КРИОХИРУРГИЧЕСКИЙ АППАРАТ Российский патент 2016 года по МПК A61B18/02 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано не только в хирургии для деструкции патологических тканей с помощью криоаппликаторов, охлаждаемых жидким азотом, кипящим как под избыточным высоким, так и отрицательным атмосферным давлением, но и в криотерапии заболеваний.

Известно много криохирургических аппаратов (КХА) и криохирургических инструментов (КХИ), действующих на общепринятом принципе нагнетания жидкого азота в рабочий наконечник КХИ. Известен, например, один из лучших аналогов КХА в своем классе (SU 1102096 А). Этот аппарат содержит криоинструмент, включающий в себя теплообменник, электронагреватель и датчик температуры, источник хладагента, соединенный с криоинструментом гибкой гидромагистралью, и включающий в себя электромагнитные клапаны жидкого и газообразного хладагента, клапан регулировки давления и датчик давления, терморегулятор, соединенный непосредственно с задатчиком температуры с реле времени через кнопочный переключатель с измерителем температуры. В этом аппарате поставленная цель регулирования и стабилизации температуры достигается тем, что он снабжен последовательно соединенным компаратором, блоком управления электромагнитными клапанами жидкого и газообразного хладагента и регулятором давления.

Заметим, что этот аппарат особенно полезен в исследовательских задачах практической хирургии, когда регулирование температуры хладагента дает информацию о кинетике процессов замораживания в различных биологических тканях. Однако в криохирургии важнейшим показателем эффективного аппарата является не стабильность задаваемой температуры, а холодопроизводительность процесса замораживания и минимальная температура в наконечнике криоинструмента. По этим показателям аналог превращает нормально-кипящий жидкий азот в хладагент с худшими свойствами, поскольку подъем давления пара в герметичной емкости до разрешенных четырех атмосфер повышает равновесную температуру кипения жидкого азота почти на 14 градусов и одновременно снижает скрытую теплоту испарения на 300 джоулей на моль [1] по сравнению с нормальными условиями кипения жидкого азота. Метод нагнетания хладагента в наконечник криоинструмента, принятый в аналоге, является принципиальным ограничением рабочих характеристик практически всех существующих в мире криохирургических аппаратов. К недостаткам аналога относится также большое время подготовки аппарата к работе. Совершенно иной подход к принципу работы КХА принят в патенте RU 2053719 от 03.02.1992 г. не путем нагнетания жидкого азота в рабочий наконечник криоинструмента, а с помощью откачки пара азота из полой камеры наконечника [2]. Удачным вариантом такого аналога является уже реализованный КХА, выполненный по патенту RU 2483691 от 11.03.2011 г. Этот аппарат включает в свой состав резервуар с жидким азотом, теплоизолированные трубки подвода и отвода хладагента, соединенные с рабочим наконечником, систему откачки, установленную на выходе трубки отвода хладагента и выполненную в виде форвакуумного насоса, и внешнюю систему газообеспечения, отличается тем, что на входе теплоизолированной трубки подвода хладагента установлен обратный клапан, на входе форвакуумного насоса установлен электромагнитный двухходовой клапан с дросселем, а рабочий наконечник выполнен в виде съемного криоинструмента. Этот аналог позволяет достичь высокого качества переохлажденного жидкого азота в рабочем наконечнике КХИ за счет откачки его пара и понижения его температуры почти до тройной точки кипения. Такое исполнение аппарата при его почти максимальной холодопроизводительности и минимальной достижимой температуре позволяет также сократить общее время операции и форсирования режима отогрева рабочего наконечника при сохранении методических возможностей прочих аналогов.

Однако большое объемное увеличение равновесного пара хладагента в наконечнике КХИ приводит к проблеме в миниатюризации КХИ, когда диаметр его дистального конца с рабочим наконечником требуется порядка одного миллиметра. Эта особенность этого аппарата является его техническим недостатком.

