КРИОХИРУРГИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК A61B18/02 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для криовоздействия на биоткани, и может быть использовано при криооперациях.

Известно устройство для криохирургии, содержащее нагреватель и средство подачи хладагента, соединенное с криоинструментом, компаратор, на первый вход которого подается сигнал, пропорциональный текущей температуре криоинструмента, второй вход связан с выходом задатчиков температуры, скорости охлаждения и времени экспозиции, а выход подключен ко входу регулирующего органа (блока срабатывания), реализующего релейный закон регулирования, по командам которого попеременно (противофазно) включаются либо средство подачи хладагента, либо нагреватель [SU 660672 A, 1979).

Недостатком известного криоаппарата является низкая точность регулирования температуры рабочей поверхности криоинструмента, обусловленная использованием компаратора, определяющего только знак рассогласования между заданной и текущей температурой, и регулирующего органа, реализующего релейный закон регулирования.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является криохирургический аппарат (US 4946460 A, 1990), содержащий криоинструмент, включающий в себя адаптер, нагреватель, датчик температуры; источник хладагента, соединенный гидромагистралью с криоинструментом; электромагнитный клапан, регулирующий подачу хладагента к адаптеру; блок управления режимами криовоздействия, который управляет работой клапана и нагревателя с помощью соответствующих ПИ-регуляторов. Нагреватель в криоинструменте расположен на входе канала обратного потока хладагента из адаптера.

Известный криоаппарат работает следующим образом. В режиме охлаждения хладагент подается через клапан по гидромагистрали к адаптеру криоинструмента. Сигнал с датчика температуры криоинструмента усиливается, преобразуется в цифровую форму и поступает на один из входов компаратора, на другой вход которого поступает сигнал, соответствующий текущему значению температуры (например, заданной кривой охлаждения или температуре криовоздействия). Компаратор вырабатывает сигнал, пропорциональный величине и знаку рассогласования и поступающий на входы ПИ-регуляторов. В конечном итоге на электромагнитный клапан приходит управляющий импульсный сигнал, ширина импульса которого является результатом ПИ-алгоритма преобразования сигнала рассогласования. Управляющий сигнал с ПИ-регулятора управления нагревателем осуществляет его периодическое включение и отключение. Таким образом, управление температурой крионаконечника обеспечивается совместной работой двух каналов.

Как известно, в криохирургии нашли применение два типа криоинструментов, отличающиеся способами нагрева теплообменников.

Первый тип криоинструментов характеризуется расположением нагревателя в канале подачи хладагента, при этом происходит косвенный (конвективный) нагрев теплообменника парами хладоносителя, нагреваемого в подводящем канале. Такой способ нагрева получил название "калориферного" и предполагает прохождение порции хладоносителя по подводящему каналу в момент подачи импульса мощности на нагреватель. Второй тип криоинструментов отличается тем, что нагреватель располагается в самом теплообменнике, осуществляя тем самым его прямой, непосредственный нагрев. Достоинством первого способа является возможность использования криоинструмента с набором сменных адаптеров-теплообменников, обеспечивающих оперативный подбор теплообменников требуемой формы для проведения криоопераций на образованиях различной формы и размеров. К недостаткам можно отнести больший расход хладагента, из-за необходимости подачи порций хладагента для эффективной работы нагревателя, и повышенную инерционность в процессе регулирования температуры, обусловленную меньшим коэффициентом теплоотдачи конвективного теплообмена по сравнению с прямым, непосредственным нагревом. Среди достоинств второго способа - невысокая энергоемкость и малая инерционность нагрева, а недостаток - практически исключается использование сменных адаптеров, вызванное сложностью обеспечения надежного электрического контакта с нагревательным элементом, расположенным в сменном адаптере.

Недостатки известного криоаппарата заключаются в следующем.

В известном криоаппарате не может быть реализован "калориферный" нагрев по двум причинам: во-первых - отсутствует необходимая синхронизация в управлении клапаном и нагревателем; во-вторых,невозможно обеспечить требуемый режим работы нагревателя и нагрев теплообменника в случае, если не формируются импульсы управления клапаном, другими словами, поток хладоносителя через нагреватель отсутствует, что также может привести к выходу из строя нагревателя.

