מדע מאחורי טיפול קר

Cryotherapy, היישום מבוקר של קר לרקמות פצועות או מחוספסות, היה אבן הפינה של תרופות musculoskeletal במשך עשרות שנים. מחבילות קרח ומים קרים כדי לזרז את כל הגוף בוכה תאותרפיה, המטרה נותרה זהה: להפחית כאב, להגביל דלקת, להאיץ את ההתאוששות.

הבנת הפיזיקה של העברת חום ברקמות ביולוגיות, בשילוב עם ההשלכות המכאניות של קירור, מאפשרת לרופאים ולחוקרים לחזות תוצאות עם דיוק גדול יותר. מאמר זה חוקר את המדינה-of-the-art במודל חישובי של Cryotherapy, להתמקד הן ממדים תרמיים ומכניים, ומראה כיצד מודלים משולבים מעצבים את העתיד של שיקום מחדש.

השפעות על Cryotherapy

ביוממים מעבירים את מכניזם

ההשפעה התרמית העיקרית של Cryotherapy היא צמצום בטמפרטורת הרקמות המקומית.כאשר מקור קר מוחל, זרימת חום מרקמות עמוקות יותר, חם יותר על פני השטח לאורך הטמפרטורות ⁇ .הקצב והעומק של קירור תלוי במספר גורמים: הטמפרטורה של המקור הקר, משך היישום, מוליכות תרמית חום ספציפי של רקמות, ואת נוכחות הדם של פעילות כמו מקור חם כמו דם חם לתוך אזורים קרירים לתוך הדם.

מודלים קלאסיים של העברת ביוממות, כגון משוואה פן, מתייחסים רקמות כמדיום הומוגני עם כיור חום מבוזר המייצג את עירוי הדם.המשוואה ניתן לכתוב כמו:

(ב) .

כאשר ⁇ הוא צפיפות רקמות, c הוא חום ספציפי, k הוא מוליכות תרמית, ⁇ b הוא קצב היתוך דם, c b הוא חום ספציפי דם, T art הוא טמפרטורת דם ארטרי, ו Q met הוא דור חום מטבולי. על ידי פתרון משוואה זו עם תנאים הגבול המתאים, החוקרים יכולים למפות את התפלגות הטמפרטורה הזמנית לאחר יישום קר.

גורמים המשפיעים על עומק קירור ומשך

(ב) כמה משתנים משפיעים על הפרופיל התרמית ברקמות המושקיות (FLT:0Fat עוביFLT:1 פועל כ insulator; אנשים עם שומן תת-קרקעי גדול יותר דורשים זמן קירור ארוך יותר כדי להשיג טמפרטורות טיפוליות בשכבות שרירים עמוקות יותר.FLT: 2Body Size ו- Baseline טמפרטורהFalve גם אובדן חום משתנה.

מחקרים קליניים הראו כי קירור פני השטח עם ערכת קרח במשך 20 דקות מפחית את טמפרטורת הרקמות תת-עורית ל- 10-15 מעלות צלזיוס, בעוד שטמפרטורת השרירים בעומק 1-2 ס"מ עלולה לרדת ל-20-25 מעלות צלזיוס. רקמות Deeper קרירות יותר לאט יותר ולא יכול להגיע לטמפרטורות אנאליות או אנטי דלקתיות במהלך יישומים קצרים.

נזק כבד ומגבלות בטיחות

בעוד קירור מתון הוא טיפולי, קר מוגזם יכול לגרום נזק רקמות.לנקה של תאים מוביל היווצרות גביש קרח, מתח אוסמוטי, ומוות תאים. in Cryotherapy, טמפרטורות מתחת 0 ° C בדרך כלל נמנעים עבור עור שלם, למעט הליכים ב Cryosurgical מבוקרת.מודל של פגיעה תרמי משתמש הנזק האינטגרלי Arrhenius:

(ב) 1

כאשר ⁇ הוא פרמטר הנזק, A הוא גורם תדירות, Ea הוא אנרגיה הפעלה, R הוא קבוע הגז, ו- T הוא טמפרטורה מוחלטת. על ידי הפיכה זה עם מודלים תרמיים, מרפאים יכולים להגדיר חלונות טיפול בטוח - באופן חד משמעי שמירה על טמפרטורת רקמות מעל 5-10 מעלות צלזיוס כדי להימנע הקפאת בעוד עדיין להשיג vasoconstriction משמעותי ומשככי כאבים.

