Szabadalmi Leí ra s 1 Cím Szabályozott hőmérsékletet fenntartó egészségügyi eszköz 2 Leírás 2.1 Alkalmazási területek A fogorvosok, reumatológusok és traumatológusok által az egyik leggyakrabban ajánlott otthoni terápia a beteg testrész hűtése vagy melegítése. Attól függően, hogy a fájdalom csillapítására (gyulladásos duzzanat csökkentésére) vagy egy tályog beolvasztására kívánják alkalmazni, erősebb vagy mérsékeltebb hűtést vagy fűtést ajánlanak. Az általunk leírt konstrukció alkalmas a nem túl széles (15-45C o -os) hőmérséklet-tartományon belül a beállított hőmérséklet hosszú időtartamú, kis ingadozású fenntartására. A készülék rögzítése végtagokon, törzsön és fejen egyaránt lehetséges. 2.2 A technika állása Peltier elven működő hűtő berendezéseket autós hűtőtáskákban, ill. elektronikai alkatrészek (processzorok, lézerforrások) esetében alkalmaznak. Előnye, hogy nem tartalmaz mozgó alkatrészt (szemben a folyadék-pumpás megoldásokkal), így nehezebben hibásodik meg. A speciális hűtőfolyadék hiányában környezetkímélő megoldást jelent. Hátránya, hogy viszonylag kis hatásfokú (az egymástól nem kellően eltávolítható hideg és meleg felületek miatt), és nagy az áramfelvétele: egy TEC egység 1-5A áramerősséget igényel. Ilyen módon működő hűtő-fűtő elemeket felhasználtak speciális ruházatoknál (pl. sí-dzseki) is. Az általunk leírt készülékhez leginkább hasonló alkalmazás (Wristify) a csuklóra erősített TEC elem, amely a processzorok esetében ismert hűtőbordázattal rendelkezik, és külső tápról kapja az áramot. A feltalálói (www.embrlabs.com) szerint a túlmelegedést (sport vagy időjárás következtében) a csukló verőerei fölött hatékonyan képes kompenzálni. Az általunk leírt funkciókra azért nem alkalmas, mert nem tartalmaz hőmérő egységet, így csak ki-bekapcsolással szabályozható, nem automatikus. A nagy hőingadozás, a fixen hűtő funkció és a bőrrel közvetlenül érintkező TEC fém-elemek irritáló hatása miatt tartós egészségügyi alkalmazásra nem megfelelő. 2.3 Megoldandó feladat Szemben a hagyományos hideg- vagy meleg-vizes borogatások rövid ideig tartó hatásával, tetszőleges időtartamú, megfelelő hőmérséklet kialakítása volt a célunk. A mélyhűtőből kivett jég-akku vagy a tűzhelyen felforrósított só-zsák fagyásos vagy égéses sérüléseket okozhat, ezzel szemben a fokozatosan, kontrolláltan beállított hőmérséklet esetén ezektől nem kell tartani. Az orvosok javaslata nem szokott olyan fontos részleteket tartalmazni, mint a pontos hőfok, a kezelés időtartama, a megszakítás (pihenés)
lehetősége és a borogatás mérete/kiterjedése. Ezen segít a megfelelő orvos-biológiai kutatások során meghatározott optimális feltételek szoftveres kiszámítása, amely figyelembe veszi a beteg és a betegség jellemzőit. A hőmérséklet kontrollált fenntartását (alacsony szintű vezérlés) tehát kiegészítjük a beteg számára legmegfelelőbb paramétereket algoritmus vagy egészségügyi szakértő segítségével meghatározó szoftverrel (magas szintű vezérlés). A készülék árának mérséklése és vezérlő szoftver frissíthetősége miatt a felhasználói interfészt nem a készülékben helyeznénk el, hanem a hozzá BlueTooth eszközzel kapcsolódó számítógépen (jellemzően okos-telefonon) futna, amely így a megjelenítést, a szabályozó gombokat, a naplózást és egyéb online funkciókat is átvenné a készüléktől. 