Local cryotherapy investigation on the biotissue phantom

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: Local cryotherapy (LC) is a physiotherapeutic method for the treatment of various diseases, including musculoskeletal disorders. The physician relies on his experience and the data from the LC equipment manufacturer for the given method and exposure modes. This is not sufficient to determine the correct dosing and to understand the effect of the various treatment parameters on the biotissue to have precise control over the effects of the treatment on the biotissues. Hence, it is imperative to conduct a study of different LC methods and modes to perform effective and safe treatments. The surface temperature of the biotissue is a convenient measurable quantity to ensure efficiency and safety. Previous studies show that the target temperature is 10 ± 2 °C, with a lower limit of 0 °C. If the temperature drops below 0 °C, then tissue damage is possible.

AIM: Experimental comparison and identification of the most suitable modes in two methods of contactless local cryotherapy.

MATERIALS AND METHODS: An experimental installation was developed and created. A series of experiments were carried out on a model medium with thermophysical properties close to those of the biotissues. The comparison of liquid nitrogen and air cooling was performed. The temperature was measured with resistance thermometers (Pt100) on a surface and inside of a model medium.

RESULTS: When cooled by liquid nitrogen vapors from a distance of 10 and 15 cm from the surface, the accepted average target temperature of 10 °C was reached in 1.8 and 4.4 min, and at a depth of 8 mm, the temperature was 26.4 and 23.7 °C, respectively. When cooled with air from a distance of 10 cm from the surface with maximum and minimum flow, the target temperature was reached in 2.5 and 13.3 min, at a depth of 8 mm, the temperature was 22.9 and 16.0 °C, respectively. Although air cooling from a distance of 15 cm was not possible to lower the temperature down to the target value, the less intense flow made it possible to lower the internal temperature in the model medium more strongly while having a weaker effect on the surface. This effect can potentially be positive in the treatment of musculoskeletal disorders, mainly joints.

CONCLUSIONS: Among those tested, the most suitable modes of the considered methods that meet the requirements of efficiency, safety, and convenience of practical implementation were identified. For cooling using liquid nitrogen vapors, this is a mode spraying at a distance of 15 cm with a stable technique with a possible exposure time of 4.4 to 15 minutes. For air cooling, this is a mode with a stable technique with a constant flow with the nozzle fixed relative to the surface of the model medium at a distance of 10 cm with a minimum flow rate (350 l/min) with a possible exposure time of 13.3 to 21.5 min.

About the authors

Natalia Y. Saakyan

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: natali.saakyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6799-5450
SPIN-code: 4390-3138

Student

Russian Federation, Moscow

Aleksandr V. Pushkarev

Bauman Moscow State Technical University

Email: pushkarev@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1737-7838
SPIN-code: 5796-8324

