DE1541099C3 - Kältechirurgisches Instrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kaltechirurgisches Instrument, bei welchem ein Gas aufgrund des Joule-Thomson-Effektes beim Durchtritt durch eine Verengung gekühlt wird und bei welchem das Gas über eine Speiseleitung in das Innere einer hohlen Sonde gelangt, welche hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.

Ein kältechirurgisches Instrument dieser Art ist an sich bekannt (Archives of Pathology, May 1948, Seite 565 und 566). Bei diesem bekannten Instrument wird ein geeignetes Gas, z. B. Kohlendioxyd, dem Instrument über eine Versorgungsleitung von einer Gasquelle zugeführt und gelangt über ein Steuerventil in die Speiseleitung des Instrumentes, die einen gleichbleibend verengten Querschnitt aufweist und die sich im Inneren einer verhältnismäßig langen rohrförmigen Sonde erstreckt und im Bereich des vom Steuerventil abgewandten Sondenendes eine Austrittsöffnung für das Gas aufweist. Dieses bekannte kältechirurgische Instrument hat vor allem den Nachteil, daß bei einem für die praktische Anwendung praktikablen Gasverbrauch bzw. -fluß nur eine ungenügende Abkühlung der Arbeitsfläche des Instrumentes bzw. der Sonde auftritt, und daß die für die Anwendung des Instrumentes benötigte starke Kühlung der Arbeitsfläche nur mit hohem Gasverbrauch möglich ist. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, daß bereits in der verhältnismäßig langen Speiseleitung mit gleichbleibend verengtem Querschnitt ein Abfall des Gasdruckes und damit eine Kühlwirkung eintritt, die jedoch für die Kühlung der Arbeitsfläche verlorengeht, da sich das Gas entlang der Speiseleitung wieder erwärmt, bevor es zur Kühlung der Arbeitsfläche des Instrumentes aus der Austrittsöffnung ausströmt.

Weiterhin sind kältechirurgische Instrumente bekannt, bei denen die Arbeitsfläche des Instrumentes durch Verdampfen eines als Kühlmittel dienenden flüssigen Gases erreicht wird. Auch diese Instrumente arbeiten nur sehr unzufriedenstellend, weisen große Abmessungen auf und liefern nicht oder nur bei hohem Gasverbrauch die erforderlichen sehr niedrigen Temperaturen an der Arbeitsfläche. Werden bei derartigen mit »Verdampfungskühlung« arbeitenden Instrumenten flüssige Gase verwendet, die sich auf sehr niedrigen Temperaturen befinden, so muß außerdem für eine gute Wärmeisolierung in der das Instrument mit der Quelle für das flüssige Gas verbindenden Versorgungsleitung gesorgt werden, wodurch sich zusätzliche Probleme ergeben, da die Versorgungsleitung zur bequemen Handhabung des Instrumentes neben einem möglichst kleinen Durchmesser auch hohe Flexibilität aufweisen soll.

