КАПИЛЛЯРНЫЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01K5/00 

Изобретение относится к 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 [1] 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 датчиком (например, интенсивность или величины, характеризующие спектр), однозначно связаны с измеряемой температурой, на чем и основано действие этих термометров.

К недостаткам таких термометров следует отнести сравнительно большой диаметр датчика (1,5-3 мм), нелинейность передаточной характеристики, конструктивную сложность блока регистрации, высокую потребляемую мощность.

Известен термометр [2] не чувствительный к радиочастотному электромагнитному полю и предназначенный для контроля температуры в облучаемой ткани при проведении ВЧ- и СВЧ-гипертермии, содержащий температурный зонд, состоящий из основного термобаллона, сообщающегося с ним гибкого основного капилляра, и гибкого компенсационного капилляра, проложенного вдоль основного, выполненных из стекла или плавленого кварца и заполненных газом, и блок регистрации, включающий в себя дополнительный термобаллон, соединенный с компенсационным капилляром, нуль-орган, соединенный с дополнительным термобаллоном и с основным капилляром, регулятор температуры дополнительного термобаллона и элемент обратной связи, через который регулятор температуры соединен с нуль-органом. Нуль-орган включает в себя участок основного капилляра, содержащий каплю (столбик) жидкости, и фотоэлектрическое устройство, чувствительное к положению этой капли жидкости.

Действие известного термометра основано на том, что благодаря цепи обратной связи температура дополнительного термобаллона автоматически поддерживается равной (с точностью до аддитивной константы) температуре основного термобаллона (датчика) и ее измеряют вторичным термометром (например, электрическим термометром сопротивления). При измерении внутритканевой температуры основной термобаллон вводят в исследуемую область через заранее введенную в ткань защитную оболочку (микрокатетер), перемещая основной термобаллон, исследуют распределение температур в ткани вдоль защитной оболочки.

Термин "термобаллон" означает ту часть капилляра (его локальное утолщение или сужение, или просто участок однородного капилляра), изменение температуры которой ответственно за изменение показаний термометра, причем изменение температуры других участков не влияет на показания прибора.

Главная особенность такого технического решения заключается в использовании тонких (внешний диаметр порядка 0,01-0,1 мм) гибких капилляров (например, стеклянных или кварцевых), что позволяет реализовать миниатюрный имплантируемый зонд для контроля температуры в зоне действия мощного радиочастотного электромагнитного поля. Это техническое решение наиболее близко к заявляемому и выбрано в качестве прототипа.

Известный термометр имеет следующие недостатки. Время установления нуль-органа в равновесное состояние, определяющее быстродействие прибора, неприемлемо велико и реально составляет единицы и десятки секунд, что связано с необходимостью применения в нуль-органе нелетучих и, следовательно, довольно вязких жидкостей, в то время как перепады давления на входах нуль-органа весьма малы. Вследствие недостаточного быстродействия прибор не обеспечивает оперативного измерения распределения температур в исследуемом объекте, что, в частности, создает затруднения при проведении терапевтической гипертемии. При изгибе и/или одностороннем боковом нагреве (охлаждении) зонда возникает погрешность, связанная с параллельным расположением основного и компенсационного капилляров и зависящая как от степени и направления изгиба, так и от величины и направления градиента температур в среде, через которую проходит зонд. Низка долговременная стабильность термометра (дрейф показаний), связанная с испарением и перегонкой жидкости, используемой в нуль-органе, в результате нагрева этой жидкости регулятором температуры дополнительного термобаллона.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение быстродействия, точности и долговременной стабильности термометра.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в термометре, содержащем температурный зонд, состоящий из термобаллона, гибкого основного капилляра, сообщающегося с термобаллоном, и гибкого компенсационного капилляра, заполненных диэлектрическим термометрическим телом, и блок регистрации, соединенный с капилляром зонда, капилляры взаимно расположены в виде двойной спирали, а в качестве термометрического тела использована жидкость.

Как показали исследования, наличие двойной спирали, образованной капиллярами, период которой выбирают минимально возможным, исходя из механических свойств материала капилляров, практически устраняет зависимость показаний термометра как от степени и направления изгиба зонда, так и от величины и направления градиента температур в окружающей зонд среде (т.е. от интенсивности одностороннего бокового нагрева или охлаждения зонда), что связано с усреднением указанных механических и тепловых асимметричных воздействий, т. е. с их равномерным распределением между основным и компенсационным капиллярами, и обеспечивает повышение точности измерений.

