DE102013000489A1

DE102013000489A1 - Heizschlauch für Insufflation

Info

Publication number: DE102013000489A1
Application number: DE102013000489.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Körner; Frank Ebeling; Yves Köth; Andreas Lutz
Original assignee: WOM World of Medicine GmbH
Current assignee: WOM World of Medicine GmbH
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-17
Also published as: WO2014111084A1; EP2804648A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heizschlauch zur Verwendung beispielsweise an Insufflationsgeräten, welches das insufflierte Gas auf Körpertemperatur erwärmt und ein Verfahren zur Messung der Temperatur unter Verwendung des Heizdrahtes. Der erfindungsgemäße Heizschlauch kann ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizschlauch beispielsweise zur Verwendung an Insufflationsgeräten, welches das insufflierte Gas auf Körpertemperatur erwärmt und ein Verfahren zur Messung der Temperatur unter Verwendung des Heizdrahtes. Der erfindungsgemäße Heizschlauch kann ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler betrieben werden.
Hintergrund und Aufgabe der Erfindung
Bei medizinischen Untersuchungen oder Eingriffen im Bereich des Abdomens, insbesondere bei der Laparoskopie und Pelviskopie werden häufig Insufflationsgeräte eingesetzt, die ein Gas wie zum Beispiel Stickstoff, CO₂ oder N₂O in die entsprechende Körperhöhle einbringen (insufflieren). Durch den in der Körperhöhle erzeugten leichten Überdruck kann der jeweilige Mediziner den insufflierten Bereich endoskopisch untersuchen oder behandeln. Es hat sich bereits seit einiger Zeit gezeigt, dass das eingetragene Gas möglichst Körpertemperatur aufweisen sollte: Eine zu niedrige Temperatur des eingetragenen Gases führt zu unspezifischen Beschwerden, während eine zu hohe Gastemperatur zu Verbrennungen führt. Vor diesem Hintergrund sind bereits seit einiger Zeit Methoden entwickelt worden, um das insufflierte Gas auf annähernd Körpertemperatur zu erwärmen. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10152513 A1 schlägt zu diesem Zwecke beispielsweise vor, den Insufflationsschlauch äußerlich zu erwärmen. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 19510710 schlägt beispielsweise vor, das Gas in einer gesonderten Kammer mittels eines Heizelementes vorzuheizen. Eine weitere Möglichkeit wird in der EP 564953 A1 beschrieben, nämlich den Schlauch mit einem Heizdraht zu versehen, der das Insufflationsgas durch eine elektrische Widerstandsheizung erwärmt.
Aufgabe der Erfindung
Alle diese Lösungen haben gemeinsam, dass ein separater Temperaturfühler benötigt wird, der sicherstellen soll, dass die nötige Temperatur korrekt eingestellt ist. Dieser Temperaturfühler wird regelmäßig körpernah positioniert. Es hat sich nun herausgestellt, dass dieser zusätzliche Sensor produktionstechnisch ungünstig ist, da er unverhältnismäßig hohe Kosten erzeugt. Darüber hinaus weisen derartige Temperatursensoren einen inhärenten Messfehler auf. Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Insufflationseinrichtung anzugeben, die es erlaubt, das in die insufflierte Körperhöhle geleitete Gas auf annähernd Körpertemperatur vorzuheizen, ohne dass es eines speziellen Temperaturfühlers bedarf.
Lösung der Aufgabe und Grundzüge der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand der Patentansprüche, d. h. einen Heizschlauch mit einem integrierten Widerstandsdraht dessen Widerstand temperaturabhängig ist und der daher – mittels Widerstandsmessung – gleichzeitig zur Messung der Temperatur geeignet ist.
Die Erfindung betrifft daher einen Heizschlauch, der als Einweg- oder auch als Mehrwegschlauch konzipiert sein kann, und bei dem der Heizdraht gleichzeitig zur Heizfunktion auch als Temperatursensor fungiert. Die Versorgung des Heizdrahtes wird elektronisch gesteuert, wobei diese Steuerung rein elektronisch, aber auch computergesteuert unter Verwendung einer speziellen Software erfolgen kann. Der Heizdraht wird dabei durch den durchfließenden Heizstrom aufgeheizt. Die Widerstandsmessung kann sowohl während der Heizphase als auch außerhalb der Heizphase durchgeführt werden.
