УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ И ПРОФИЛАКТИКИ ДЕРМАТОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ И ОЖОГОВЫХ РАН Российский патент 1997 года по МПК A61N5/06 

Изобретение относится к медицинской технике, применяемой в дерматологии и хирургии для лечения и профилактики кожных заболеваний, раневых и ожоговых поверхностей с высокой бактериальной обсемененностью.

Известно устройство для лечения кожных заболеваний путем облучения пораженных участков ультрафиолетовым (УФ) излучением, содержащее источник УФ излучения в виде сфероидальной ртутной лампы небольшой мощности, отражатель и блок питания, подключенный к лампе (патент США N 3818914 кл. А 61 N 5/06, 1974). Работа известного устройства основана на использовании низкоинтенсивного непрерывного УФ излучения с преимущественно линейчатым спектром излучения.

Недостатками известного устройства являются значительное время лечебных процедур (десятки минут), а также нежелательные побочные эффекты - фотохимические и фотобиологические реакции (эритема, шелушение и т.д.) в поверхностном слое облучаемого участка.

Известно также устройство для лечения раневых инфекций и кожных заболеваний, являющееся наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и содержащее облучатель с источником ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, отражателем и светофильтром, блок питания и управления с накопительным конденсатором и генератором импульсов поджига, подключенный к облучателю, при этом импульсная газоразрядная лампа и накопительный конденсатор образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора (патент РФ N 2008042 кл. А 61 N 5/06, 1992).

Известное устройство позволяет значительно сократить время лечебной процедуры и устранить отрицательные побочные эффекты при облучении. Эти результаты достигнуты за счет использования высокоинтенсивного импульсного УФ излучения сплошного спектра.

Однако известное устройство обладает низкой эффективностью преобразования исходной электрической энергии в полезный бактерицидный поток УФ излучения, а также недостаточно надежно
Эффективность преобразования энергии определяется отношением удельного (т. е. с единицы излучающей площади) среднего (т.е. усредненного по времени) потока УФ излучения в бактерицидной области к средней потребляемой от электрической сети мощности. Таким образом, повышение эффективности может быть достигнуто за счет увеличения бактерицидного потока УФ излучения или за счет уменьшения потребляемой электрической мощности при сохранении неизменными всех остальных параметров. В предлагаемом устройстве реализован второй путь: снижение потребляемой электрической мощности за счет уменьшения потерь электрической энергии.

Недостаточная надежность известной установки проявляется в сбоях, пропусках импульсов излучения или в нестабильности их параметров.

Можно указать следующие причины потерь электрической энергии в известном устройстве.

Во-первых, при заряде накопительного конденсатора от источника постоянного напряжения имеют место значительные потери энергии за счет чрезмерно больших токов в начальный период заряда. Кроме того, элементы электрической схемы установки, работающие при больших значениях тока, обладают невысокой надежностью.

Во-вторых, в фазе перехода от предварительного маломощного высоковольтного пробоя межэлектродного промежутка лампы к основному разрядному импульсу для надежного формирования основного разрядного импульса необходимо увеличивать индуктивность разрядного контура L (для увеличения длительности поджигающего импульса до 1 мкс), а для реализации высокой температуры излучающей плазмы (и, следовательно, для обеспечения высокой плотности УФ излучения) индуктивность L разрядного контура необходимо уменьшать (для увеличения максимального разрядного тока). В результате компромиссного решения, с одной стороны, температура плазмы не достигает оптимальных величин, что обуславливает недостаточный бактерицидный поток УФ излучения и эффективность установки, с другой стороны, из-за неизбежных разбросов и флюктуаций параметров ламп и плазмы в начальный период формирование разряда становится неустойчивым, что приводит к сбоям и пропускам импульсов излучения, т.е. к ненадежной и нестабильной работе установки.

Таким образом, техническим эффектом от использования настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы установки.

Предложенное устройство содержит (фиг. 1) облучатель 1, в котором размещены импульсная газоразрядная лампа 2, отражатель 3 и светофильтр 4, и блок питания и управления 5. Лампа 2 подключена к блоку питания и управления 5. Светофильтр 4 выполнен легкосъемным, что позволяет при необходимости изменять спектральный состав излучения, вырабатываемого устройством.