Использование жидкости в качестве термометрического тела при отсутствии в приборе элементов, содержащих аналогично нуль-органу в прототипе, каплю жидкости, перемещаемую в капилляре давлением газа, обеспечивает высокое быстродействие термометра, так как в этом случае оно ограничено лишь тепловой инерционностью заполненных жидкостью термобаллона и капилляров, которая при диаметре последних, равном 0,01-0,1 мм, характеризуется временами порядка 0,01-0,1 с, что, в частности, дает возможность с приемлемой оперативностью измерять распределение температур в объекте. При этом используемая жидкость является диэлектрической (имеет малые диэлектрические потери в диапазоне высоких и сверхвысоких частот), что практически сводит к нулю погрешность, связанную с непосредственным нагревом термометрического тела (жидкости) радиочастотным электромагнитным полем. В качестве конкретных термометрических жидкостей могут быть использованы, например, жидкие углеводороды или их смеси.

Перегонка жидкости в капиллярах и связанный с ней дрейф показаний прибора не имеют места, поскольку свободные мениски жидкости (если таковые имеются в той или иной конкретной реализации термометра) не подвергаются воздействию искусственно создаваемого градиента температур, как это происходит, например, в нуль-органе прототипа; если свободные мениски отсутствуют, то перегонка исключается автоматически. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет увеличить долговременную стабильность термометра.

В конкретных реализациях термометра термобаллон может быть выполнен как в виде утолщения, так и в виде однородного продолжения основного капилляра (т. е. продолжения, имеющего то же поперечное сечение, что и остальная часть капилляра). Последний вариант более технологичен, характеризуется большей механической прочностью и обеспечивает наименьший диаметр зонда и максимальное быстродействие.

Блок регистрации может быть построен, в частности, по схеме прямого преобразования количества жидкости, поступающей в него из капилляров, в цифровой или аналоговый сигнал, пропорциональный измеряемой температуре. В этом случае он содержит датчики количества жидкости, поступающей из капилляров, и преобразователь информации.

Ниже рассмотрены конкретные варианты таких датчиков (поскольку датчик основного капилляра конструктивно идентичен датчику компенсационного капилляра, описание дано в единственном числе).

Датчик выполнен в виде продолжения капилляра, которое частично заполнено электропроводной жидкостью (например, ртутью), контактирующей с диэлектрической жидкостью в капилляре, и снабжено внешним электродом (например, слоем металла, напыленного на внешнюю поверхность капилляра, или металлической подложкой, на которую капилляр наклеен) и эластичным резервуаром, заполненным той же электропроводной жидкостью, сообщающимся с капилляром и имеющим электрический вывод, выполненный из инертного материала (например, из платины). Функционально датчик представляет собой конденсатор переменной емкости, причем последняя связана линейной зависимостью с количеством (объемом) жидкости, поступающей в датчик из капилляра.

Датчик выполнен в виде продолжения капилляра, которое снабжено тремя раздельными внешними электродами, расположенными последовательно вдоль оси капилляра, и частично заполнено электропроводной жидкостью, контактирующей с диэлектрической жидкостью в капилляре, причем столбик электропроводной жидкости перекрывает центральный внешний электрод, а ее мениски расположены в пределах крайних внешних электродов. Функционально датчик представляет собой емкостный делитель напряжения с коэффициентом деления, связанным линейной зависимостью с объемом жидкости, поступающей из капилляра. При этом указанный коэффициент деления не зависит от диэлектрической проницаемости материала, из которого изготовлен капилляр, так что этот датчик не имеет погрешности, связанной с ее температурной зависимостью (в отличие от датчика, описанного выше).

Рассмотренные датчики имеют строго линейную передаточную характеристику и большой динамический диапазон (порядка 10⁴). Поскольку в их составе нет резистивных (в частности, электротепловых) элементов и источников света, эти датчики весьма экономичны, что позволяет осуществлять питание термометра от компактного автономного источника.

На фиг. 1 изображена общая схема термометра и показано взаимное расположение капилляров и термобаллона (пропорция между диаметром и длиной капилляров не соблюдена); на фиг.2 изображен вариант термометра, когда блок регистрации выполнен по схеме прямого преобразования, а термобаллон выполнен в виде однородного продолжения основного капилляра; на фиг.3 и 4 показаны варианты датчиков количества жидкости.

