МЕДИЦИНСКИЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01K5/22 

Изобретение относится к области термометрии, конкретно к медицинским термометрам для измерения температуры в зоне действия радиочастотного электромагнитного поля, и предназначено, преимущественно, для контроля внутритканевой температуры в сеансах радиочастотной (ВЧ и СВЧ) гипертермии при лечении онкологических заболеваний.

Известны медицинские термометры (Б.А.Красюк, О.Г.Семенов, А.Г.Шереметьев, В. А. Шестериков. Световодные датчики. М. Машиностроение, 1990 256 с.), нечувствительные к радиочастотному электромагнитному полю, содержащие гибкий температурный зонд, образованный волоконным световодом и расположенным на его торце датчиком температуры, источник света и блок регистрации. Благодаря температурной зависимости оптических свойств среды, используемой в датчике (например, показателя преломления или спектра флуоресценции), регистрируемые параметры светового излучения, отраженного или переизлученного датчиков (например, интенсивность или величины, характеризующие спектр), однозначно связаны с измеряемой температурой, на чем и основано действие этих термометров. К недостаткам таких устройств следует отнести: сравнительно большой диаметр датчика (1,5-3 мм); нелинейность его передаточной характеристики; конструктивную сложность блока регистрации; невозможность оперативного измерения распределения температур в исследуемом объекте.

Известен термометр для измерения температуры объекта, находящегося под воздействием высокочастотного электромагнитного поля (пат. США N 4785824, А 61 В, 1989), содержащий гибкий (световодный) температурный зонд с люминесцентным датчиком температуры, смонтированным на оптически прозрачном элементе, прикрепленном к концу световода, и соединенный с зондом блок регистрации.

Действие известного термометра основано на измерении спектральных параметров, характеризующих люминесценцию материала датчика и зависящих от температуры. При измерении внутритканевой температуры зонд вводят (имплантируют) непосредственно в исследуемый орган, нагреваемый высокочастотным электромагнитным полем.

Это техническое решение наиболее близко к заявляемому и выбрано в качестве прототипа.

Известный термометр имеет следующие недостатки.

1. Прибор не позволяет оперативно оценивать распределение темпеpатур в исследуемом органе, так как перемещение зонда, непосредственно введенного в ткань, крайне затруднительно и травматично. Возможное использование дополнительной защитной оболочки (микрокатетера), внутри которой можно было бы свободно перемещать зонд, также не привело бы к существенному сокращению времени, затрачиваемого на оценку распределения температур, что связано с необходимостью ручного перемещения зонда и визуального считывания показаний термометра, соответствующих различным положениям зонда.

2. Как следует из описания известного термометра, выбранного в качестве прототипа, внешний диаметр его температурного зонда составляет 0,25 мм; в этом случае дополнительная защитная оболочка (необходимая при измерении распределения температур), обладающая достаточной механической прочностью, должна иметь внешний диаметр около 1 мм. Введение такой оболочки в ткань также весьма травматично.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение диаметра температурного зонда с целью снижения травматичности при его введении в ткань, и сокращение времени измерительного цикла термометра при измерении распределения температур в исследуемом объекте.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном термометре, содержащем гибкий температурный зонд с датчиком температуры и соединенный с ним блок регистрации температурный зонд и датчик температуры выполнены в виде глухого капилляра, заполненного термометрическим телом и размещенного с возможностью перемещения в защитной оболочке, а блок регистрации содержит соединенный с капилляром датчик состояния термометрического тела, блок привода капилляра, приемника капилляра, соединенный с блоком контроля температуры приемника, и вычислительное устройство, соединенное с датчиком состояния термометрического тела, блоком привода капилляра и блоком контроля температуры приемника.

Интегральные параметры состояния (например, объем, давление и т.д.) термометрического тела, заполняющего подвижный капилляр, частично расположенный в буферной емкости (приемнике) при известной температуре, и частично в оболочке, помещенной в среду с произвольным распределением температур, однозначно связаны с температурой в той точке, где в данный момент находится свободный (перемещаемый) конец капилляра, что позволяет, регистрируя какой-либо из этих интегральных параметров как функцию координаты конца капилляра, получать полную информацию о распределении температур вдоль оболочки.

Предложенное техническое решение дает возможность существенно уменьшить диаметр температурного зонда, так как зонд содержит единственный капилляр, внешний диаметр которого, как правило, не превышает 0,1-0,03 мм; при этом минимально допустимый внешний диаметр защитной оболочки (ее участка, помещаемого в исследуемую среду) зависит от прочности применяемого материала оболочки и может быть доведен до 0,5-0,2 мм и менее.