Der Heizdraht kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durch einen Stromfluß geheizt werden. Auch die indirekte Messung der Temperatur, durch Messung des Widerstandes kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Bei der diskontinuierlichen Messung wird typischerweise der Heizstrom unterbrochen, um die Widerstandsmessung vorzunehmen.
Wird ein Widerstand gemessen, welcher einer Temperatur unterhalb der Zieltemperatur entspricht, wird die Heizleistung erhöht. Dazu kann beispielsweise die Heizspannung erhöht werden. Falls die Heizung diskontinuierlich über eine fest eingestellte Spannung periodisch erfolgt, muss die Periodenlänge verändert werden. Im Fall der Messung eines Widerstandes, der einer zu hohen Temperatur entspricht wird die Heizspannung erniedrigt oder die Periodenlänge verkürzt. Die verschiedenen, prinzipiell bekannten Methoden zur Messung des Widerstandes und Regelung der Heizleistung können auch miteinander kombiniert werden. In besonderen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Warnsignal ausgegeben, falls die Temperatur auf einen Wert steigt, der zu medizinischen Komplikationen führen könnte.
Üblicherweise wird zur Erwärmung ein Heizdraht in dem Insufflationsschlauch angebracht. Der Draht kann lose innerhalb des Schlauches eingelegt sein, er kann aber auch an ein oder mehreren Punkten an der Schlauchwand befestigt sein. Zur Erhöhung der Heizleistung kann der Heizdraht innerhalb des Schlauches gewendelt werden. Die damit entstehende Verlängerung des Heizdrahtes führt zur Erhöhung der Oberfläche und damit zu einer Steigerung der Heizleistung.
Alternativ kann er beispielsweise in die Schlauchwand eingegossen sein.
Der Schlauch kann aus jedem Material bestehen, welches im medizinischen Bereich üblicherweise Verwendung findet, beispielsweise PVC, TPU, PUR oder Silikon. In diesem Bereich übliche Schlauchdurchmesser betragen 6–14 mm.
Wird der Heizdraht direkt in die Schlauchwand eingebracht, steht dabei deutlich mehr heizende Oberfläche zur Verfügung als wenn nur ein Draht lose in den Schlauch gelegt wird.
Bei ausreichend großer Heizoberfläche soll der Heizdraht dabei oberflächlich die Zieltemperatur des zu insufflierenden CO₂ Gases, nämlich 37°C annehmen. Bei kleinerer Heizoberfläche (z. B. bei einem Draht, der nur lose in dem Schlauch liegt) muss die Zieltemperatur des Heizdrahtes über der Zieltemperatur des Gases liegen.
Sofern die beheizte Oberfläche im Schlauch groß genug ist, können auch Volumenströme von bis zu 50 l/min auf 37°C geheizt werden.
Die Widerstandsänderung bei Temperaturänderung des Heizdrahtes wird physikalisch über den Temperaturkoeffizienten definiert. Wünschenswert für den Heizdraht wäre ein Material, bei dem der Widerstand zwischen 0°C und 100°C linear mit der Temperatur steigt, wobei die Steigung ausreichend messbar ist. Wenn der Temperaturkoeffizient des Materials nicht linear verläuft, wird die Auswertung aufwendiger, ist aber dennoch realisierbar.
Hierzu wäre ein Temperaturkoeffizient im genannten Temperaturbereich von 0,1 Ohm/K wünschenswert. Derartige Materialien sind beispielsweise Eisen, Nickel oder Legierungen hiervon. Derartige Produkte können auf dem Markt beschafft werden und benötigen an dieser Stelle keiner weiteren Definition. Typische Heizdrähte für den erfindungsgemäßen Einsatz haben einen Widerstand von 2–10 Ohm/m und weisen einen Durchmesser von 0,5–2 mm, auf. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Zusammensetzung des Drahtes und dessen Durchmesser über die gesamte Länge möglichst konstant sein müssen. Ein derartiger Heizdraht von z. B. 6 m Länge mit einem Widerstand von 3 Ohm/m kann in einen 3 m langen Schlauch integriert werden. Ist die Leistung des Drahtes pro Meter höher oder niedriger (wegen eines abweichenden Widerstandswertes), kann über eine Änderung der Drahtlänge die benötigte Heizleistung variiert werden.