Leading Engineer, Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

References

  1. Bogolubov VM, Ponomarenko GY. General Physiotherapy. 3th ed. Moscow: Medicine; 1999. (In Russ).
  2. Portnov VV. Local air cryotherapy in clinical practice. Kremlin Medicine Journal. 2017;4(2):157–164. (In Russ).
  3. Harris ED Jr, McCroskery PA. The influence of temperature and fibril stability on degradation of cartilage collagen by rheumatoid synovial collagenase. The New England journal of medicine. 1974;290(1):1–6. doi: 10.1056/NEJM197401032900101
  4. Healthcare in Russia. 2021: stat. sat. Moscow: Rosstat; 2021. (In Russ).
  5. Cieza A, Causey K, Kamenov K, et al. Global estimates of the need for rehabilitation based on the Global Burden of Disease study 2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. The Lancet. 2021;396(10267):2006–2017. doi: 10.1016/S0140-6736(20)32340-0
  6. Dashina TA, Agasarov LG. Effectiveness of various methods of cryotherapy in patients with osteoarthritis. Voprosy kurortologii, fizioterapii, i lechebnoi fizicheskoi kultury. 2020;97(2):20–28. doi: 10.17116/kurort202097021207 (In Russ).
  7. Park J. The Effect of Cryotherapy of Total Knee Arthroplasty Patients on Muscle Strength and Balance. International Journal of Human Movement and Sports Sciences. 2021;9(4):746–750. doi: 10.13189/saj.2021.090419
  8. Douzi W, Guillot X, Bon D, et al. 1H-NMR-Based Analysis for Exploring Knee Synovial Fluid Metabolite Changes after Local Cryotherapy in Knee Arthritis Patients. Metabolites. 2020;10(11):460. doi: 10.3390/metabo10110460
  9. Guillot X, Tordi N, Laheurte C, et al. Local ice cryotherapy decreases synovial interleukin 6, interleukin 1β, vascular endothelial growth factor, prostaglandin-E2, and nuclear factor kappa B p65 in human knee arthritis: a controlled study. Arthritis research & therapy. 2019;21(1):180. doi: 10.1186/s13075-019-1965-0
  10. Oosterveld FG, Rasker JJ. Effects of local heat and cold treatment on surface and articular temperature of arthritic knees. Arthritis and rheumatism. 1994;37(11):1578–1582. doi: 10.1002/art.1780371104
  11. Kim YH, Baek SS, Choi KS, et al. The effect of cold air application on intra-articular and skin temperatures in the knee. Yonsei Medical Journal. 2002;43(5):621–6. doi: 10.3349/ymj.2002.43.5.621
  12. Radecka A, Pluta W, Lubkowska A. Assessment of the Dynamics of Temperature Changes in the Knee Joint Area in Response to Selected Cooling Agents in Thermographic Tests. International journal of environmental research and public health. 2021;18(10):5326. doi: 10.3390/ijerph18105326
  13. Alexeev KE, Zhemchuzhnova NL, Kuzmenko NV, Zhinko MN. Experience of the combined application of physiotherapeutic methods in rehabilitation coursein patients with goaty arthritis Early diagnosis and modern treatment methods at the stage of primary health care. In: Proceedings of the XII conference of the doctors of primary health care in Southern Russia; 2017 Nov 11; Rostov-on-Don. Rostov-on-Don: RGMU. 2017. P. 8–9. (In Russ).
  14. Smolenskiy AV, Kapustina NV, Hafizov NN. The informative value of diagnostic tests in urogenital tuberculosis screening. Russian Medical Journal. 2018;26(4-I):15–19.
  15. Bugaj R. The Cooling, Analgesic, and Rewarming Effects of Ice Massage on Localized Skin. Physical Therapy. 1975;55(1):11–19. doi: 10.1093/ptj/55.1.11
  16. Laktašić Žerjavić N, Hrkić E, Žagar I, et al. Local Cryotherapy, Comparison of Cold Air and Ice Massage on Pain and Handgrip Strength in Patients with Rheumatoid Arthritis. Psychiatria Danubina. 2021;33(4):757–761.
  17. Mourot L, Cluzeau C, Regnard J. Hyperbaric gaseous cryotherapy: effects on skin temperature and systemic vasoconstriction. Archives of physical medicine and rehabilitation. 2007;88(10):1339–1343. doi: 10.1016/j.apmr.2007.06.771
  18. Weeks V, Travell J. How to Give Painless Injections. In: AMA Scientific Exhibits Volume. New York: Grune and Stratton Inc; 1957. P. 318–322.
  19. Saakyan NY, Pushkarev AV. Target temperature range of local cryotherapy. In: Low temperatures in science and industry. BMSTU 2022: International Theoretical and Practical Conference. Okt 12–14 2022, Moscow. Moscow: MGTU im NE Baumana; 2022.P:21. (In Russ).
  20. Agafonkina IV, Belozerov AG, Berezovsky YM, et al. Thermal Properties of Biological Tissue Gel-Phantoms in a Wide Low-Temperature Range. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021;94(3):790–803. doi: 10.1007/s10891-021-02356-z
  21. Agafonkina IV, Belozerov AG, Vasilyev AO, et al. Thermal Properties of Human Soft Tissue and Its Equivalents in a Wide Low-Temperature Range. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021;94(1):233–246. doi: 10.1007/s10891-021-02292-y

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The scheme of the experimental installation. The first module: System for creating and maintaining the model medium initial temperature: 1 – liquid thermostat (Termex, M01MB); 2 – pump (KNF, PML13229-NF 60); 3 – external glass container through which water circulates. Model medium: 4 – model medium in a glass container 90x90x100 mm. Fastening system: 5 – fastening system of temperature sensors. The measuring system: 6 – Pt100 resistance thermometers; 7 – secondary converter – analog input module (OWEN, MV110); 8 – PC. The second module: 9 – tripod with feet; 11 – system for issuing nitrogen (LLC "Cryogenic devices”, LNS-150W48V-PT-PS-LSCOM); 12 – heat-insulated hose; 13 – Dewar vessel (LLC NPO Cryomash, SPD 25/60); 14 – experimental apparatus for air local cryotherapy (JSC Central Research Institute Kurs, LAKT 1000).

Download (148KB)
3. Fig. 2. Variation in the temperature of the biotissue phantom during nitrogen local cryotherapy.

Download (128KB)
4. Fig. 3. Variation in the temperature of the biotissue phantom during air local cryotherapy.

Download (130KB)

Copyright (c) 2022 Saakyan N.Y., Pushkarev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».