Поскольку время установления равновесного значения локальной температуры для капилляров диаметром порядка сотых долей миллиметра (при контакте с воздухом при атмосферном давлении) исчисляется сотыми долями секунды, а постоянную времени датчика состояния термометрического тела выбирают того же порядка величины или менее, предложенное техническое решение позволяет сократить время измерительного цикла термометра при измерении распределения температур. Наличие механического привода капилляра и быстродействующего вычислительного устройства приводит к дополнительному сокращению времени измерительного цикла.

Использование жидкости в качестве термометрического тела, и датчика объема этой жидкости в качестве датчика состояния термометрического тела обеспечивает высокое быстродействие системы "капилляр датчик состояния" (по сравнению, например, с вариантом, когда капилляр заполнен газом, давление которого перемещает столб жидкости в датчике), а также аддитивность и линейность вкладов локальных температур в регистрируемый параметр (объем жидкости, поступающей в датчик из капилляра), что приводит к упрощению алгоритма вычисления распределения температур и конструкции вычислительного устройства. Используемая жидкость является диэлектрической (имеет малые диэлектрические потери в диапазоне высоких и сверхвысоких частот), что практически устраняет погрешность, связанную с непосредственным нагревом термометрического тела радиочастотным электромагнитным полем. В качестве термометрических жидкостей могут быть использованы, например, жидкие углеводороды или их смеси.

При любом выборе термометрического тела и датчика состояния алгоритм вычислений и конструкция вычислительного устройства оказываются наиболее простыми, если капилляр имеет постоянное поперечное сечение (является однородным).

Для устранения погрешности, связанной с изменениями регистрируемого параметра термометрического тела, вызванными изгибом участка капилляра, находящегося в приемнике, последний в конкретном варианте конструкции термометра выполнен в виде двух плоских параллельных пластин, разделенных прямолинейными параллельными прокладками-направляющими, причем находящийся в приемнике участок капилляра расположен в зазоре между пластинами в виде петли переменной длины, криволинейная часть которой имеет постоянные геометрические параметры (длину и локальную кривизну).

Для ослабления влияния температуры окружающей среды защитная оболочка, за исключением ее оконечной части, вводимой в исследуемый объект, снабжена дополнительной термостатирующей оболочкой, причем последняя может быть выполнена как пассивной (например, в виде толстостенной трубки из пористого пластика), так и активной (например, в виде термостатирующей рубашки с циркулирующим теплоносителем). Оконечная (рабочая) часть защитной оболочки выполнена съемной и имеет минимально возможную толщину стенки, определяемую прочностью материала оболочки.

Предложенный термометр может быть использован, в частности, как элемент системы для измерения двух- и трехмерного распределения температур, которая может содержать несколько температурных зондов и общий многоканальный блок регистрации. Возможность получать оценку объемного распределения температур в объекте особенно важна для медицинских приложений предложенного технического решения.

На фигуре приведена общая схема термометра.

Температурный зонд выполнен в виде гибкого сухого капилляра 1 (например, стеклянного или кварцевого капилляра, имеющего внешний диаметр 0,03-0,1 мм и длину порядка 1 м), заполненного термометрическим телом (например, диэлектрической жидкостью), и свободно размещенного в глухой защитной оболочке 2, которая в конкретных вариантах конструкции снабжена дополнительной термостатирующей оболочкой 3. Блок регистрации 4 содержит соединенный с капилляром 1 датчик 5 состояния термометрического тела (например, емкостный датчик количества жидкости, поступающей из капилляра 1), блок 6 привода капилляра 1 (например, шаговый двигатель с фрикционным роликом и устройством управления), приемник 7 капилляра 1, в конкретном варианте конструкции выполненный в виде двух плоских параллельных пластин (на фигуре они расположены в плоскости рисунка, а их контур совпадает с контуром приемника 7), разделенных прокладками-направляющими (выделены косой штриховкой), в котором (приемнике) в виде петли 8 расположена часть капилляра 1, блок 9 контроля температуры приемника 7 и вычислительное устройство 10, соединенное с датчиком 5 и блоками 6 и 9. Вычислительное устройство 10 в конкретных вариантах исполнения представляет собой аналоговый или цифровой вычислитель с фиксированной программой, либо универсальный микрокомпьютер. Капилляр 1 изображен на фигуре в двух произвольных положениях (сплошной и штриховой линиями).

Термометр работает следующим образом.