In der Praxis zeigt sich häufig, dass der Zusammenhang zwischen der tatsächlichen Temperatur des Gases, der Heizleistung, dem aktuellen Widerstand und des Temperaturkoeffizienten komplexer ist, als theoretisch angenommen. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: Nichtlinearitäten des Temperaturkoeffizienten des Heizdrahtes können eine Rolle spielen, aber auch Produktionsfehler, wie beispielsweise Sollabweichungen des Drahtdurchmessers oder Sollabweichungen der Schlauchdicke (größere oder kleinere Wanddicken über einem in der Schlauchwand vergossenen Draht). Für diese Fälle wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine besondere Lösung entwickelt: Hierzu werden die entsprechenden Daten für jeden individuellen Schlauch im Rahmen der Produktion bestimmt und für die Anwendung nutzbar gemacht. So kann beispielsweise der Temperaturkoeffizient eines individuellen Heizdrahtes über einen bestimmten Temperaturbereich gemessen werden. Die Messwerte können in Form einer Kalibrierkurve gespeichert werden. Der individuelle Schlauch kann mit einem Datenträger versehen werden, der die Daten (beispielsweise die Kalibrierkurve) enthält. Ein solcher Datenträger kann beispielsweise durch einen Flash-Speicher, ein E-PROM oder ein EE-PROM) gebildet sein. Alternativ kann auch ein Magnetband oder ein RFID-Label die Daten enthalten. Möglich sind auch Lösungen, bei denen die Daten optisch hinterlegt werden, beispielweise ein Barcode. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Schlauch (beispielsweise per Barcode) nur einen Internet-Link enthält und das medizinische Gerät über diesen Link die Kennwerte über das Internet erhält. Bevorzugt ist der Datenträger fest am Schlauch befestigt oder sogar in den Schlauch (oder die Schlauchanschlüsse) eingegossen. Letzteres erlaubt eine Konstruktion, die sicherstellt, dass nur entsprechend gekennzeichnete Schläuche verwendet werden können. Bevorzugt erfolgt die Datenübertragung vom Datenträger ohne elektrische Kontakte, z. B. per Datenübertragung in Form eines Transponders, per optischer Barcode-Erkennung oder per magnetischer Auslesung des Magnetbandes.
Die geschilderte Ausführungsform hat natürlich den Vorteil, dass der Datenträger auch weitere Daten enthalten kann, wie beispielsweise ein Ablaufdatum.
Erfindungsgemäße Heizschläuche können neben der Laparoskopie auch in anderen medizinischen Gebieten verwendet werden, beispielsweise bei der Beatmung von Patienten mit sauerstoffhaltigen Gasgemischen, aber auch in der Heizung von Flüssigkeiten (z. B. Salzlösungen).
Beispiele
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher illustriert, ohne dass diese beschränkenden Charakter haben. Der Fachmann auf dem Gebiet kann alternative und/oder ergänzende Ausführungsformen ohne erfinderisch tätig werden zu müssen.
Beispiel 1
Ein 3 m langer Insufflationsschlauch aus PVC wird mit einem Heizdraht von 6 m Länge und einem Widerstand von 3 Ohm/m ausgestattet. Der Heizdraht besteht aus Eisen-Nickellegierung.
Zu Beginn der Insufflation wird der Heizdraht mit einem Strom von ~1,3 A (abhängig vom Heizschlauchdesign) bei einer gepulsten Spannung von 24 V versorgt, so dass eine maximale Heizleistung von ~31 W eintritt.
Jeweils nach 2 Sekunden Heizphase erfolgt ein Messintervall von 60 ms. Während des Messintervalls wird die Leistung (Spannung) erheblich reduziert. Damit steigt die Messgenauigkeit deutlich.
Bei Überschreiten der Temperatur an die Zieltemperatur werden die Heizzyklen verkürzt, z. B. auf 0,5–1,5 Sekunden.
Mit einem derartigen Schlauch kann ein Insufflationsgas (z. B. CO₂) bei einem Volumenstrom von bis zu 50 l/min problemlos von Raumtemperatur auf ca. 37°C temperiert werden.
Vorteile
Der erfindungsgemäße Heizschlauch kann ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler betrieben werden, was die Herstellungskosten pro Schlauchset reduziert.