Es wurde bereits schon vorgeschlagen, bei einem mit Verdampfungskühlung arbeitenden kältechirurgischen Instrument eine elektrische Heizung vorzusehen. Diese Heizung dient dort ausschließlich zur Wiedererwärmung des Instrumentes, beispielsweise nach der Benutzung, nicht jedoch zur Temperatursteuerung der Arbeitsfläche des Instrumentes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein nach dem Joule-Thomson-Effekt arbeitendes kältechirurgisches Instrument aufzuzeigen, welches bei geringem Gasverbrauch hohe Kühlraten und eine maximale Abkühlung der Arbeitsfläche des Instrumentes gestattet und außerdem eine einwandfreie Regelung der Temperatur dieser Arbeitsfläche ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein kältechirurgisches Instrument der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die Verengung in der Speiseleitung gegenüber der Arbeitsfläche des Instrumentes mündet, und daß zur Temperaturregelung Mittel zum Erwärmen des Gases, z. B. eine elektrische Heizung, vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß zur Vermeidung eines Druckabfalls und damit zur Vermeidung eines Verlustes an Kühlwirkung das Gas über eine Versorgungsleitung sowie Speiseleitung mit verhältnismäßig großem Querschnitt an die Verengung herangeführt werden muß, und daß sich dann bei Anordnung dieser Verengung bzw. deren Mündung in unmittelbarer Nähe der Arbeitsfläche des Instrumentes auch bei geringem Gasverbrauch hohe Kühlraten sowie ein starkes Abkühlen der Arbeitsfläche des Instrumentes erreichen lassen. Durch den an sich vorteilhaften, geringen Gasverbrauch bei dem kältechirurgischen Instrument gemäß der Erfindung ergeben sich jedoch andererseits gewisse Schwierigkeiten, die Temperatur der Arbeitsfläche allein durch Steuerung der Menge des expandierenden Gases auf den vorgegebenen Wert zu halten. Nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung ist es daher notwendig, durch Mittel zum Erwärmen die durch den Joule-Thomson-Effekt erzielbare Kühlwirkung mehr oder weniger aufzuheben bzw. zu kompensieren oder nach dem Austritt aus der Verengung wieder mehr oder weniger zu erwärmen, um auf diese Weise eine richtige Temperatur an der Arbeitsfläche des Instrumentes einzustellen.

Bei dem kältechirurgischen Instrument gemäß der Erfindung eignen sich alle Gase, die beim Austreten unterhalb der kritischen Temperatur durch eine Verengung einen Temperaturabfall aufweisen; besonders geeignet ist jedoch gasförmiges Kohlendioxyd, welches in einer vom Instrument getrennten Versorgungseinheit durch Verdampfen von flüssigem Kohlendioxyd gewonnen wird.

Der Ausdruck »Verengung«, wie er im Zusammen-

hang mit der Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf eine einzelne Verengung, auf einen porösen Abschlußteil bzw. Pfropfen sowie auf eine Vielzahl von Verengungen, die wirkungsmäßig parallel zueinander angeordnet sind. Der Ausdruck »Verengung« bezieht sich grundsätzlich auf alle Konstruktionen, die es ermöglichen, daß bei einer entsprechenden Druckdifferenz im Gas der Joule-Thomson-Effekt auftritt und einen Temperaturabfall an der Arbeitsfläche des Instrumentes erzeugt.

Unter »Speiseleitung« ist bei der Erfindung in erster Linie ein im Instrument angeordnetes Rohr zu verstehen, welches an seinem einen Ende über die vorzugsweise flexible Versorgungsleitung mit der Gasquelle verbunden ist und dessen anderes Ende der Verengung zugeordnet ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert und es zeigt

F i g. 1 im Längsschnitt ein kältechirurgisches Instrument gemäß der Erfindung zur Verwendung bei Netzhautoperationen,

F i g. 2 eine Teilansicht eines Längsschnittes durch eine Abwandlung des Instrumentes gemäß Fig. 1 mit einer geänderten Arbeitsfläche für Staroperationen,

F i g. 3 eine Teildarstellung eines Längsschnittes durch ein Instrument gemäß der Erfindung mit einer geänderten Ausführung der Verengung,

Fig.4 eine Teildarstellung eines Längsschnittes durch ein Instrument gemäß der Erfindung mit geänderter Ausbildung der Speiseleitung.

Das kältechirurgische Instrument gemäß F i g. 1 weist eine äußere Schutzhülse 1 aus Nylon auf, deren Gestalt und Größe mit einem Füllfederhalter verglichen werden kann. Diese Schutzhülse 1 besitzt einen vorderen Endteil 2, der mit der Schutzhülse über eine Schraubverbindung 3 verbunden ist. Wenn die Schutzhülse 1 und der vordere Endteil 2 miteinander fest verschraubt sind, klemmen sie einen Flansch 4A eines schräg nach vorne verlaufenden Ringes 4 ein, der zur Erzeugung einer hohen thermischen Leitfähigkeit aus Silber besteht. Der Ring 4 besitzt eine axiale Bohrung AB mit einem Teil 4C mit verringertem Innendurchmesser am vorderen Ende. An seinem hinteren Ende ist innerhalb der Schutzhülse 1 und des Flansches 4A ein zylindrischer Ansatz 4D vorgesehen.