В исходном состоянии участок капилляра 1, находящийся в приемнике 7, имеет максимальную длину, и капилляр 1 целиком расположен в пределах термостатирующей оболочки 3 и блока регистрации 4. Рабочая (оконечная) часть защитной оболочки 2 отсоединена. Перед началом измерений рабочую часть оболочки 2 вводят в исследуемый объект. При измерении внутритканевой температуры введение может осуществляться, например, с помощью жесткого металлического стержня, который затем удаляют. К помещенной в исследуемый объект рабочей части оболочки 2 присоединяют остальную ее часть.

По команде, поступившей из вычислительного устройства 10, блок привода 6 начинает перемещать капилляр 1 вдоль оболочки 2 (в конкретных вариантах исполнения прибора подача капилляра 1 может осуществляться непрерывно (с постоянной скоростью), либо дискретно (по шагам).

Температуру Т_о приемника 7 измеряют с помощью блока 9 контроля температуры; в конкретных вариантах исполнения температуру приемника 7 с помощью блока 9 поддерживают постоянной. В том и другом случае информация об этой температуре поступает в вычислительное устройство 10.

Таким образом, одна часть капилляра 1 находится в неизвестном поле температур Т(х), где х криволинейная координата, отсчитываемая вдоль оболочки 2, а другая (дополнительная) его часть в приемнике 7 при известной температуре Т_о, и при движении капилляра соотношение между этими частями изменяется.

При этом информация о параметре F(х) термометрического тела, регистрируемом датчиком 5 в функции координаты х перемещаемого конца капилляра 1, также поступает в вычислительное устройство 10. По функции F(х) и значению температуры Т_о вычислительное устройство 10 восстанавливает зависимость Т(х) и передает информацию о ней на индикатор или в какое-либо внешнее устройство.

По достижении рабочим концом капилляра 1 крайнего (левого по фигуре) положения вычислительное устройство 10 подает команду реверса на блок привода 6, который возвращает капилляр 1 в исходное положение, на чем измерительный цикл заканчивается. По следующей команде вычислительного устройства 10 начинается новый измерительный цикл. Регистрация параметра F(х) в других версиях алгоритма работы термометра может происходить при движении капилляра 1 в обратном направлении или в обоих направлениях.

В конкретном варианте термометра, когда в качестве термометрического тела использована жидкость, а датчик 5 регистрирует объем ΔV этой жидкости, поступившей в него из капилляра 1, указанный объем ΔV связан с распределением температур Т(х) вдоль оболочки 2 и температурой Т_о приемника 7 следующим соотношением:
ΔV(x) α S(x′)[T(x-x′)-T_o]dx′ где х координата рабочего (перемещаемого) конца капилляра 1, отсчитываемая вдоль оболочки 2 от входа датчика 5 в направлении рабочего конца оболочки 2, х' координата, отсчитываемая от рабочего конца капилляра 1 в обратном направлении, α коэффициент объемного расширения термометрической жидкости, S(x') площадь поперечного сечения капилляра.

Вычислительное устройство 10 восстанавливает зависимость Т(х), производя численное решение интегрального уравнения (1). Распределение поперечного сечения S(x') постоянно для каждого конкретного капилляра. При налаживании прибора его определяют экспериментально (например, регистрируя величину ΔV(x) для зонда, целиком погруженного в жидкостный термостат), и заносят в долговременную память вычислительного устройства 10.

В конкретном исполнении термометра, когда капилляр 1 выполнен однородным, т.е. S(x ') S const, соотношение (1) принимает вид
d[ΔV(x)]/dx=αS[T(x) T_o] (2) и восстановление зависимости Т(х) сводится к численному дифференцированию регистрируемой функции ΔV(x), производимому устройством 10. В частности, если подачу капилляра 1 осуществляют с постоянной скоростью, то дифференцирование по координате х может быть заменено дифференцированием по времени например, в аналоговом варианте, с помощью дифференциатора на операционном усилителе. Данный вариант термометра требует наименьших аппаратурных затрат, но при этом предъявляются повышенные требования к технологическому допуску на площадь поперечного сечения капилляра 1.

Дополнительная термостатирующая оболочка 3 ослабляет влияние изменений температуры окружающей среды на показания термометра. Применение активной оболочки 3 с циркулирующим теплоносителем наиболее эффективно, но не является обязательным, так как для нормальной работы термометра достаточно лишь исключить быстрые изменения средней температуры промежуточного участка защитной оболочки 2, что достигается и применением пассивной (теплоизолирующей) оболочки 3. При этом изменения регистрируемого параметра термометрического тела, вызываемые перемещением конца капилляра в исследуемом поле температур ("полезный сигнал"), должны настолько превышать изменения этого параметра, связанные с нестационарностью поля температур в исследуемом объекте и окружающей среде ("сигнал помехи"), чтобы погрешность измерения локальной температуры не превышала заданной величины.