Beispiel 2
Ein 3 m langer Insufflationsschlauch aus Silkon wird mit einem Heizdraht von 64 m Länge und einem Widerstand von 3 Ohm/m ausgestattet. Der Heizdraht besteht aus Eisen-Nickellegierung und ist in die Schlauchwand eingegossen. Der Heizdraht ist auf der Schlauchinnenseite mit einer Schicht von ca. 0,15 mm Silikon überdeckt.
Die Kennwerte des Heizschlauchs (Temperaturkoeffizient im Bereich von 0–100°C sowie die Abhängigkeit der Gastemperatur am Schlauchausgang von Heizleistung und Gasvolumenstrom) werden im Rahmen der Produktion gemessen und auf einen Flash-Speicher geschrieben, der am maschinenseitigen Schlauchanschluss positioniert ist. Bei Anschluss des Schlauches an das Insufflationsgerät werden die Daten an das Gerät übertragen.
Zu Beginn der Insufflation wird der Heizdraht mit einem Strom von ~1,3 A (abhängig vom Heizschlauchdesign) bei einer gepulsten Spannung von 24 V versorgt, so dass eine maximale Heizleistung von ~31 Watt eintritt.
Jeweils nach 2 Sekunden Heizphase erfolgt ein Messintervall von 60 ms. Während des Messintervalls wird die Leistung (Spannung) erheblich reduziert. Damit steigt die Messgenauigkeit deutlich.
Bei Überschreiten der Temperatur an die Zieltemperatur werden die Heizzyklen verkürzt, z. B. auf 0,5–1,25 Sekunden.
Mit einem derartigen Schlauch kann ein Insufflationsgas (z. B. CO₂) bei einem Volumenstrom von bis zu 50 l/min problemlos von Raumtemperatur auf ca. 37°C temperiert werden. Durch die Berücksichtigung der Kenndaten des Schlauches kann die Temperatur bei konstantem Volumenstrom auf ±0,5°C genau gehalten werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10152513 A1 [0002]
DE 19510710 [0002]
EP 564953 A1 [0002]

Claims

Heizschlauch zur Verwendung in der Medizintechnik, gekennzeichnet durch einen enthaltenen Heizdraht, welcher durchströmendes Gas oder Flüssigkeit durch Widerstandsheizung aufheizt und eine Temperaturmessung durch Widerstandsmessung gestattet.
Heizschlauch gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den einzelnen Schlauch mindestens ein Kalibrierdatum hinterlegt ist, der den genauen Widerstand des Heizdrahtes bei einer Temperatur angibt.
Heizschlauch gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den einzelnen Schlauch mindestens ein Satz Kalibrierdaten hinterlegt ist, der den genauen Widerstand des Heizdrahtes bei verschiedenen Temperaturen angibt.
Heizschlauch gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Kalibrierwert hinterlegt ist, der den Materialtemperaturkoeffizienten des Heizdrahtes darstellt.
Heizschlauch gemäß mindestens eines der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass Kalibrierdaten auf einem Datenträger abgelegt sind, welcher am Schlauch angebracht ist.
Heizschlauch gemäß in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenträger ein EEPROM, ein EPROM, ein Flashspeicher, ein Magnetband oder ein Barcode ist.
Heizschlauch gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung vom Datenträger zum Insufflationsgerät kontaktlos erfolgt.
Heizschlauch gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung vom Datenträger über einen Transponder oder per optischer Barcode-Erkennung erfolgt.
Verfahren zur Heizung von strömenden Gasen oder Flüssigkeiten in der Medizintechnik mittels eines Heizschlauches mit integriertem Heizdraht, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des Heizdrahtes kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen und zur Bestimmung der Temperatur herangezogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch periodischen Wechsel von Heiz- und Temperaturmessphase wobei in der Heizphase für einem Zeitraum von 0,5–2 s durch Anlegen eines Stroms von 6–24 V und 0,1–3 A eine Heizleistung von 5–75 W erzeugt wird und in der Messphase für einen Zeitraum von 10–100 ms die Heizung unterbrochen und der Widerstand des Heizdrahtes gemessen wird, wobei der Widerstand des Drahtes als Maß für die Temperatur herangezogen wird, wobei bei Unterschreiten der Zieltemperatur die nächste Heizphase verlängert oder bei Überschreiten der Zieltemperatur die nächste Heizphase verkürzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten der Zieltemperatur die Heizspannung erhöht oder bei Überschreiten der Zieltemperatur die Heizspannung erniedrigt wird.