Кроме того, использование в известном криоаппарате ПИ-регулятора для управления нагревателем не обеспечивает высокой точности поддержания температуры, поэтому требуется более сложный закон регулирования, нежели пропорционально-интегральный.

Задача, решаемая изобретением - расширение функциональных возможностей криохирургического аппарата и повышение точности регулирования и поддержания температуры теплообменника криоинструмента.

Указанная задача решается тем, что криохирургический аппарат, содержащий криоинструмент, включающий теплообменник, электронагреватель и датчик температуры, и соединенный криотрубопроводом с устройством дозированной подачи хладагента от источника хладагента и блок управления режимами криовоздействия, содержит блок управления режимами криовоздействия, состоящий из усилителя, вход которого соединен с датчиком температуры, а выход - с первым входом устройства формирования сигнала рассогласования, ко второму входу которого подключен выход устройства задания температурного режима, а к выходу - вход пропорционально-интегрального регулятора, связанный выходом с первым входом первого формирователя управляющего сигнала, и первый вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, второй вход которого соединен с выходом задатчика коэффициента передачи, а выход - с первым входом второго формирователя управляющего сигнала, синхрогенератора, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго формирователей управляющего сигнала и входу генератора импульсов косвенного нагрева, выход которого соединен со вторым входом логического элемента "И", при этом задатчик типа криоинструмента подсоединен ко входу задатчика коэффициента передачи и первому входу логического элемента "И", третий вход которого, так же как и вход электронагревателя, соединен с выходом второго формирователя управляющего сигнала, а выход подключен к первому входу логического элемента "ИЛИ", соединенного вторым входом с выходом первого формирователя управляющего сигнала и выходом - с устройством дозированной подачи хладагента.

Кроме того, задатчик типа криоинструмента выполнен с возможностью размещения его в криоинструменте.

Сущность заявляемого изобретения заключается в обеспечении синхронизации подачи хладагента и управлении нагревателем и принудительной подачи порций азота для реализации калориферного режима, что позволяет использовать в известном криоаппарате криоинструменты различных типов - с прямым и косвенным нагревом теплообменника.

На чертеже приведена функциональная схема криохирургического аппарата.

Криохирургический аппарат включает источник хладагента 1, например сосуд Дьюара, гибкий криотрубопровод 2, устройство дозированной подачи хладагента 3, криоинструмент 4 с каналами для подвода и отвода хладагента и содержащий теплообменник 5, нагреватель 6, датчик температуры 7, задатчик типа криоинструмента 8 и блок управления режимами криовоздействия 9.

Блок управления режимами криовоздействия 9 содержит нормирующий усилитель 10, вход которого подключен к датчику температуры 7, а выход - к первому входу устройства формирования сигнала рассогласования 11, ко второму входу которого подключен выход устройства задания температурного режима 12; пропорционально-интегральный регулятор 13, соединенный входом с выходом устройства формирования сигнала рассогласования 11, первый формирователь управляющего сигнала 14, первый вход которого соединен с выходом регулятора 13, а выход - с первым входом логического элемента "ИЛИ" 15, выход которого связан с устройством дозированной подачи хладагента 3; пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 16, соединенный первым входом с выходом устройства формирования сигнала рассогласования 11, второй формирователь управляющего сигнала 17, соединенный первым входом с выходом ПИД-регулятора 16, а выходом - с нагревателем 6; генератор синхроимпульсов 18, выход которого подключен ко вторым входам формирователей 14 и 17, и входу генератора импульсов косвенного нагрева 19, логический элемент "И" 20, первый вход которого соединен с выходом задатчика типа криоинструмента 8, второй вход соединен с выходом генератора импульсов косвенного нагрева 19, третий вход с выходом формирователя 17, а выход подключен ко второму входу логического элемента "ИЛИ" 15; задатчик коэффициента передачи 21, вход которого соединен с выходом задатчика типа криоинструмента 8, а выход подключен ко второму входу регулятора 16.

Устройство задания температурного режима 12 содержит задатчики скорости охлаждения, температуры криовоздействия, скорости отогрева, таймер и схему управления.