2.4 Általános megoldás A készülék csatokkal vagy tépőzárral helyezhető fel a testre. Ennek egy nyílásán keresztül a benne lévő folyadéktasak közvetlen kontaktusba kerül a bőrrel. A tasak külső oldalán termoelektromos hűtő (TEC) elem tartja fenn a folyadéktasak megfelelő hőmérsékletét. A szabályozást egy mikrokontroller végzi a TEC áramellátásának változtatásával, a folyadéktasakhoz simuló hőmérő (termo-ellenállás) segítségével. A mikrokontroller beállítását számítógépen (jellemzően mobil eszközön) futó alkalmazás végzi, BlueTooth kapcsolaton keresztül. 2.5 Előnyös megoldások Az áramellátást hálózati táp biztosítja, amely a TEC és a vezérlő elektronika viszonylag nagy áramigényét képes kiszolgálni. A jövőben, megfelelően erős és tartós akkumulátorral helyettesítve, a készülék alkalmas lehet közlekedés, mozgás, sport közbeni viseletre is. Több TEC egységgel fokozható a leadott teljesítmény, és biztosítható a folyadéktasakon belüli egyenletesebb hő-eloszlás. A készülék áram-igénye viszont a TEC elemek számával arányosan nő. Hőmérőket elhelyezve a bőr nem hűtött részén és a külvilág irányába jobban optimalizálható a készülék működése, valamint relatív (pl. a bőrfelszínnél 3C o -al hűvösebb) hőmérséklet is beállítható (a test különböző pontjain eléggé eltérhet a hőmérséklet, és persze függ az illető aktivitásától is). A készüléken elhelyezett LED-ek jelezhetik a hideg és meleg felszíneket (pl. hűtő funkció esetén a TEC kifelé mutató felszíne melegszik, ezt piros LED-ek demonstrálnák), valamint, hogy a készüléknek sikerülte elérnie a beállított hőfokot. 2.6 Rajzok felsorolása Rajz 5/1 A készülék sematikus rajza és alkatrészeinek kapcsolatai A Tépőzár vagy csat B Tartó-rögzítő heveder C Hőszigetelő (frottír vagy szivacs) tok D Folyadéktasak E TEC (termo-elektromos hűtő) elem F Vezérlő elektronika alaplapja
G Mikrokontroller H Táp csatlakozó I BlueTooth egység J Termo-ellenállás bemenete K TEC elem áramellátó kimenet L Termo-ellenállás 1 (folyadéktasakhoz) M Táp (transzformátor vagy akkumulátor) N Számítógép vagy okos-telefon (BlueTooth kapcsolattal) Rajz 5/2 A készülék külső felszíne A Hőszigetelő tok B Szellőző rács C TEC elem D Hő-visszaverő fólia E Táp bevezető nyílás F Termo-ellenállás 2 (külső hőmérséklethez) Rajz 5/3 A készülék belső (test felőli) felszíne A B C Hőszigetelő tok Ablak (a folyadéktasak felszínének egy részét szabaddá tevő nyílás) Termo-ellenállás 3 (bőr hőmérsékletéhez) Rajz 5/4 A folyadéktasak belső felépítése A B Folyadéktasak Egymással keresztben összefont fém vagy műanyag rugók Rajz 5/5 A folyadéktasak külső felszíne A Folyadéktasak B Hővezető, fém-alapú ragasztószalag C TEC elem D Termo ellenállás 1 (folyadéktasakhoz)
2.7 Terjedelmet alátámasztó példák 2.7.1 Felépítés (üzemen kívüli állapot) 2.7.1.1. Elemek funkcionális feladatai Hőszigetelő tasak: feladata a készülék egyben tartása, a bőrhöz fekvő, de a folyadéktasak ablakán kívüli részek megkímélése bármilyen hőhatástól. Rögzítő: öv, kapocs vagy tépőzár, melynek feladata a beteg testrészhez történő rögzítés, megfelelően szoros kontaktus biztosítása. Folyadéktasak: funkciója a TEC elemekből érkező hideg vagy meleg hőhatás átvétele, vertikális és horizontális irányú szétterítése, a ki-bekapcsolások során fellépő hőingadozás kiegyenlítése. Vezérlő elektronika: ez tartalmazza a mikrokontrollert, amely a bemenő hőmérő (termoellenállás) impedanciájából kiszámítja a működési hőmérsékletet, azt összeveti a kívánatos hőmérséklettel és a tűréshatárral, majd ennek függvényében szabályozza a TEC elemekre kimenő áram irányát és erősségét. Ide tartoznak a különböző csatlakozók is (TEC, termo-ellenállás, tápfeszültség, mini-usb vagy