) and the depth of the tissue layer (right). For example, for an air-droplet mixture based on water with movement modes providing a heat transfer coefficient α≈9000 W / m ² deg., This point is located at a distance d≈0.03 mm from the skin surface, and when using clean air with a flow at a speed that ensures the value α≈500 W / m ² deg., this distance is already d≈0.5 mm. Therefore, the gap thickness should be at least 0.6 mm. However, the practical thickness of the gap relative to the calculated value should be increased by at least 4 times both to compensate for the inevitable and quite significant error of the thermophysical calculation, and to ensure the development of a stable mode of flow of the refrigerant. Based on the foregoing, the gap thickness should be chosen under these conditions equal to at least d = 4λ _e / α≈2 mm.

Скорость движения потока смешанного хладагента в способе, обеспечивающая длительность контакта капли жидкости с поверхностью кожи, достаточную для максимального восприятия ею тепловой энергии от поверхности кожи (соизмерима со временем тепловой релаксации капли), выбирают равной v≈4а_ж1_р/D_к ², где а_ж - коэффициент температуропроводности жидкости, l_р - длина рабочей зоны охлаждения на коже, D_к - диаметр капли жидкости. Величина скорости движения потока и характер его течения зависят от диаметра капли. Например, для капли воды диаметром 50 мкм скорость движения потока смешанного хладагента составляет примерно 1.75 м/с. Течение хладагента в этом случае носит переходной характер, так как величина критерия Рейнольдса для такого потока Re=≈6740 превышает критериальное значение для ламинарного режима течения (Re≤2200) и не достигает критериального значения для турбулентного режима течения (Re>10⁴). Для капли воды диаметром 20 мкм значение для скорости увеличивается до 10 м/с, а режим течения хладагента становится уже турбулентным (Re≈38500>10⁴).The rate of flow of the mixed refrigerant in the method of providing liquid droplets contact duration with the skin surface sufficient to maximize the perception of its heat energy from the skin surface (commensurate with the time of thermal relaxation drops) is selected equal v≈4a _w 1 _r / D _k ^2, where and _W is the coefficient of thermal diffusivity of the liquid, l _p is the length of the working cooling zone on the skin, and D _k is the diameter of the liquid drop. The magnitude of the flow velocity and the nature of its flow depend on the diameter of the droplet. For example, for a water droplet with a diameter of 50 μm, the velocity of the mixed refrigerant stream is approximately 1.75 m / s. In this case, the refrigerant flow is transient in nature, since the Reynolds criterion value for such a stream Re = ≈6740 exceeds the criterion value for the laminar flow regime (Re≤2200) and does not reach the criterion value for the turbulent flow regime (Re> 10 ⁴ ). For a water droplet with a diameter of 20 μm, the value for the velocity increases to 10 m / s, and the flow regime of the refrigerant becomes already turbulent (Re≈38500> 10 ⁴ ).

При оценке содержания жидкости в объеме смешанного хладагента для упрощения принимался ламинарный характер движения хладагента. Получено, что относительную концентрацию жидкости в газокапельной смеси следует выбирать из условияWhen evaluating the liquid content in the volume of mixed refrigerant, the laminar nature of the movement of the refrigerant was taken to simplify. It was found that the relative concentration of liquid in a gas-droplet mixture should be chosen from the condition

К≥[(ρ_эδ_эс_э)/(ρ_жс_ж)][l_р/(vtD_к)][(Т_о-Т_пов)/(Т_о-Т_ж)], отн.ед.K≥ [(ρ δ _e _e _e a) / (ρ _w with _w)] [l _p / (vtD _k)] [(T _o -T _dressings) / (T _o -T _w)] RLU

где ρ_э, ρ_ж - плотность поверхностного слоя кожи и жидкости соответственно, c_э, c_ж -теплоемкость поверхностного слоя кожи и жидкости соответственно, l_р - длина рабочей зоны охлаждения на коже, v - скорость движения смеси, t - длительность обдува смесью, Т_ж - температура жидкости в рабочей камере.where ρ _e , ρ _W are the density of the surface layer of the skin and liquid, respectively, c _e , c _{W are the} heat capacity of the surface layer of the skin and liquid, respectively, l _p is the length of the working cooling zone on the skin, v is the speed of the mixture, t is the duration of blowing the mixture T _w - temperature of the fluid in the working chamber.

Для получения массовой концентрации с размерностью (г/см³) приведенное выражение необходимо умножить на плотность жидкости ρ_ж и оно приобретает следующий видFor mass with the dimension of the concentration (g / ^cm3), the above expression must be multiplied by the fluid density ρ _w and it takes the form

К≥[(ρ_эδ_эc_э)/c_ж][l_р/(vtD_к)][(Т_o-Т_пов)/(Т_о-Т_ж)], г/см³.K≥ [(ρ δ _e _e c _e) / _f c] [l _p / (vtD _k)] [(T _o -T _dressings) / (T _o -T _w)], g / cm ^3.

Полученные значения концентрации жидкости отвечает условию как участия всех капель в процессе теплопереноса контактируемым слоем, так и полного запасания энергии ими. На самом деле из-за нестационарности процессов теплообмена и уменьшения температуры поверхности Т_пов от исходного значения в процессе охлаждения оценочное по формулам значение необходимо увеличить, чем и объясняется наличие в выражениях знака (≥) вместо знака равенства.The obtained values of the liquid concentration correspond to the condition of both the participation of all the drops in the process of heat transfer by the contact layer and the complete energy storage by them. In fact, due to the non-stationary nature of heat transfer processes and a decrease in the surface temperature T _p from the initial value during cooling, the value estimated by formulas needs to be increased, which explains the presence of a sign (≥) in the expressions instead of an equal sign.

Из-за поглощения и рассеяния каплями жидкости рабочего излучения применение газокапельной смеси для снижения температуры приповерхностного слоя кожи возможно только в период предохлаждения, то есть в период времени, предшествующий периоду светового облучения поверхности кожи. Поперечный же поток чистого газа, действующий на поверхность кожи одновременно с лазерным излучением, не ухудшает параметры светового пучка, но несколько замедляет рост температуры приповерхностного слоя в течение цикла лазерного облучения.Due to absorption and scattering by the liquid droplets of the working radiation, the use of a gas-droplet mixture to lower the temperature of the surface layer of the skin is possible only during the pre-cooling period, that is, in the period preceding the period of light irradiation of the skin surface. The transverse stream of pure gas acting on the skin surface simultaneously with laser radiation does not worsen the parameters of the light beam, but it somewhat slows down the increase in the temperature of the surface layer during the laser irradiation cycle.

Claims

A method of temperature control of the surface layer of the skin and subcutaneous layers of biological tissue, characterized in that the gas flow in the mixing chamber is sprayed fluid whose boiling temperature is higher than body temperature, the temperature of the fluid is selected from the condition _x T ≤T _dressings [1 + λ _e / ( αδ _e )] - [λ _e / (αδ _e )] T ₀ , where λ _e , δ _e are the thermal conductivity coefficient and thickness of the skin surface layer, respectively, α is the heat transfer coefficient on the skin surface, T ₀ is the initial temperature of the skin surface layer, T _pov - the required surface temperature s skin, and the gas temperature is chosen 5–20 ° C higher than the liquid temperature, after which, using a working chamber containing an optical window transparent for working radiation, the gas-droplet mixture flow is directed parallel to the skin surface and is sucked out at the outlet of the working chamber before the laser irradiation cycle The liquid supply to the mixing chamber is stopped, and the gas flow continues during the laser irradiation cycle.