Блок питания и управления 5 содержит (фиг. 2) высоковольтный источник постоянного тока 6, генератор импульсов поджига 7, накопительный конденсатор 8 и схему управления 9, подключенную к источнику постоянного тока 6 и к генератору импульсов поджига 7. В конкретном примере выполнения высоковольтный источник постоянного тока может быть реализован в виде высоковольтного выпрямителя и высоковольтного дросселя.

Лампа 2 подключена к блоку питания и управления 5 с помощью импульсного трансформатора 10. Обмотки импульсного трансформатора намотаны на ферритовом сердечнике (например в виде кольца), первичная обмотка подключена к выходу генератора импульсов поджига 7, вторичная повышающая обмотка включена последовательно с накопительным конденсатором 8 и лампой 2.

Разрядный контур образован накопительным конденсатором 8, вторичной обмоткой импульсного трансформатора 10 и газоразрядной лампой 2.

Параметры контура и разряда выбраны из следующего соотношения:
(1)
где U напряжение накопительного конденсатора, В;
C емкость накопительного конденсатора, Ф;
L₀ начальная индуктивность разрядного контура, Гн;
d внутренний диаметр газоразрядной лампы, м;
h расстояние между электродами газоразрядной лампы, м;
A 10⁹ постоянный коэффициент, Вт/м².

Отличительными признаками заявленного устройства от известного являются:
наличие в блоке питания и управления высоковольтного источника постоянного тока;
размещение обмоток импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике;
соотношение между параметрами контура.

Перечисленные отличия позволяют сделать вывод о новизне заявленного изобретения.

Из известного уровня техники не следует явным образом достижение вышеперечисленных видов технического результата за счет совокупности признаков, изложенных в формуле изобретения, что обеспечивает заявленному решению необходимый для защиты патентом изобретательский уровень. Промышленная применимость предлагаемого изобретения становится очевидной из описания работы установки.

Облучатель 1 устройства располагается параллельно обрабатываемой поверхности на расстоянии 5 15 см. Органами управления на блоке питания и управления 4 задается необходимый режим работы, который определяется числом импульсов излучения, вырабатываемых устройством.

При нажатии кнопки "Пуск" схема управления 9 включает высоковольтный источник постоянного тока 6 и начинается заряд накопительного конденсатора 8. Напряжение на конденсаторе контролируется схемой управления 9, для чего в ее составе имеется делитель напряжения, компаратор и источник опорного напряжения (на фиг. 2 не показаны). При достижении напряжения на обкладках накопительного конденсатора 8 заданной величины (обычно 1 2 кВ) схема управления 9 отключает высоковольтный источник постоянного тока 6 и подает управляющий импульс на генератор импульсов поджига 7. Генератор 7 вырабатывает импульс поджига амплитудой 1 2 кВ, длительностью 0.1 1 мкс, вызывающий протекание соответствующего тока по первичной обмотке импульсного трансформатора 10. Во вторичной обмотке импульсного трансформатора при этом формируется импульс амплитудой 20 40 кВ. Это напряжение, благодаря электрическому соединению накопительного конденсатора, вторичной обмотки трансформатора и лампы, оказывается приложенным к электродам лампы 2. В лампе 2, заполненной инертным газом, возникает электрический пробой между электродами в виде проводящего канала слабоионизированной плазмы. Накопительный конденсатор разряжается через лампу 2. при этом мощный импульс разрядного тока вызывает интенсивный разогрев и ионизацию газа. Образующаяся плазма газа интенсивно излучает в широкой области спектра, включающей ультрафиолетовое (УФ), видимое и инфракрасное (ИК) излучение. Это излучение отражается от отражателя 3 и через светофильтр 4 попадает на обрабатываемую поверхность, осуществляя лечебный эффект.

По мере окончания разряда накопительного конденсатора 8 плазма инертного газа в лампе остывает, газ переходит в атомарное состояние, излучение прекращается. Схема приходит в исходное состояние.