Устройство дозированной подачи хладагента 3 может быть выполнено, например, в виде электромагнитного или пневматического клапана с импульсным управлением и размещено в источнике хладагента 1.

Работа криохирургического аппарата включает три этапа: охлаждение, стабилизация постоянной температуры, отогрев.

Перед проведением процесса криовоздействия на задатчике 8 устанавливается тип используемого криоинструмента (с прямым или косвенным нагревом теплообменника), на задатчиках скорости охлаждения и отогрева, рабочей температуры теплообменника и таймере устройства 12 - требуемые параметры криовоздействия.

Подача хладагента к теплообменнику 5 осуществляется устройством дозированной подачи 3, работающим в импульсном режиме.

Управление режимами криовоздействия (законом изменения температуры теплообменника 5) происходит следующим образом.

На этапах криодеструкции контроль температуры теплообменника 5 осуществляется по сигналу датчика температуры 7, который усиливается нормирующим усилителем 10 и приходит на первый вход устройства формирования сигнала рассогласования 11, в котором сравнивается с сигналом, поступающим с выхода устройства задания температурного режима 12 и соответствующим заданному значению температуры. Сигнал ΔТ, пропорциональный разности текущей и заданной температуры, с выхода устройства 11 поступает на входы регуляторов 13 и 16.

В соответствии с применяемым криоинструментом на выходе задатчика 8 формируется сигнал: логической "1", если используется криоинструмент с косвенным нагревом теплообменника, или логический "0", если используется криоинструмент с прямым нагревом теплообменника, который определяет задатчику 21 необходимые коэффициенты передачи звеньев ПИД-регулятора, и одновременно поступая на первый вход элемента "И" 20, разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 19. На второй вход элемента 20 подается импульсный сигнал малой длительности с выхода генератора импульсов косвенного нагрева 19, запускаемого выходным сигналом синхрогенератора 18. Выходной сигнал ПИ-регулятора 13 поступает на первый вход формирователя 14, который вырабатывает на выходе последовательность импульсов с широтно-импульсной модуляцией, при этом длительность импульса определяется ПИ-алгоритмом преобразования сигнала рассогласования по температуре Δ Т. С выхода формирователя 14 через логический элемент "ИЛИ" 15 управляющий сигнал поступает на устройство дозированной подачи хладагента 3, регулируя время его срабатывания и соответственно порцию хладагента, подаваемую на теплообменник 5.

При использовании криоинструмента с косвенным нагревом необходимо выполнить следующие условия: во-первых, обеспечить поступление импульсов хладагента на нагреватель для эффективной работы последнего в ситуациях, когда импульсы с выхода формирователя 14 отсутствуют; во-вторых, синхронизировать подачу импульсов хладагента и мощности на нагреватель. Функции синхронизации реализует синхрогенератор 18, сигнал с которого поступает на формирователи 14, 17 и генератор импульсов косвенного нагрева 19. Последний предназначен для формирования импульсов, которые и обеспечивают поступление минимальных порций хладагента для эффективной работы нагревателя. Элемент "И" 20 выполняет функции логического ключа, разрешающего прохождение импульсов с генератора 19 только в том случае, если установлен криоинструмент с косвенным нагревом (сигнал логической "1" с выхода задатчика 8) и работает нагреватель (формируются импульсы управления нагревателем). Это обуславливает наличие на входе устройства управления дозированной подачей хладагента 3 управляющих импульсов, а следовательно, и поступление порций хладагента в подводящий канал в моменты работы нагревателя 6, даже в том случае, когда ПИ-регулятор 13 выдает нулевой выходной сигнал и отсутствуют управляющие импульсы с формирователя 14, и одновременно запрещает прохождение импульсов с генератора импульсов косвенного нагрева 19 при отсутствии управляющих сигналов с выхода формирователя 17.

В регуляторе 16 реализован ПИД-закон регулирования для управления работой нагревателя. На его первый вход (сигнальный) поступает сигнал с выхода устройства формирования сигнала рассогласования 10, на второй вход (вход управления) - выходной сигнал с задатчика 21, изменяющего коэффициенты передачи звеньев. В результате на выходе ПИД-регулятора 16 формируется сигнал, управляющий работой формирователя 17, который в свою очередь вырабатывает последовательность импульсов с регулируемой длительностью для управления работой нагревателя 5.