BlueTooth, indikátor LED-ek, főkapcsoló). TEC-elem(ek): a hűtést vagy fűtést végzik, a rajtuk átmenő egyenáram irányától függően. Hőmérő(k): termo-ellenállások, melyek impedanciája a hőmérséklettől függően (nem-lineáris módon) változik. Kötelezően a folyadéktasakon helyezkedik el (hővezető tapasszal rögzítve), opcionálisan lehet még a (folyadéktasakkal nem érintkező) bőrfelületen és a hőszigetelő tasak (elektronikától és TEC elemektől távoli) külső felületén is. 2.7.1.2 Elemek kapcsolatai A hőszigetelő tasakban helyezkedik el a folyadéktasak és a vezérlő elektronika. A rögzítő a hőszigetelő tasakhoz kapcsolódik: felhelyezéskor zárható. A transzformátorból érkező tápkábel a vezérlő elektronikához fut. A számítógépet vezetékes kapcsolat esetén USB kábel köti össze a vezérlő elektronikával. A beállítást lehetővé tevő és a működési paramétereket naplózó szoftver a megfelelő (mikrokontroller-specifikus) driver segítségével, soros-port emulációval kapcsolódik az USBporthoz vagy ugyanezt BlueTooth egységen keresztül valósítja meg. A hőmérő(k) és a TEC elem(ek) szigetelt vezetékeken keresztül kapcsolódnak a vezérlő elektronikához. A TEC elem(ek) és a folyadéktasak hővezető ragszalaggal vannak egymáshoz rögzítve a megfelelő kontaktus miatt. 2.7.1.3 Alapanyagok A hőszigetelő tasak bőrbarát anyagból (tömör szivacs vagy frottír) készül. A bőrrel kontaktusban lévő folyadéktasak (vagy ahhoz hasonló fizikai jellemzőkkel bíró réteg) szintén bőrbarát anyagból van. A folyadéktasakban normál csapvíz van (esetleges sérülés és szivárgás esetén nem okoz komplikációt). A tasak merevítését fém vagy műanyag rugók képezik, amelyek vége lekerekített, hogy ne okozhassák a folyadéktasak kilyukadását.
A TEC elemek részben a külvilág felé szabadon adják le a hőt, részben pedig a folyadéktasak felé (utóbbi irányban hővezető ragasztóval vagy ragasztószalaggal rögzítve). A vezérlő elektronika a kábelek befogadására alkalmas, de jól záródó műanyag tokban helyezkedik el a készülék külső (bőrtől távoli) oldalán, amely lehetővé teszi a mikrokontroller saját hőjének leadását. A hőszigetelő tasakon lévő, a TEC külvilág felé mutató részét szabadon engedő nyílást hővisszaverő fóliával érdemes körülvenni a visszasugárzás csökkentése céljából. Az elektronikus vezérlőegység részei: alaplap, mikrokontroller (Flash memóriával), (beépített vagy különálló) BlueTooth egység, csatlakozók, és szigetelt vezetékkel kapcsolódó TEC elemek, termo-ellenállások. 2.7.1.4 Környezeti feltételek A készülék használatához (vezetékes áramellátás esetén) hálózati táp közelében kell elhelyezkedni. Akkumulátoros áramellátás esetén az áramforrást külön táskában (pl. övtáska) lehet elhelyezni, ahonnét rugalmas vezetéken keresztül éri el a készüléket. A készülék hőszigetelő tokja, folyadéktasakja és vezérlő elektronikája viszonylag könnyen szeparálható egymástól, így előbbi kettő mosható, tisztítható. A készülék rögzítésének stabilitása megengedi a felhasználó szabad mozgását annak eltávolítása nélkül, az áramforrástól függő zónán belül. A beállításokat és felhasználói szintű kontrollt biztosító (PC-s, Mac-e vagy jellemzően okos-telefonos) alkalmazást a használat előtt telepíteni kell a számítógépre, valamint regisztrálni kell a szoftver által a mikrokontrollerből beolvasott gyári számhoz kapcsolódóan. 