Затем процесс повторяется: схема управления включает источник постоянного тока, после заряда накопительного конденсатора до заданного напряжения вырабатывается импульс поджига и т.д.

В случае необходимости можно видоизменить лечебный эффект от применения устройства выбором светофильтра с соответствующей областью прозрачности.

Так, УФ излучение в диапазоне длин волн от 200 до 280 нм (область С) обладает выраженным бактерицидным действием, в диапазоне от 280 до 400 нм (области В и А) излучение относят к эритемному, которое при определенных дозах обладает тонизирующим и терапевтическим эффектом. Излучение видимого участка спектра (380 780 нм) производит фотобилогический эффект и при соответствующих дозировках способствует росту и восстановлению тканей. Излучение инфракрасного диапазона с длинами волн более 800 нм характеризуется тепловым воздействием.

Подбором или комбинацией светофильтров с соответствующим диапазоном прозрачности можно варьировать лечебный эффект, получая в том числе и комбинированный эффект, в зависимости от конкретных показаний.

По отношению к известным устройствам того же назначения предложенное устройство имеет значительные преимущества, обусловленные снижением суммарной энергетической дозы: сокращение необходимого времени обработки до нескольких минут, повышение безопасности и удобства в работе.

По отношению к известной установке-прототипу предложенная установка характеризуется более высокой эффективностью при том же потреблении энергии и более высокой надежностью работы. Эти преимущества предложенной установки обусловлены следующим.

Как уже указывалось выше, для уменьшения потерь энергии при формировании основного разряда (разряд накопительного конденсатора через лампу ) необходимо увеличить длительность импульса поджига, поступающего на лампу, с 0,1 0.3 мкс до 1 мкс, что можно было бы обеспечить соответствующим увеличением индуктивности разрядного контура. В то же время для обеспечения высокой температуры и достаточной оптической плотности излучающей плазмы длительность основного разряда необходимо сократить до 100 200 мкс, сохранив при этом величину накопленной в конденсаторе энергии, что диктует необходимость уменьшения индуктивности разрядного контура. Это противоречие удалось преодолеть за счет выполнения импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике и выполнения расчетного соотношения [1]
Действительно, собственная индуктивность вторичной обмотки импульсного трансформатора составляет не более 10 мкГн, при отсутствии ферритового сердечника. Во время поджига, когда в разрядном контуре формируется высоковольтный импульс пробивного напряжения, действующее значение индуктивности вторичной обмотки трансформатора за счет влияния ферритового сердечника увеличивается в μ раз (m относительная магнитная проницаемость феррита). На графике зависимости магнитной проницаемости сердечника от величины напряженности магнитного поля Н (фиг. 3) зона работы во время поджига обозначена "А А" и соответствует небольшим токам (порядка 1 А). Для использованного феррита марки М 2000 МН m ≈ 2000, таким образом, эффективная величина индуктивности разрядного контура при первичном (предварительном) пробое лампы составляет приблизительно 20 мГн, что является вполне достаточным для увеличения длительности импульса поджига до 5 10 мкс и, следовательно, для сокращения потерь при формировании основного разрядного импульса.

Во время основного разряда сила тока в разрядном контуре достигает нескольких кА, что соответствует зоне "Б Б" на графике. Магнитная проницаемость феррита при таких значениях намагниченности падает до m ≈ 1, и эффективное значение индуктивности вторичной обмотки трансформатора приближается к ее минимальному статистическому (т.е. без сердечника) значению. Таким образом, во время основного разряда индуктивность разрядного контура минимальна и обеспечиваются оптимальные условия для формирования оптически плотной высокотемпературной плазмы, интенсивно излучающей в УФ области спектра.

Специально выполненные исследования показали, что условиями насыщения ферритового сердечника импульсного трансформатора (смещение рабочей точки в зону "Б Б") и снижения за счет этого потерь при формировании основного разрядного импульса является определенная взаимосвязь параметров разрядного контура, описываемая соотношением [1]
При этом верхняя граница соотношения [1] определяет уверенное попадание рабочей точки сердечника в зону "Б Б", нижняя граница при реальных значениях индуктивностей подводящих проводников, накопительного конденсатора и монтажа может быть достигнута лишь при снижении напряжения или емкости накопительного конденсатора, что соответствует уменьшению подводимой к лампе энергии и, следовательно, приводит к снижению температуры и оптической плотности плазмы.