Например, для описанного выше варианта термометра с однородным капилляром, заполненным жидкостью, скорость dx/dt подачи капилляра 1 и скорость /∂t изменения его средней температура , связанного с нестационарностью температурного поля объекта и окружающей среды, должны удовлетворять соотношению
δT(dx/dt)≥ L(/∂t) где δТ допустимая погрешность измерения локальной температуры; Т, L общая длина капилляра 1. Дополнительная оболочка 3 снижает величину /∂t, а тем самым и минимально допустимую скорость подачи капилляра 1. Так как скорость подачи ограничена быстродействием системы "капилляр 1 датчик 5", применение дополнительной оболочки может оказаться необходимым для выполнения приведенного выше соотношения.

Приемник 7 капилляра 1, конструкция которого схематически представлена на фигуре, обеспечивает постоянство геометрических параметров криволинейной части петли 8 капилляра 1, находящейся в приемнике 7, при движении рабочего конца капилляра 1, и, следовательно, постоянство вклада от этой деформированной части капилляра в значения параметра, регистрируемого датчиком 5. Погрешность же, связанная с деформацией капилляра в пределах зонда, незначительна, так как радиус изгиба капилляра в этом случае ограничен жесткостью оболочек 2 и 3 и достаточно велик.

Таким образом, предложенное техническое решение приводит к уменьшению диаметра температурного зонда и, следовательно, к снижению травматичности при введении зонда в ткань, а также к сокращению времени измерительного цикла термометра при измерении распределения температур в объекте, что, в частности, отвечает требованиям, предъявляемым к приборам для температурного контроля в терапевтической ВЧ и СВЧ гипертермии.

Использование, в медицинской технике для контроля внутритканевой температуры при радиочастотной гипертермии. Сущность: медицинский термометр содержит гибкий температурный зонд с датчиком температуры в виде глухого капилляра, заполненного термометрическим телом и размещенного с возможностью перемещения в защитной оболочке, и соединенный с ним блок регистрации, включающий соединенный с капилляром датчик состояния термометрического тела, блок привода капилляра, приемник капилляра, соединенный с блоком контроля температуры приемника, и вычислительное устройство, соединенное с датчиком состояния термометрического тела, блоком контроля температуры приемника. Капилляр выполнен с постоянным сечением, термометрическим телом является диэлектрическая жидкость, а датчик состояния выполнен в виде датчика поступившей из капилляра жидкости. Приемник капилляра выполнен в виде двух плоских параллельных пластин, разделенных прямолинейными прокладками - направляющими, а размещенная в приемнике часть капилляра расположена в зазоре в виде петли переменной длины, при этом защитная оболочка на нерабочем участке зонда снабжена дополнительной термостатирующей оболочкой. Технический результат: сокращение времени измерительного цикла термометра при измерении распределения температур в исследуемом объекте. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. МЕДИЦИНСКИЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий гибкий температурный зонд с датчиком температуры и соединенный с ним блок регистрации, отличающийся тем, что температурный зонд и датчик температуры выполнены в виде глухого капилляра, заполненного термометрическим телом и размещенного с возможностью перемещения в защитной оболочке, и блок регистрации содержит соединенный с капилляром датчик состояния термометрического тела, блок привода капилляра, приемник капилляра, соединенный с блоком контроля температуры приемника, и вычислительное устройство, соединенное с датчиком состояния термометрического тела, блоком привода капилляра и блоком контроля температуры приемника. 2. Термометр по п.1, отличающийся тем, что термометрическим телом является диэлектрическая жидкость, а датчик состояния термометрического тела выполнен в виде датчика количества жидкости, поступившей из капилляра. 3. Термометр по п.1, отличающийся тем, что капилляр выполнен с постоянным сечением. 4. Термометр по п.1, отличающийся тем, что приемник капилляра выполнен в виде двух плоских параллельных пластин, разделенных прямолинейными параллельными прокладками-направляющими, причем размещенная в приемнике часть капилляра расположена в зазоре между пластинами в виде петли переменной длины, при этом криволинейная часть петли выполнена с постоянными геометрическими параметрами. 5. Термометр по п.1, отличающийся тем, что защитная оболочка на нерабочем участке зонда снабжена дополнительной термостатирующей оболочкой.