Необходимость использования регулятора с ПИД-законом регулирования объясняется тем, что введение дифференциального звена позволяет компенсировать инерционность регулирования температуры наконечника и уменьшить ошибку в процессе перерегулирования по температуре, и, следовательно, повысить точность поддержания температуры на теплообменнике криоинструмента. Включение в блок управления режимами крио-воздействия задатчика коэффициента передачи звеньев ПИД-регулятора обусловлено различием термодинамических процессов, протекающих при прямом и косвенном нагреве, что в свою очередь требует изменения передаточных характеристик ПИД-регулятора, как элемента системы автоматического регулирования температуры.

При использовании криоинструмента с прямым нагревом теплообменника на выходе задатчика 8 появляется сигнал, определяющий через задатчик 21 соответствующую настройку ПИД-регулятора 16. В данном режиме нет необходимости в поступлении хладоносителя в моменты подачи импульсов мощности на нагреватель, поэтому сигнал логического "0" с выхода задатчика 8 приходит на первый вход элемента "И" 20 и запрещает прохождение на элемент "ИЛИ" 15 импульсов с генератора 19, а следовательно, и на устройство управления дозированной подачей хладагента 3. Далее работа аппарата с использованием криоинструмента с прямым нагревом теплообменника по этапам криовоздействия аналогична работе с криоинструментом косвенного нагрева.

Технико-медицинский результат, который может быть получен при использовании изобретения:
- снижение материальных затрат на приобретение криоаппаратуры для работы с криоинструментами различных типов;
- повышение оперативности криохирургического вмешательства за счет сокращения межоперационных потерь времени при замене криоинструментов;
- усиление корреляции между прогнозируемыми и реальными результатами криовоздействия.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для криовоздействия на биоткани, и может быть использовано при криооперациях. Криохирургический аппарат включает криоинструмент, содержащий теплообменник, датчик температуры и электронагреватель, источник хладагента, устройство дозированной подачи хладагента, задатчик типа криоинструмента и блок управления режимами криовоздействия, состоящий из усилителя, связанного с устройством формирования сигнала рассогласования, которое в свою очередь связано с устройством задания температурного режима и пропорционально-интегральным регулятором. Имеются также синхрогенератор и генератор импульсов косвенного нагрева, подключенные к пропорционально-интегральному регулятору. Изобретение позволяет оперативность криохирургического вмешательства за счет сокращения межоперационных потерь времени при замене криоинструментов и снизить материальные затраты на приобретение криоаппаратуры для работы с криоинструментами различных типов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Криохирургический аппарат, содержащий криоинструмент, включающий теплообменник, электронагреватель и датчик температуры, и соединенный криотрубопроводом с устройством дозированной подачи хладагента от источника хладагента, и блок управления режимами криовоздействия, отличающийся тем, что блок управления режимами криовоздействия состоит из усилителя, вход которого соединен с датчиком температуры, а выход - с первым входом устройства формирования сигнала рассогласования, ко второму входу которого подключен выход устройства задания температурного режима, а к выходу - вход пропорционально-интегрального регулятора, связанный выходом с первым входом первого формирователя управляющего сигнала, и первый вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора, второй вход которого соединен с выходом задатчика коэффициента передачи, а выход - с первым входом второго формирователя управляющего сигнала, синхрогенератора, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго формирователей управляющего сигнала и входу генератора импульсов косвенного нагрева, выход которого соединен со вторым входом логического элемента И, при этом задатчик типа криоинструмента подсоединен ко входу задатчика коэффициента передачи и первому входу логического элемента И, третий вход которого, так же как и вход электронагревателя, соединен с выходом второго формирователя управляющего сигнала, а выход подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, соединенного вторым входом с выходом первого формирователя управляющего сигнала и выходом - с устройством дозированной подачи хладагента. 2. Криохирургический аппарат по п.1, отличающийся тем, что задатчик типа криоинструмента выполнен с возможностью размещения в криоинструменте.