Die Spitze der Sonde 5 ist genau durch die Bohrung AB passend und nach außen vorstehend ausgebildet und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein gekrümmter, rohrförmigen Körper aus korrosionsbeständigem Stahl, dessen Ende von der Wandung 6 aus Silber abgeschlossen ist. Innerhalb der Bohrung AD ist die Sonde 5 von dem Ring 4 umschlossen und erstreckt sich ein kurzes Stück bis hinter das Ende des Ansatzes AD. Eine rohrförmige Manschette 7 paßt genau in die Bohrung AB und erstreckt sich nach rückwärts, ihre Wandung ist ausgeschnitten und bildet eine öffnung 7 B, welche zwei Aufgaben hat. Einerseits ermöglicht die öffnung 7B ein Abfließen des Gases aus dem Inneren der Sonde 5, andererseits dient die öffnung 7B zum Durchführen der elektrischen Verbindungsleitungen 8Λ für das an der Innenseite der Wandung 6 vorgesehene Thermoelement 8. Das vordere Ende der Manschette 7 weist einen solchen Innendurchmesser auf, daß es um das hintere Ende der Sonde 5 paßt, während das hintere Ende der Manschette 7 eine Bohrung besitzt, durch die eine Speiseleitung 10 hindurchgeführt ist, welche Teil des eigentlichen Instrumentes ist. Die Speiseleitung 10 ist ein Rohr aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Kapillarbohrung, deren Durchmesser beispielsweise 0,06 cm beträgt, und erstreckt sich durch die Bohrung AD bzw. durch die hohle Sonde 5 bis in die Nähe der als Arbeitsfläche dienenden Wandung 6. An diesem Ende weist die Speiseleitung 10 eine Verengung 1OA mit einem Durchmesser von z.B. 0,01 oder 0,015cm auf, welche austretendes Gas auf die Wandung 6 richtet, von der die Verengung 1OA beispielsweise einen Abstand von 0,2 cm aufweist. Diese als Beispiel gegebenen Zahlen gelten etwa, wenn als Gas Kohlendioxyd (CO2) mit einem Druck von etwa 56 000 gm/cm² verwendet wird. An der Stelle, an der die Speiseleitung 10 durch die Bohrung an der Rückseite der Manschette hindurchtritt, ist sie verlötet. Zur Einstellung während des Zusammenbaus wird die Manschette 7 längs der Sonde 5 verschoben, bis die Verengung 1OA der Speiseleitung 10 den gewünschten Abstand von der Wandung 10 aufweist und in dieser Stellung erfolgt eine örtliche Verschweißung 7A der Manschette 7 mit der Sonde 5.

Das expandierte Gas, welches von dem Ende der Sonde 5 bzw. von der als Arbeitsfläche dienenden Wandung 6 durch die Bohrung AB zurückströmt, entweicht durch die Öffnung 7B. Ein Ring 11 ist mit Preß-Sitz in der Schutzhülse 1 befestigt und mit diesem Ring 11 ist das vordere Ende eines Auslaßrohres 12 verlötet, welches sich ausgehend von dem rückwärtigen Ende der Schutzhülse 1 durch diese Schutzhülse erstreckt und welches an dem rückwärtigen Ende der Schutzhülse mit einem flexiblen Auslaßrohr 13 verbunden ist. In der Nähe des vorderen Endes des Auslaßrohres 12 ist ein Ring von Löchern 14 vorgesehen, die von einer elastischen Hülse 14ß umgeben und normalerweise geschlossen sind. Durch diese Löcher 14 sowie durch die Hülse \AB wird ein Sicherheitsventil geschaffen. Wenn aus irgendeinem Grunde sich ein Gasdruck mit zu hohem Wert innerhalb der Auslaßrohre 12 und 13 aufbaut, kann das Gas durch die Löcher 14 in die Schutzhülse 1 und von dort durch das Loch 14A in die Atmosphäre entweichen. Ein derartiges Sicherheitsventil ergibt ein charakteristisches Geräusch, so daß der Chirurg davon in Kenntnis gesetzt wird, daß eine Blockierung des Gasstromes in den Auslaßrohren 12 und 13 vorliegt. Die Leitungen 8A für das Thermoelement 8 verlaufen in den Auslaßrohren 12 und 13.

