Передача, потеря и приток тепла у новорожденных

Гуннар Седин

ВСТУПЛЕНИЕ

Процессы обмена веществ производят тепло, которое распределяется по организму преимущественно путем циркуляции крови, а также, отчасти, посредством проводимости через ткани (см. 1). Для сохранения неизменной температуры тела должно поддерживаться равновесие между выработкой тепла и обменом тепла с окружающей средой. Для удаления из организма выработанного плодом тепла, ему необходимо пройти через материнское тело, и пуповинное кровообращение представляется основным средством для теплообмена [2].

Сразу после рождения человеческий младенец подвергается воздействию более низкой температуры, чем в утробе матери, и в это же самое время происходит газообразное испарение с кожи, результатом которого является потеря тепла и уменьшение температуры тела. Это отчасти является физиологической реакцией, поскольку температура тела при рождении выше, чем в дальнейшей жизни. Воздействие холода может вызывать усиление термогенных реакций, которые увеличивают общую выработку тепла [3, 4, 5, 6, 7], а кожная циркуляция может уменьшиться в целях сокращения потери тепла [8].

Чрезмерная потеря тепла у младенца сразу после рождения обычно предотвращается укрыванием и обтиранием досуха его кожи. Тяжелобольные доношенные и недоношенные дети выхаживаются в среде, в которой поддерживается нормальная температура тела – либо в инкубаторе при температуре окружающей среды в пределах термонейтральной зоны, либо под лучистым обогревателем.

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА И СРЕДСТВА ТЕПЛООБМЕНА

Теплообмен между младенцем и внешней средой происходит через кожу и, в некоторой степени, через дыхательные пути посредством проводимости (Н проводимость), испарения (Н испарение), излучения (Н излучение) и конвекции (Н конвекция). Степень передачи тепла зависит от площади поверхности всего тела младенца и от доли площади поверхности тела, находящейся в непосредственном контакте с матрацем и/или одеждой (Н проводимость), теряющей влагу посредством испарения (Н испарение), обращенной к окружающим поверхностям (Н излучение) или подвергнутой влиянию окружающей атмосферы (Н конвекция). Следовательно, для определения теплообмена необходимо знать величину потери тепла кожей на единицу площади поверхности, общую площадь поверхности тела и долю площади поверхности, участвующую в различных режимах теплообмена [9, 10, 11, 12, 13].

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТЕЛА МЛАДЕНЦА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ

Теплообмен посредством проводимости, испарения, излучения и конвекции можно рассчитать с помощью следующих уравнений [12, 13] и при известных величинах трансэпидермической потери воды (ТЭПВ), температуры материала, на который помещен младенец (Т постель), температуры кожи младенца (Т кожа), температуры окружающего воздуха (Т воздух), температуры обращенных к младенцу стенок (Т стенки) и характеристик материалов, окружающих младенца:

Теплообмен посредством проводимости:

Н проводимость = k0 • (Т кожа – Т постель) (Вт/м2)

где k0 – коэффициент теплопередачи посредством проводимости.

Н проводимость зависит от тепловых характеристик кожи, но еще более от тепловых характеристик матраца. Т кожи (К) – температура кожи, Т постель (К) – температура постели (матраца). При тепловых характеристиках самых обычных матрацев, потеря тепла посредством проводимости в инкубаторах и под действием лучистых обогревателей незначительна.

Теплообмен посредством испарения:

Н испарение = k1 • ТЭПВ (3.6 x 103)-1 (Вт/м2)

где k1 – скрытая теплота испарения (2.4•103 Дж/г), ТЭПВ – трансэпидермическая потеря воды (г/м2 час), а 3.6 x 103 – поправочный коэффициент времени (с). ТЭПВ является средним значением испарения воды с поверхности кожи, измеренным с помощью градиентного метода [14, 15, 16].

Теплообмен посредством излучения:

Н излучение = S0 • e1 • e2 • (Т41 – Т42) (Вт/м2)

где S0 – постоянная Стефана-Больцмана (5.7 • 10-8 Вт/м2К4), e1 – излучательная способность кожи, e2 – излучательная способность окружающих стенок (0.97), Т1 – средняя температура кожи (К), а Т2 – средняя температура окружающих стенок (К).

Теплообмен посредством конвекции:

Н конвекция = k2 (Т1 – Т3) (Вт/м2)

где k2 – коэффициент конвекции (2.7 Вт/м2К), Т1 – среднее значение температуры кожи (К), а Т3 – средняя температура окружающего воздуха (К). Этот расчет не учитывает быстрые конвекции, которые у взрослых людей происходят при скорости движения воздуха свыше 0.27 м/с [17].

Степень теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой зависит от типа теплообмена, положения и геометрии тела, а также от его величины и частоты телодвижений. Следовательно, сопоставления теплообмена в различных окружающих условиях у младенцев разных гестационных и постнатальных возрастов часто представляются как теплообмен на единицу площади поверхности тела, подверженного влиянию окружающего воздуха и обращенного к стенкам инкубатора.

ТЕПЛООБМЕН ЧЕРЕЗ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРАКТ

Выдыхаемый воздух обычно более влажный, т.е. обладает более высоким давлением водяного пара, чем вдыхаемый воздух. Это приводит к потере жидкости и тепла при испарении через дыхательный тракт. Незначительный конвективный теплообмен также присутствует в дыхательном тракте, и часто эти процессы рассматриваются вместе (см. 1). У новорожденных также может происходить теплоприток через дыхательный тракт.

Переменное перемещение воздуха во время дыхательного цикла усложняют испарительный и конвективный теплообмен в дыхательном такте. Когда окружающий воздух, температура которого ниже температуры тела, проходит при вдохе вдоль слизистой оболочки, он нагревается посредством конвекции и насыщается водяным паром при испарении со слизистой оболочки. Достигнув альвеол, этот воздух находится в тепловом равновесии по отношению к центральной температуре тела и насыщается водой. При выдохе, перед выходом наружу воздух может стать несколько прохладнее, чем температура тела.