תפקיד הדם של פיזור והגבלות

אחת ההשפעות התרמיות הדינמיות ביותר היא התגובה הפילוסופית של כלי הדם. Upon חשוף קר, arterioles arterioles constrictor, צמצום ההיתוך. תגובה פולשנית זו מותיווך על ידי מערכת העצבים הסימפתטית ושחרור noradrenaline מקומי.ההפחתה בזרימת הדם משנה את המונח החום במודלים ביו-התחממות, מה שהופך את המקרר יעיל יותר, אם זה אפשרי לטמפרטורה מתקדמת (בטווח של 15 דקות) או יותר), כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא יותר, כלומר, אם הוא יותר, כלומר, כלומר, כלומר, אם הוא יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם הוא יותר מאשר בטמפרטורה מתקדמת יותר, לחץ דם, אם הוא יותר, לחץ דם, אם הוא מתאים יותר, אם הוא מתאים יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה מתאים לטמפרטורה מתקדמת יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יותר, אם זה יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה מתאים לטמפרטורה גבוהה יותר, אם זה מתאים יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה יכול להיות יותר, אם זה מתאים

לצליל עמוק יותר לתוך משוואה ביוחן פן ומגבלותיה, הקוראים עשויים להתייחס לעבודה המקורית:0 (Pennes HH. Analysis ofרקמות וטמפרטורת הדם האמנותית בפריפריה האנושית המנוחה.J Appl Physiol.

השפעות מכניות של Cryotherapy

חוזים וחיתוך

רקמות קירור מעוררות שינויים מכניים ישירים.כפי שטמפרטורת טיפות, סיבים קולגן ב נוטה, ligaments, ושרירים חוזה. התכווצות תרמית זו היא הפוכה בטווח הפיזיולוגי (above -0 ° C) אבל מגביר את הנוקשות של הרקמות.היחסים בין טמפרטורה ומודולולים עבור רקמות רכות רבות הם בערך ליניאריים על פני טווח שבין 3 ° C עד 10 מעלות צלזיוס, למשל, 000 C.

עלייה זו בנוקשות יכולה להיות מועילה ומזיקה. בפציעה חריפה, נוקשות עשויה לספק תמיכה דמוית splinting, צמצום תנועות כואבות.עם זאת, קשיחות ממושכת יכולה גם לפגוע בתפקוד ושיקום עיכוב.מודל השינויים האלה דורש ידע של התכונות התרמכאניות של כל סוג רקמה. Biphasic או מולקולסטיות מודלים חוקתיים הכוללים מודלים מורכבים טמפרטורה הם לעתים קרובות מועסקים.

שינויים ב-Synovial Fluid Visosity

קירור משותף גם מגביר את ההיקף של נוזל סינברלי.המקדם של מהירויות עבור נוזל סינבוני יכול להכפיל או משולש כאשר הטמפרטורה יורדת מ 3 ° C עד 15 מעלות צלזיוס גבוה יותר מגביר את ההתנגדות להילוך משותף, אשר עשוי לתרום לתחושה של נוקשות וטווח מוגבל של תנועה לאחר Cryotherapy. בעוד אפקט זה יכול להיות שימושי מבחינה טיפולית בצמצום דלקת מפרקים ו efrepreprepation, יש צורך להיות פרוטוקולים לשיקום.

התנהגות עצבית ואלימות נוירומוספריים

Cryotherapy משפיע עמוקות על תפקוד העצב. Cooling מפחית את קצב הירי של nociceptors (סיבים פאין) ו מאט את מהירות ההתנהגות העצב (NCV) בטמפרטורות רקמות של 10-15 ° C, NCV יכול לרדת על ידי 30–50%, מתן הקלה משמעותית בכאב.אפקט זה עומד על היתרון המשככי כאבים של טיפול קר.

סיבי עצב מוטוריים מושפעים גם, אם כי בדרך כלל בטמפרטורות נמוכות יותר מאשר סיבים חושיים.זה יכול לגרום חולשת שרירים חולפת או הפעלה מופחתת מרצון.מודל השפעות עצביות אלה דורש הפיכה של הפצה תרמית עם מודלים אלקטרופיזיים של סיבי עצב, כגון הודג'קין-הuxley מותאם לטמפרטורות תלויות טמפרטורה קבוע.