Технический недостаток аналога (RU 2483691) можно устранить техническим решением, предложенным в заявке №2013105231 от 08.02.2013, целью которого является расширение технических возможностей криохирургического аппарата путем увеличения давления нагнетаемого в наконечник КХИ жидкого азота и увеличения скорости отогрева криоаппликатора после режима замораживания ткани. Согласно этой заявке криохирургический аппарат включает в себя теплообменник, электронагреватель и датчик температуры, герметичный теплоизолированный резервуар с жидким азотом, соединенный со съемным криоинструментом гибкой теплоизолированной трубкой подвода хладагента, электромагнитные клапаны, блок управления клапанами, датчик и регулятор давления хладагента, отличающийся тем, что криохирургический аппарат дополнительно содержит баллон высокого давления с газообразным гелием, при этом регулятор давления хладагента подключен своим выходом к паровой полости источника с жидким азотом через двухходовой электромагнитный клапан с дренажным выходом в атмосферу, а своим входом к баллону высокого давления с гелием; на входе теплоизолированной трубки подвода хладагента установлен механический обратный клапан для жидкого азота, при этом теплоизолированная трубка подвода хладагента и трубка отвода хладагента из криоинструмента подключены параллельно съемному криоинструменту к дополнительному замкнутому контуру циркуляции газа, состоящему последовательно из теплообменника с электронагревателем, обратного клапана и насос-компрессора, подключенного своим входом к трубке отвода хладагента с дренажным электромагнитным клапаном на ней и через дополнительный электромагнитный клапан и дополнительный редуктор к тому же баллону с гелием.

Устройство, описанное в заявке №2013105231, действительно обеспечивает моментальный подъем давления нагнетания жидкого азота в наконечник КХИ до задаваемой редуктором величины и его форсированный отогрев сжатым гелием. Высокое давление гелия как поршень давит на поверхность жидкого азота в герметичном резервуаре и может продавливать жидкий азот по узким трубкам в КХИ. Это устройство решает частную задачу миниатюризации криохирургического инструмента. Недостатки подобного аппарата заключаются в перегреве жидкого азота в герметичном резервуаре и невозможности выполнить еще два нужных в криохирургии режима заморозки тканей: откачку хладагента из камеры рабочего наконечника или его распыления на открытую ткань. Это устройство выбрано в качестве прототипа для предлагаемого, принципиально более совершенного, криохирургического аппарата.

Задачей ставится расширение технических и методических возможностей КХА путем совмещения в одном аппарате всех возможных циклов и режимов его работы при одновременном увеличении качества используемого жидкого азота.

Поставленная задача решается тем, что криохирургический аппарат, включающий в себя резервуар для жидкого азота, внешнюю систему газообеспечения, состоящую из баллона высокого давления с гелием, редуктора, одного запорного и одного двухходового электромагнитных клапанов, гибкие теплоизолированные трубку подвода жидкого азота с электромагнитным клапаном на ее входе и трубку отвода хладагента, подключенную к форвакуумному насосу через двухходовой электромагнитный клапан, и соединенные со съемным криохирургическим инструментом, на дистальном конце которого находится съемный рабочий наконечник, а также газификатор и теплообменник с нагревателем, отличается тем, что в резервуар для жидкого азота, вставлен дополнительно нетеплоизолированный сосуд, сообщающийся с ванной жидкого азота в резервуаре через электромагнитный клапан на дне этого сосуда, при этом сосуд соединен герметично с теплоизолированной трубкой подвода жидкого азота, а его паровая полость соответственно через двухходовой клапан и редуктор с баллоном высокого давления с гелием, и при этом теплоизолированная трубка подвода жидкого азота дополнительно соединена последовательно через теплообменник с нагревателем, электромагнитный клапан и газификатор с ванной жидкого азота в нетеплоизолированном сосуде.

Принципиальная схема аппарата представлена на фигуре 1, где 1 - резервуар для жидкого азота, 2 - баллон высокого давления с гелием, 3 - газовый редуктор, 4 - двухходовой электромагнитный клапан, 5 - теплоизолированная трубка подвода жидкого азота, 6 - запорный электромагнитный клапан, 7 - трубка отвода хладагента, 8 - форвакуумный насос, 9 - двухходовой электромагнитный клапан, 10 - съемный криохирургический инструмент, 11 - съемный рабочий наконечник, 12 - теплообменник с нагревателем, 13 - электромагнитный клапан, 14 - нетеплоизолированный сосуд, 15 - электромагнитный клапан, 16 - газификатор, 17 - медь-константановая термопара.

Теплоизолированный резервуар 1 как хранилище жидкого азота для периодического заполнения им нетеплоизолированного сосуда 14 всегда открыт в атмосферу, и поэтому температура как в нем, так и в сосуде 14 не может бить изменена. Это две изотермические части всей криогенно-вакуумной системы аппарата, всегда находящиеся строго при температуре нормально-кипящего жидкого азота 77,3 К! Форвакуумный насос 8 не должен давать разрежение ниже, чем давление равновесного пара жидкого азота в тройной точке кипения (Р = 94 мм Hg при Τ = 63,15 К). Теплоизолированная трубка 5 с клапаном 6, опущенным на дно сосуда 14, уплотнена в нем, а сам сосуд также опущен до дна резервуара 1. В дно сосуда 14 вмонтирован нормально-открытый электромагнитный клапан 15. Ванна жидкого азота соединена с газификатором 16 трубкой, опущенной до дна сосуда 14, и также уплотнена в стенке сосуда 14. Эта трубка может быть закрыта или открыта электромагнитным клапаном 13. Газовая полость сосуда 14 соединена герметично также с нормально-закрытым двухходовым клапаном 4 и может быть подключенной либо к газовому редуктору 3, задающему избыточное давление гелия в сосуде 14, либо к дренажному выходу клапана 4 в атмосферу. Таким образом, жидкий азот можно придавить внутри сосуда 14 газом гелия практически до десятка атмосфер без изменения его стартовой температуры!