Um den Ansatz AD herum ist eine Heizwicklung 15, bestehend aus einem in geeigneter Weise isolierten Draht, vorgesehen, dessen elektrische Versorgungsleitungen 9 in ähnlicher Weise in den Auslaßrohren 12 und 13 verlaufen.

Die Hauptaufgabe des Ringes 4 besteht darin, die ' Sonde 5 und damit die Wandung 6 sowie d^s vordere Ende der Speiseleitung 10 mit Wärme zu beaufschlagen. Durch die Steuerung des Stromes in der Heizwicklung 15 kann die Temperatur innerhalb des Hohlraumes der Sondenspitze und damit die als Arbeitsfläche dienende Wandung 6 genügend genau geregelt werden. Durch Einschalten des Gasstromes kann die Sonde 5 bzw. die als Arbeitsfläche 7 in der Wandung 6 auf eine Temperatur von —78° Celsius abgekühlt werden, wobei die genaue Regelung der Temperatur an der Wandung 6 durch Ein- und Ausschalten des Gasstromes sowie durch Steuerung bzw. Regelung des Stromes durch die Heizwicklung 15 erzielt wird. An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Temperatur der Wandung 6 bei

Netzhautoperationen beispielsweise —60° Celsius und bei Staroperationen etwa bei —30° Celsius liegt, wobei im letzten Fall ein Instrument zur Anwendung kommt, wie es in F i g. 2 gezeigt ist.

Die Abkühlung der Sondenspitze bzw. der Arbeitsfläehe 6 wird vollständig durch den Joule-Thomson-Effekt hervorgerufen durch die Verengung 10/4 der Speiseleitung 10, die sich innerhalb des Auslaßrohres 13 als flexible Leitung zur Versorgungseinrichtung fortsetzt. Wenn diese flexible Leitung einen kleinen Innenquerschnitt besitzt und bei normalen Temperaturen verwendet wird, kann sie aus Kunststoff oder anderem sterilisierbaren Material bestehen, obwohl sie einen hohen Innendruck aushalten muß.

Aus Sicherheitsgründen ist es im Hinblick auf ein eventuelles Leckwerden oder Brechen der die Fortsetzung der Speiseleitung 10 bildenden flexiblen Leitung iOB zweckmäßig, daß diese Leitung im Auslaßrohr 13 eingeschlossen ist, welches zur Atmosphäre hin offen ist.

Das Instrument nach F i g. 1 ist, wie bereits ausgeführt wurde, für Netzhautoperationen geeignet. Die Abbiegung bzw. Abwinkelung am Ende der Sonde 5 dient dabei dazu, um die Rückseite des Auges zu erreichen. Es besteht hierbei die Gefahr, daß die Sondenspitze das Augenlid berührt und an diesem Augenlid anfrieren kann. Die Beheizung des Ringes 4 mit Hilfe der Heizwicklung 15 dient nun gleichzeitig auch dazu, diese Gefahr zu vermeiden.

Bei der in Fig.2 gezeigten Ausführung eines kältechirurgischen Instrumentes ist der Hauptteil dieses Instrumentes der gleiche wie in Fig. 1. Im Falle der F i g. 2 ist jedoch die Spitze bzw. Arbeitsfläche der Sonde 5 für eine Staroperation ausgebildet und geradlinig geformt. Es ist hierbei nicht erforderlich, das Augenlid zu schützen, so daß der Ring, dessen freiliegendes Ende bei 4£ angedeutet ist, sich weniger weit von dem Endteil 2 der äußeren Schutzhülse wegerstreckt. Die Arbeitsfläche der Sonde 5 ist eine Art vergrößerter Perle, wie bei 6Λ angedeutet. Diese Perle besteht aus Silber und ist mit der hohlen Sonde 5 verlötet.