2.7.2 Működési állapot A készüléket a beteg testrészre kell rögzíteni a rajta lévő csat vagy tépőzár segítségével úgy, hogy a folyadéktasak a bőrfelszínnel megfelelően szoros kontaktusba kerüljön. A készüléket 220V-os tápfeszültséggel kell ellátni, amely a transzformátort követően 12V-os egyenárammal látja el az elektronikus vezérlőegységet (ez utóbbi megfelelő akkumulátorral is helyettesíthető). A kívánatos működési paraméterek (hőmérséklet és tűréshatárok) beállításához BlueTooth egységen keresztül csatlakoztatott számítógép (jellemzően Android vagy ios rendszerű okos-telefon) szükséges, amelyen az erre a célra fejlesztett szoftver fut. 2.8 Előnyös hatások A szokványos hideg-, meleg- vagy állott-vizes borogatásokhoz képest ez a megoldás hosszú (tetszőleges) időn keresztül képes fenntartani a kívánt (orvos által előírt) hőmérsékletet. A jég-akkuval, ágymelegítővel és egyéb szokásos műszaki megoldásokkal szemben nincs kockázata a kezdetben túl hideg vagy túl meleg eszköznek. A hőmérséklet megállapítható abszolút értékben (a készülék üzemi hőmérsékleteként) vagy relatív értékben (a bőr és/vagy a külvilág hőmérsékletéhez képest ). Az optimális beállítások a páciens (kor, nem, bőrtípus, stb.), az elváltozás (betegség, méret, elhelyezkedés, stb.) és a készülék típusa (tasakméret, kontakt felület, teljesítmény, rögzítési mód, stb.) függvényében lokális szakértői szoftver vagy Internet-en keresztül tevékenykedő humán szakértő segítségével állapíthatók meg.
3 Igénypontok 3.1 Főigénypontok 1. Egy olyan Peltier elven működő, hűtő-fűtő funkciót ellátó egészségügyi eszköz, amelyre jellemző, hogy a hőmérséklet mérésével és megfelelő elektronikával azt képes a beállított hőmérséklet-tartományban tartani. 2. A hűtést/fűtést végző termo-elektromos (TEC) elemek és bőr között hőátadás történik, amelyre jellemző, hogy azt a kettő között folyadéktasak, vagy fizikai tulajdonságaiban ahhoz hasonló anyag helyezkedik el, amely a hő-vezetést és a hő-elosztást segíti. 3. A vezérlő elektronika a szabályozáshoz termo-ellenállás jelét használja fel, azzal jellemezve, hogy ilyen hőmérőt nem csak a folyadéktasakon, de a nem érintett bőrterületen és a készülék külvilág felé eső részén is tartalmaz, lehetővé téve, hogy relatív (pl. a bőr mindenkori hőmérsékletéhez képest adott mértékben eltérő) hőmérsékletet is meg lehessen határozni. 4. A hőmérséklet szabályozását egy mikrokontroller végzi, amelyre jellemző, hogy a működési paramétereket egy számítógépen (PC, Mac vagy okos-telefon) futó alkalmazástól kapja, az onnét érkező üzemelési paramétereket (hőmérséklet, leadott áram, sorozatszám, stb.) pedig fogadja. 3.2 Aligénypontok 1. A szabályozást alacsony szinten egy mikrokontroller végzi, amely a megadott hőmérsékleten, a megadott tűréshatáron belül szabályozza a TEC elemekre adott áram erősségét és időtartamát. 2. A TEC elemek száma legalább 1, de az erősebb hatás és az egyenletesebb hő-eloszlás miatt ez több is lehet. 3. A TEC elemek külvilág felőli oldalán a hőszigetelő tasak nyílását hő-visszaverő fóliával lehet ellátni, hogy a sugárzó hő lehetőleg ne melegítse a készüléket. 4. A készüléken színes LED-ek mutatják az egyes területek hideg vagy meleg voltát, esetleg a beállított optimális hőmérséklettől való eltérést. 5. A szoftver (ill. mobil applikáció) a páciens, az elváltozás és a készülék jellemzőinek ismeretében képes meghatározni az optimális beállításokat. 6. Internet kapcsolaton keresztül (központi adatbázisba történő regisztrációt követően) lehetőség van egészségügyi szakértő bevonására, aki segít a beállításokat elvégezni. Ugyanez lehetőséget teremt az online terméktámogatás, szerviz, marketing és közösségi funkciók kiépítésére is.