Работает КХА следующим образом. В стартовом состоянии аппарата при заполнении резервуара 1 жидким азотом и при закрытых клапанах 4, 6 и 13 дренажный выход клапана 4 открыт на атмосферу, и сосуд 14 заполняется жидким азотом самотеком через нормально-открытый клапан 15 полностью. В этом же состоянии на редукторе 3 должно быть установлено рекомендованное давление нагнетания гелия. В стартовом (и дежурном) состоянии аппарата также включена температурная стабилизация теплообменника с нагревателем 12. Управление работой КХА осуществляется по задаваемому хирургом режиму с помощью компьютера PC и медь-константановой термопары 17, размещаемой в трубке отвода хладагента, отработавшего в наконечнике 11. Из стартового состояния КХА можно моментально (!) перевести в действие в один из пяти возможных режимов работы: 1 - откачка пара хладагента из наконечника 11, 2 - нагнетание под большим давлением жидкого азота в наконечник 11, 3 - одновременное совмещение режимов нагнетания и откачки жидкого азота из наконечника 11, 4 - распыление хладагента в режиме нагнетания через форсунку, установленную на место наконечника 11, 5 - принудительный и контролируемый отогрев КХИ 10 и его наконечника 11 после окончания замораживания тканей в одном из первых трех вариантов.

В первом режиме компьютер PC закрывает дренажный выход клапана 9, открывает клапан 6 и включает насос 8. Равновесное давление пара в наконечнике сильно понижается, и температура в нем может опуститься почти до - 210°С. По окончании заданной экспозиции компьютер выключит насос 8, откроет дренажный выход клапана 9 и закроет клапан 6. Длительность работы КХА в этом режиме определяется полным временем исчерпания всего запаса жидкого азота из резервуара 1, а не из сосуда 16, поскольку клапан 15 изначально постоянно открыт.

Во втором режиме PC закрывает клапан 15, герметизируя сосуд 14, и закрывает дренажный выход клапана 4 на атмосферу, открывая подачу гелия в газовую полость сосуда 14 под задаваемым редуктором 3 давлением. Жидкий азот оказывается под постоянным давлением газового "поршня", но его температура остается неизменной, поскольку все тепло, вносимое поступающим гелием немедленно компенсируется скрытой теплотой испарения азота из резервуара 1. Остается только открыть клапан 6, чтобы вызвать интенсивную подачу жидкого азота по теплоизолированной трубке подачи 5 в наконечник 11 криохирургического инструмента 10 для его мощного охлаждения с последующим выбросом пара азота через открытый дренажный выход клапана 9 в атмосферу. В этом режиме длительность экспозиции замораживания не может превышать времени исчерпания жидкого азота, но уже только из закрытого сосуда 14. Повторное заполнение сосуда 14 осуществляется автоматически после открытия дренажного выхода клапана 4, сброса гелия в атмосферу и открытия клапана 15. Стартовое состояние этого же режима нагнетания можно превратить в режим распыления 4. Для чего достаточно заменить наконечник 11 на сопло и вести непрерывную или прерывистую подачу жидкого азота в криохирургический инструмент электромагнитным клапаном 6.

Предложенный аппарат дает уникальную возможность совместить два режима подачи жидкого азота: НАГНЕТАНИЯ и ОТКАЧКИ в одном процессе замораживания пораженных тканей. Осуществляется этот процесс из стартового состояния для режима нагнетания путем простого включения форвакуумного насоса 8 в качестве дополнительной ступени расширения хладагента при закрытом дренажном выходе клапана 9. В этом совмещенном режиме работы криохирургического аппарата достигаются как его предельно возможная холодопроизводительность, так и предельная минимальная температура используемого жидкого азота.