פיתוח טכני של התנהגות מכנית

כדי לחזות את ההשלכות המכאניות של Cryotherapy, החוקרים משתמשים בדגימות סופיות (FE) של מבנים musculoskeletal.מודלים אלה משלבים גיאומטריה מ-MRI או סריקת CT, להקצות תכונות חומרים תלויות טמפרטורה, וליישם תנאים הגבול המייצגים יישום קר. לדוגמה, מודל FE של רגל קרירה יותר יכול לדמות את התכווצות ונוקשות של שרירי הגסטרוציונות, הגדלה על פני העור, הגדלה, וטווח של שינויים בתנועה, וכתוצאה מכך שינויים משותפים.

מודלים כאלה עוזרים לענות על שאלות קליניות: כמה נוקשות שרירים משתנה לאחר 10 דקות של icing? האם שומן subcutaneous לשנות את ההשפעה המכנית? מה משך הקירור האופטימלי כדי למקסם את ההפחתה בדלקת תוך שמירה על גמישות לשיקום? מחקר נציג על מודל של FE של Cryotherapy במפרק הברך ניתן למצוא ב FLT:0Maldon et al, Jmeure 2019.

שילוב מודלי ה-Rirmal ו-מכני

גישה משתנה לעומת גישה מלאה

ההשפעות התרמיות והמכניות של Cryotherapy אינן עצמאיות. Tissue Changes Geoמטריה ונכסים חומריים, אשר בתורו משנה את העברת החום על ידי שינוי מגע עם המקור הקר (למשל, דרך עובי העור מופחת).

  • (FLT:0) הפיכה הכרחית: FIRLT:1 , ראשית לפתור את המודל התרמי כדי להשיג התפלגות טמפרטורה, ולאחר מכן להשתמש כי כקלט למודל מכני.זה פשוט ויעיל חישובי, אבל מתעלם משוב.
  • (ב) הפיכה:0) מלאו (ממד') הפיכה: 1FLT: Solve את המשוואות התרמיות והמכניות בו זמנית, תוך התחשבות בהתפשטות תרמית / תוקפנות ותכונות תלויות טמפרטורה.

ברוב התרחישים הקליניים, המשוב מעיוות מכני לתחבורה תרמית הוא מינימלי (השינוי ב מוליכות תרמית בשל התכווצות הוא קטן) לכן, גישה חד-משמעית בשפע הוא לעתים קרובות מספיק לחיזוי ההשפעה נטו על תפקוד רקמות.עם זאת, אם המטרה היא מודל של הפחתה בעור מחבילה קרח או דחיסה משרוול קירור, הפיכה מלאה עשוי להיות מוצדק.

אתגרים ואימות

למרות ההתקדמות, מודלים תרמומניסטיים משולבים להתמודד עם כמה אתגרים. Tissues הם anisotropic, הומוגני, ולהציג התנהגות לא לינארית תחת זנים גדולים. Obtaining תכונות חומריות מדויקות בטמפרטורות נמוכות קשה, שכן תכונות רבות נמדדות רק בטמפרטורת הגוף.בנוסף, הדם משתנה דינמי, הדורש מודל ביוחמי כי זוגות זורמים עם טמפרטורה עצמאית רפלקסים מקומיים.

אימות של מודלים משולבים דורש נתונים ניסיוניים.חיישנים טמפרטורה מושתלים ברקמות בעלי חיים או אנושיות, אולטרסאונד elastography למדוד שינויים קשיחות, ו דינמימונים עבור טורק משותף הם כמה שיטות. מחקר בולט אימות מודל תרמומניסטי של שריר קריר הוא FLT:0Watbe et al., Jrm Biol 2018al.

יישומים קליניים של מודלי Cryotherapy משולבים

אופטימיזציה של טיפול Parameters

מודלים משולבים מספקים הדרכה כמותית עבור רופאים.לדוגמה, מודל עשוי להראות כי יישום של 15 דקות של חבילת ג'ל 0 מעלות C יהיה מגניב את השריר עד 18 מעלות צלזיוס - טמפרטורה אידיאלית עבור פינצ'יניה ללא סיכון נזק עצבי.המודל עשוי לחשוף כי חבילת 10 מעלות C דורש 25 דקות כדי להשיג את אותה השפעה, אשר יכול להיות סימולציה קלינית על ידי סימולטור תרחישים מרובים, רופאים יכולים להתאים את הפציעות הגוף.

Cryotherapy באמצעות Digital Twins

המושג "תאום דיגיטלי" - העתק וירטואלי של האנטומיה והפיזיולוגיה של המטופל - מתפתח ברפואה פיזית.ב Cryotherapy, תאום דיגיטלי יכול לשלב את הגיאומטריה של המטופל, חלוקת שומן, הפריון הבסיסי, וסף הכאב.המודל ירשום את משך הקירור האופטימלי, טמפרטורה ומודולליות (למשל, שקיות קרח לעומת מכשיר דחיסה קר).