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА ЧЕРЕЗ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ ТРАКТ МЛАДЕНЦА

Теплообмен посредством конвекции в дыхательном тракте (Н конвекция – д.) вычисляется исходя из объема воздуха, вентилируемого в единицу времени (V = объем вентиляции), и разницы температур выдыхаемого и вдыхаемого воздуха (Т выдох – Т вдох) согласно следующему уравнению:

Н конвекция – д. = V • ??• с (Т выдох – Т вдох)?• m-1 (Вт/кг)

где V – объем вентиляции в единицу времени, ????плотность воздуха (1 г = 0,880 л), c – удельная теплоемкость (1 Дж • г-1 • °С-1), m – вес тела (кг), а Т выдох и Т вдох – соответственно температуры выдыхаемого и вдыхаемого воздуха.

Как результат поочередного нагрева воздуха при вдохе и его охлаждения при выдохе, конвективный теплообмен в дыхательном тракте зависит главным образом от температуры вдыхаемого воздуха. У человеческих младенцев, выхаживаемых в инкубаторах, разница между температурами вдыхаемого и выдыхаемого воздуха очень мала, и, следовательно, конвективные потери также незначительны.

Испарительный теплообмен через дыхательные пути (Н испарение – д.) зависит от разницы содержания воды в выдыхаемом и вдыхаемом воздухе. Это является потерей воды при дыхании – ПВД [18, 19, 20]. Поскольку для образования водяного пара в дыхательном тракте требуется тепловая энергия, то величина теплообмена при испарении в единицу времени будет равна:

Н испарение – д. = k1 • ПВД (3,6 • 103)-1 (Вт/кг)

где k1 – скрытое тепло при испарении воды (2,4•103 Дж/г), ПВД – потеря воды при дыхании (мг/кг мин), а (3.6•103 Дж/г)-1 – поправочный коэффициент времени.

ПРИТОК ТЕПЛОТЫ

Более 100 лет назад стало очевидным, что хорошие тепловые условия повышали шансы на выживание новорожденных, и это привело к созданию первых инкубаторов [21]. Будин [22] обнаружил, что выживаемость возрастала среди младенцев, температура которых была не ниже 32оС. Более поздние исследования Сильвермана и соавторов [23, 24], Хей и Катца [5], Дама и Джеймса [25] расширили наши познания о влиянии температуры окружающей среды на выживаемость, потребление кислорода и дыхание новорожденных.

Эгейт и Сильверман [26] ввели использование инфракрасного излучения для контроля температуры тела у новорожденных с маленьким весом. С тех пор лучистые обогреватели широко используются при интенсивном неонатальном уходе. Содействия различных форм теплообмена под излучением обогревателей заметно изменяются в зависимости от используемых покрывал и одеял [см. 27, 28].

ИНКУБАТОРЫ

В конвективно-обогреваемом инкубаторе, теплый и обычно увлажненный воздух подается в колпак, под которым находится младенец. Подогретый воздух обычно направляется с таким расчетом, чтобы и воздух, и стенки инкубатора оставались теплыми. В то же время желательно поддерживать скорость воздушного потока рядом с младенцем на уровне менее 0.2 м/с, создавая вокруг него нормальную конвективную среду. При скорости ниже 0.1 м/с конвективный теплообмен зависит от градиента температуры между кожей и воздухом; в этом случае градиент давления пара рядом с поверхностью кожи остается неизменным, предотвращая потерю воды при испарении вследствие скорости воздушного потока [29, 30].

Скорости потока воздуха современных инкубаторов над постелью варьируются от 0.04 до 0.94 м/с [31]. Большинство из них оснащено системой увлажнения. В некоторых моделях относительная влажность окружающей среды может быть увеличена до 96%, в то время как в других значения относительной влажности колеблются в пределах 60-70% [31]. Высокая влажность заметно уменьшает потерю тепла при испарении [12, 13, 32, 33].

В инкубаторах с одиночными стенками только 40% или менее температуры воздушного пространства может отличаться от установленной не более чем на 0.5оС, в то время как инкубаторы с двойными стенками имеют более равномерное распределение температуры. Температура стенок инкубатора заметно варьируется в зависимости от типа инкубатора [31]. В инкубаторах с одиночными стенками внутренние поверхности колпака обычно более прохладные, чем в инкубаторах с двойными стенками [31]. Следовательно, существуют очевидные различия в содействии разных форм теплообмена в зависимости от инкубатора, в который помещен ребенок.

ЛУЧИСТЫЕ ОБОГРЕВАТЕЛИ

При использовании лучистых обогревателей младенец обогревается только с помощью подвесной панели, вырабатывающей лучистое тепло. Это тепло передается в более глубокие ткани посредством проводимости и циркуляции крови. Тепло, полученное от обогревателя, иногда рассматривается как плотность излучения (мВт/см2) [34]. Если младенец находится под лучистым обогревателем, очень трудно оценить различные формы теплообмена.

Из-за того, что может иметь место свободное движение воздуха над поверхностью тела младенца, то, как неощутимая потеря воды и тепла, так и конвективная потеря тепла могут возрасти в результате большой скорости воздушного потока. К тому же давление окружающего воздуха в инкубаторах обычно бывает небольшим, что увеличивает потерю тепла при испарении. Теплообмен посредством излучения в целом усиливается, однако может уменьшаться из-за температуры стенок, окружающих младенца. Формы теплообмена между ребенком и окружающей средой при использовании лучистого обогревателя будут представлены в отдельной главе.