Отогрев рабочего наконечника 11 до положительной температуры для быстрого его отъема от замороженной ткани производится со стартового состояния режима нагнетания, в котором сосуд 14 еще частично или полностью заполнен жидким азотом и находится под давлением гелия. Как было ранее изложено, теплоизолированная трубка подачи жидкого азота дополнительно соединена последовательно через теплообменник с нагревателем 12, нормально-закрытый клапан 13 и газификатор 16 с ванной жидкого азота в сосуде 14. При открытом клапане 13 жидкий азот поступает в газификатор 16, испаряется, и газ азота нагревается в нем почти до температуры замерзания воды. Далее газ нагревается в теплообменнике с нагревателем, поддерживающем стабильную температуру ниже точки кипения воды (например, около 90°С), и поступает в трубку подачи жидкого азота 5, закрытую только снизу в сосуде 14 клапаном 6. Горячий газ азота быстро отогревает КХИ и его наконечник 11 с прилегающим к нему слоем ранее замороженной ткани до заданной на компьютере допустимой температуры, непрерывно измеряемой термопарой 17. По ее достижении процесс отогрева немедленно прекращается закрыванием клапана 13.

Далее аппарат может находиться в дежурном состоянии, готовом для запуска повторного режима нагнетания, если еще достаточно жидкого азота в сосуде 14, либо в исходном состоянии с открытыми дренажными выходами клапанов и заполненным сосудом 14. Мониторирование полного температурного процесса криохирургической операции ведется ежесекундно для протокола.

Предложенная конструкция криохирургического аппарата позволяет осуществить в нем любой способ подачи (нагнетание, откачка) жидкого азота в рабочий наконечник любого типа (закрытый аппликатор, открытый колпачок-присоска, форсунка-распылитель), использовать в нем жидкий азот заведомо высшего качества с минимальной температурой равновесного кипения от -210°С и начальной теплотой испарения не ниже 160 Дж/см³, поднять давление нагнетания жидкого азота почти до 0,9 МПа для работы криохирургических инструментов с каналами подачи жидкого азота диаметром от 0,2 мм, выполнять любые пространственные манипуляции криохирургическим инструментом при проведении операций на любых патологических тканях любых пораженных органов.

Литература

1. В.А. Григорьев, Ю.М. Павлов, Е.В. Аметистов. Кипение криогенных жидкостей, М., Энергия, 1977, с. 261.

2. V.N. Pavlov, Development of perspective cryogenic surgery apparatus, Cryogenics 40 (2000) 361-363.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам для криодеструкции патологических новообразований и физиотерапии заболеваний. Криохирургический аппарат содержит резервуар для жидкого азота, внешнюю систему газообеспечения, состоящую из баллона высокого давления с гелием, редуктора, одного запорного и одного двухходового электромагнитных клапанов, гибкие теплоизолированные трубку подвода жидкого азота с электромагнитным клапаном на входе и трубку отвода хладагента, подключенную к форвакуумному насосу через двухходовой электромагнитный клапан. Трубки соединены со съемным криоинструментом, на дистальном конце которого находится съемный рабочий наконечник. Также аппарат содержит газификатор и теплообменник с нагревателем. В резервуар для жидкого азота вставлен нетеплоизолированный сосуд, на дне которого электромагнитный клапан. При этом сосуд герметично соединен с трубкой подвода жидкого азота, а его паровая полость соответственно через двухходовой клапан и редуктор с баллоном высокого давления с гелием, и при этом трубка подвода жидкого азота соединена через теплообменник с нагревателем, электромагнитный клапан и газификатор с ванной жидкого азота в нетеплоизолированном сосуде. Использование изобретения позволяет расширить технические и методические возможности криохирургического аппарата, что позволяет расширить арсенал для средств криохирургии. 1 ил.

Криохирургический аппарат, включающий в себя резервуар для жидкого азота, внешнюю систему газообеспечения, состоящую из баллона высокого давления с гелием, редуктора, одного запорного и одного двухходового электромагнитных клапанов, гибкие теплоизолированные трубку подвода жидкого азота с электромагнитным клапаном на ее входе и трубку отвода хладагента, подключенную к форвакуумному насосу через двухходовой электромагнитный клапан, и соединенные со съемным криоинструментом, на дистальном конце которого находится съемный рабочий наконечник, а также газификатор и теплообменник с нагревателем, отличающийся тем, что в резервуар для жидкого азота вставлен дополнительно нетеплоизолированный сосуд, сообщающийся с ванной жидкого азота в резервуаре через электромагнитный клапан на дне этого сосуда, при этом сосуд соединен герметично с теплоизолированной трубкой подвода жидкого азота, а его паровая полость соответственно через двухходовой клапан и редуктор с баллоном высокого давления с гелием, и при этом теплоизолированная трубка подвода жидкого азота дополнительно и последовательно соединена через теплообменник с нагревателем, электромагнитный клапан и газификатор с ванной жидкого азота в нетеплоизолированном сосуде.