Таким образом, выполнение импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике с учетом соотношения [1] обеспечивает нелинейный характер индуктивности такого трансформатора: во время действия предварительного поджигающего импульса и во время основного разряда величина индуктивности разрядного контура имеет существенно разные значения, что позволяет достичь оптимальных сочетаний параметров на той и на другой стадии работы.

Кроме того, использование высоковольтного источника тока в блоке питания и управления позволило обеспечить неизменность зарядного тока и тем самым уменьшить потери энергии при заряде накопительного конденсатора и увеличить надежность работы электрических элементов установки.

Таким образом, отличительные признаки предложенной установки обуславливают сокращение потерь энергии на всех циклах работы установки: при заряде накопительного конденсатора, при формировании основного разрядного импульса и при формировании высокотемпературной, эффективно излучающей в УФ области спектра, плазмы. При этом каждый из факторов сокращения потерь приводит к увеличению доли энергии, вкладываемой в плазму, однако, раздельное использование каждого из них не обеспечивает решение поставленной задачи, т.к. важно не просто увеличение энерговклада в плазму, а лишь такое, которое обеспечивает возрастание излучаемой доли УФ непрерывного спектра высокой интенсивности. Это обстоятельство, а также нелинейная зависимость оптической плотности в УФ области от параметров плазмы, показывают, что в данном случае имеет место синергетический (сверхсуммарный) эффект при одновременном использовании всей заявленной совокупности признаков.

Экспериментальные исследования, выполненные на лабораторном образце устройства, показывают, что эффективность преобразования исходной электрической энергии в полезное УФ излучение в интервале длин волн от 200 до 400 нм по сравнению с устройством-прототипом увеличена в 1.4 раза и составляет 0,56 Вт/см² при частоте повторения импульсов 1 Гц и потребляемой электрической мощности 100 Вт. При этом устройство выполнено в переносном варианте и имеет незначительные габариты 80х400х300 мм.

Одновременно с повышением эффективности достигнуто и повышение надежности установки, которое проявляется в исключении пропусков импульсов излучения и в стабильности их параметров.

Устройство предназначено для лечения и профилактики дерматологических заболеваний и ожоговых ран. Устройство содержит импульсную газоразрядную лампу, светофильтр и блок питания и управления, включающий генератор импульсов поджига и накопительный конденсатор, соединенный с импульсной газоразрядной лампой через импульсный трансформатор с образованием разрядного контура. В блок питания и управления введен высоковольтный источник постоянного тока, импульсный трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике, при этом параметры разрядного контура определены следующим соотношением:

где V - напряжение накопительного конденсатора, В; С - емкость накопительного конденсатора, Ф; L₀ - начальная индуктивность разрядного контура, Гн ; d - внутренний диаметр газоразрядной лампы, м; h - расстояние между электродами газоразрядной лампы, м; А = 10⁹ - постоянный коэффициент, Вт/м<M>2<D>. Светофильтр может быть выполнен сменным. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для лечения и профилактики дерматологических заболеваний и ожоговых ран, содержащее импульсную газоразрядную лампу, светофильтр и блок питания и управления, включающий генератор импульсов поджига и накопительный конденсатор, соединенный с импульсной газоразрядной лампой через импульсный трансформатор с образованием разрядного контура, отличающееся тем, что в блок питания и управления введен высоковольтный источник постоянного тока, импульсный трансформатор выполнен на ферритовом сердечнике, при этом параметры разрядного контура определены соотношением

где U напряжение накопительного конденсатора, В;
С емкость накопительного конденсатора, Ф;
L₀ начальная индуктивность разрядного контура, Гн;
d внутренний диаметр газоразрядной лампы, м;
h расстояние между электродами газоразрядной лампы, м;
А 10⁹ постоянный коэффициент, Вт/м². 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что светофильтр выполнен сменным.