מניעת אירועים

בעוד תופעות נדירות, שליליות מ Cryotherapy כוללים כפור, עצב חיצי, ופציעה של Ischemia-reperfusion.מודלים יכולים לדגל תרחישים בסיכון גבוה.לדוגמה, מודל עשוי לחזות כי החלת בכיו-קאף במשך יותר מ -30 דקות על אזור תת-קרקעי דק (כמו קניונים החציוניאולוס) עלולה לגרום לטמפרטורה העור לנפילה מתחת ל 2C, הגדלת הסיכון לדלקת ריאות כגון תסמינים כגון הדבקה).

שיקום ושיקום פוסט-Surgery Recovery

בכיותרפיה שלאחר הניתוח היא נפוצה במיוחד לאחר שיופיע הברך, שיקום ligaciate הקדמי, וניתוח כתף. Integrated מודלים לעזור לקבוע כמה זמן וכמה פעמים קר צריך להיות מיושם כדי למזער את היפוי מבלי לפגוע בכוח הדרוש להגיוס מוקדם.לדוגמה, מודל עשוי להראות כי יישום של 20 דקות ואחריו תקופה של 20 דקות rewarming אופטימיזציה של כאב הן ללא פגיעה כוח הדרושה עבור רשומות חירום קליני יכול להיות מסוגל לספק תמיכה.

כיוונים עתידיים ב Cryotherapy Modeling

למידה מכונה ובעיות הפוכה

אלגוריתמי למידת מכונות מאומנים על נתונים גדולים של הדמיה תרמית ותוצאות של המטופל כדי לחזות את משטר ה Cryotherapy האידיאלי.מודלים המונעים על ידי נתונים אלה משלימים מודלים המבוססים על פיזיקה על ידי לכידת יכולת המטופל שקשה לפרמטר. מודל הפוך - שבו מדידת טמפרטורה מ יישום יחיד משמשים כדי להפר תכונות רקמות - יכול אז לחדד את המודל לטיפולים הבאים.

שילוב מתקדם

מדחום בזמן אמת באמצעות מצלמות אינפרא אדום או קוצר MRI מאפשר ריצוף מודל במהלך הטיפול.שלב נתונים אלה עם אולטרסאונד elastography (למפה קשיחות) מציע תמונה מקיפה של התגובה Cryotherapy.הלאה הרצינית של מדדים - מאשר הבטחות ממש סגורות-פראטותרפיה.

מודלים בקנה מידה גדול של תאים ל- Limbs

מודלים עתידיים יחלפו בקנה מידה: מודלים סלולריים של שינויים הנגרמים קר בערוצים ion ופעילות מטבולית, מודלים ברמת רקמות של היתוך ו- מהירויות, ומודלים ברמה של מכניקה פונקציונלית. גישה רב-מידה מאוחדת יכולה לחזות, למשל, כיצד מפגש של 20 דקות על המחצבה משנה את יכולת החמצן המפונקאלית ברמה גבוהה ברמה המשתנים ברמה הדרגית, אשר לאחר מכן משפיע על ייצור השרירים.

לסקירה של מודלים בקנה מידה רב-מידה בביומכניקה, ראה את ה-FLT:0Zöllner et al., J Biomechאנג. 2021FLT:1.

מסקנה

מודלים של אפקטים תרמיים ומכניים של Cryotherapy על רקמות musculoskeletal התבגרו מפעילות אקדמית גרידא כלי מעשי המודיע על קבלת החלטות קליניות. על ידי קביעת הממשק של העברת חום, זרימת דם, מוליכים עצבית, מכניקת רקמות, מודלים אלה עוזרים לרופאים לבחור פרמטרים ספציפיים קירור יעיל.השדה הוא לנוע לכיוון מותאמים אישית, חיישן, וגישות מרובות בקנה מידה כי יהיה לשפר את ההשפעות של טיפול פסיכולוגי, כדי לשפר את ההשפעות המדידה, כמו טיפול פסיכולוגי, כדי לשפר את ההשפעות סטנדרטי, כדי לשפר את ההשפעות סטנדרטיות, כמו גם את ההשפעות המדידות, טיפול פסיכולוגיות, כמו טיפול פסיכולוגיות, כדי לשפר את ההשפעות המדידות, כדי לשפר את ההשפעות המדכאות, כדי לשפר את ההשפעות המדידות, כדי לשפר את ההשפעות המדידות, טיפול כימי יעיל.