Термобаллон 1, сообщающийся с основным капилляром 2, и компенсационный капилляр 3 образуют температурный зонд. Капилляры 2 и 3 взаимно расположены в виде двойной спирали и соединены с блоком 4 регистрации (фиг.1 и 2).

В варианте термометра, изображенном на фиг.2, блок 4 регистрации содержит датчики 5 и 6 количества жидкости, соединенные соответственно с капиллярами 2 и 3, и соединенный с этими датчиками преобразователь 7 информации.

Вариант датчика количества жидкости, изображенный на фиг.3, представляет собой продолжение капилляра (основного 2 или компенсационного 3 по фиг.1 и 2), частично заполненное электропроводной жидкостью 8, контактирующей с диэлектрической жидкостью 9, и снабженное внешним электродом 10 и эластичным резервуаром 11, заполненным той же электропроводной жидкостью 8 и имеющим электрический вывод 12.

Вариант датчика количества жидкости, изображенный на фиг.4, представляет собой продолжение капилляра (основного 2 или компенсационного 3), содержащее столбик 13 электропроводной жидкости, контактирующей с диэлектрической жидкостью 9, и снабженное внешними электродами 14, 15 и 16. Оконечная часть 17 датчика заполнена воздухом.

Термометр работает следующим образом.

Термобаллон 1 вводят в исследуемую среду. За счет термического изменения плотности жидкости, заполняющей термобаллон 1 и капилляры 2 и 3, количества этой жидкости, находящиеся в пределах блока 4 регистрации (поступившие в него из капилляров 2 и 3), изменяются в зависимости от температуры Т₁ термобаллона и средних температур Т₂ и Т₂' основного 2 и компенсационного 3 капилляров (в дальнейшем пользуются термином "объем" вместо термина "количество", хотя все нижесказанное остается в силе, например, и для массы жидкости, вытесняемой из капилляров).

Если в рабочем интервале температур Т₁, Т₂ и T₂' коэффициент объемного расширения α используемой термометрической жидкости практически неизменен, что имеет место при надлежащем выборе, то объемы v₁ и v₂ жидкости, поступившей в блок 4 регистрации соответственно из основного 2 и компенсационного 3 капилляров, линейно связаны с температурами Т₁, Т₂ и T₂':
v₁ α (v₁T₁ + v₂T₂) + c₁; (1)
v₂ α v₂'T₂' + c₂, (2) где v₁, v₂ и v₂' внутренние объемы соответственно термобаллона 1, основного капилляра 2 и компенсационного капилляра 3;
с₁ и с₂ константы.

Взаимное расположение основного и компенсационного капилляров в виде двойной спирали обеспечивает равенство внутренних объемов капилляров (v₂ v₂') независимо от величины и направления изгиба зонда, и равенство их средних температур (Т₂ T₂') независимо от величины и направления градиента температур в окружающей зонд среде, что приводит (в силу выражений (1) и (2) при v₂ v₂' и T₂ T₂') к следующему соотношению между объемами v₁ и v₂ жидкости, поступившей в блок 4 регистрации из капилляров 2 и 3, и измеряемой температурой Т₁:
(v₁ v₂)/ (α v₁) + T_o T₁, (3) где Т_о константа, имеющая размерность температуры.

Блок 4 регистрации преобразует разность v₁ v₂ в цифровой или аналоговый сигнал вида
a₁ (v₁ v₂) + a_o, (4) где а_о и а₁ аппаратурные константы, выбранные таким образом, что указанный сигнал численно соответствует измеряемой температуре Т₁.

В варианте конструкции, показанном на фиг.2, происходит прямое преобразование величин v₁ и v₂ датчиками 5 и 6 в пропорциональные им цифровые или аналоговые сигналы (величины) например, в величину электрической емкости, если датчики выполнены по схеме, приведенной на фиг.3, или в величину напряжения (в амплитуду переменного напряжения) для датчиков, соответствующих фиг. 4, а преобразователь 7 формирует из этих сигналов комбинацию вида (4), численно соответствующую температуре Т₁.

В частности, в случае датчика, изображенного на фиг.3, длина столбика электропроводной жидкости 8 (ртуть), находящегося в пределах внешнего электрода 10 (слой металла, напыленный на внешнюю поверхность участка капилляра), линейно зависит от объема диэлектрической жидкости 9, поступившей в датчик из капилляра 2 (3), а электрическая емкость датчика, измеренная между выводом 12 эластичного резервуара 11 и внешним электродом 10, линейно связана с указанной длиной столбика жидкости 8. Эластичный резервуар 11 обеспечивает свободный обратимый отток электропроводной жидкости 8 из капиллярной части датчика. Таким образом, датчик линейно преобразует объем диэлектрической жидкости, поступающей в него из капилляра 2 (3), в величину электрической емкости.

В датчике, изображенном на фиг.4, электрические емкости, образованные столбиком 13 электропроводной жидкости с крайними внешними электродами 14 и 16, выполняют функцию емкостного делителя напряжения (в частности, переменного напряжения), приложенного к электродам 14 и 16, причем поделенное напряжение снимают с центрального внешнего электрода 15 (через постоянную емкость, образованную столбиком 13 электропроводной жидкости и электродом 15) и одного из крайних внешних электродов. Коэффициент деления этого емкостного делителя (не зависящий от диэлектрической проницаемости материала капилляра) линейно изменяется в зависимости от смещения столбика 13 электропроводной жидкости, а следовательно, и от объема диэлектрической жидкости 9, поступившей в датчик из капилляра 2 (3). Оконечная часть 17 датчика заполнена воздухом и обеспечивает свободное перемещение столбика 13 электропроводной жидкости. Таким образом, этот вариант датчика осуществляет линейное преобразование объема диэлектрической жидкости, поступающей в него из капилляра 2 (3), в величину напряжения (или в амплитуду переменного напряжения).

Как и в случае термометра, принятого в качестве прототипа, при измерении внутритканевой температуры в ткань предварительно вводят защитную оболочку (микрокатетер), в которую затем вводят термобаллон 1. Перемещая термобаллон, исследуют распределение температур вдоль оболочки.

Предложенное техническое решение повышает быстродействие, точность и долговременную стабильность термометра, что весьма важно, в частности, при его использовании для контроля температурных режимов терапевтической гипертермии.

Использование: в термометрии, а именно в медицинских термометрах для измерения температуры в зоне действия радиочастотного электромагнитного поля, для контроля температурных режимов высокочастотной (ВЧ) и сверхвысокочастотной (СВЧ) гипертермии при лечении онкологических заболеваний. Сущность изобретения: термометр содержит имплантируемый температурный зонд, состоящий из термобаллона 1, гибкого основного капилляра 2, сообщающегося с термобаллоном 1, и гибкого компенсационного капилляра 3, заполненных диэлектрической жидкостью, а также блок 4 регистрации, соединенный с капиллярами 2 и 3, причем последние взаимно расположены в виде двойной спирали. Термометр нечувствителен к мощным ВЧ и СВЧ электромагнитным полям. Его метрологические характеристики быстродействие, точность и долговременная стабильность существенно улучшены по сравнению с другими аналогичными приборами. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. КАПИЛЛЯРНЫЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий температурный зонд, состоящий из термобаллона, гибкого основного капилляра из диэлектрического материала, сообщающегося с термобаллоном, и гибкого компенсационного капилляра, заполненных диэлектрическим термометрическим телом, и блок регистрации, отличающийся тем, что капилляры взаимно расположены в виде двойной спирали, а в качестве термометрического тела использована жидкость. 2. Термометр по п.1, отличающийся тем, что термобаллон выполнен в виде продолжения основного капилляра с тем же поперечным сечением, что и основной капилляр. 3. Термометр по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации снабжен датчиками количества жидкости, поступающей из капилляров, и соединенным с этими датчиками преобразователем информации. 4. Термометр по пп.1 и 3, отличающийся тем, что каждый датчик количества жидкости выполнен в виде продолжения соответствующего капилляра, которое частично заполнено электропроводной жидкостью, контактирующей с диэлектрической жидкостью в капилляре, и снабжено внешним электродом и эластичным резервуаром, заполненным той же электропроводной жидкостью и выполненным с электрическим выводом. 5. Термометр по пп.1 и 3, отличающийся тем, что каждый датчик количества жидкости выполнен в виде продолжения соответствующего капилляра, которое снабжено тремя раздельными внешними электродами, расположенными последовательно вдоль оси капилляра, и частично заполнено электропроводной жидкостью, контактирующей с диэлектрической жидкостью в капилляре, причем столбик электропроводной жидкости размещен с возможностью перекрытия центрального внешнего электрода, а ее мениски расположены в пределах крайних внешних электродов.