In diesem Falle, und falls erforderlich auch im Beispiel nach Fig. 1, kann eine unterschiedliche Art der Steuerung der Temperatur anstatt oder zusätzlich zu der Heizwicklung 15 vorgesehen sein. Dies geschieht in Form einer offenen Heizspule 15/4 aus Heizdraht im Gasstrom, der von der Verengung 10/4 austritt. Die Heizspule 15/4 wird über Leitungen gespeist, die zusammen mit den Leitungen SA des Thermoelementes 8 in dem Raum zwischen der Speiseleitung 10 und der Innenfläche der Sonde 5 verlaufen.

In F i g. 3 ist in einem schematischen Schnitt eine weitere Ausführung des kältechirurgischen Instrumentes gemäß der Erfindung mit einer geänderten Verengung dargestellt, durch die das Gas in eine Sonde 70 aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Abschlußwandung 71 aus Silber strömt. Innerhalb der Sonde 70 ist ein Auslaßrohr 72 vorgesehen, welches an seinem Ende einen äußeren Flansch 72/4 aufweist. Zwischen dem Umfang des Flansches 72/4 und der Innenfläche der Sonde 70 besteht ein sehr kleiner Abstand bzw. eine Reihe von Abständen, die durch Unregelmäßigkeiten des Flansches gebildet sind und für das verwendete Gas eine Verengung darstellen, durch welche in die Sonde 70 eingespeistes Gas in den Hohlraum 73 eintritt, die als Arbeitsfläche dienende Wandung 71 kühlt und durch das Auslaßrohr 72 zurückgeführt wird. In diesem Falle müssen die Sonde 70 sowie die Versorgungsleitungen, die die Sonde mit der Versorgungseinheit bzw. Gasquelle verbinden, natürlich robust genug sein, damit sie den Gasdruck aushalten. Ferner muß das Auslaßrohr 72 so ausgeführt sein, daß es nicht durch den Gasdruck zusammengedrückt wird.

Ein Vorteil dieses Instrumentes besteht darin, daß die regenerative Kühlung (d. h. die Kühlung des zugeführten Gases vor der Expansion durch das kalte Gas nach der Expansion) auf ein Minimum herabgesetzt wird, da eine solche Kühlung im Falle von Kohlendioxyd nicht erwünscht ist. Eine Heizwicklung 74 ist am Auslaßrohr 72 vorgesehen. Die Fläche der zwischen der Innenwandung der Sonde 70 und dem Außenumfang des / Flansches 72/4 gebildeten Verengung kann durch sorgfältige Einstellung der axialen Stellung des Flansches 73/4 in bezug auf das leicht konvergente innere Profil der Sonde 70 bzw. der Wandung 71 sorgfältig eingestellt werden.

Der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform läßt sich entnehmen, daß in dem Körper 80, der mit dem flexiblen Auslaßrohr bzw. mit der flexiblen Auslaßleitung 81 verbunden ist, nahezu an seinem vorderen Ende die Speiseleitung 82 eingeführt wird, der das unter Druck stehende Gas über die flexible Leitung 83 zugeführt wird.

Die Leitungen 81 und 83 können abgestützt oder miteinander verbunden sein, damit sie kompakt gehalten werden. Die Speiseleitung 82 mündet in den Hohlraum des die Sonde bildenden Körpers 80 über eine Verengung 82/4, die der aus Silber bestehenden Wandung am Ende des Körpers 80 gegenüberliegend angeordnet ist. Der Körper 80 und die Speiseleitung 82 sind zweckmäßigerweise über einen Kunststoffring 84 gegeneinander abgestützt und die gesamte Anordnung ist in einer äußeren Kunststoffhülse 85 untergebracht. C Eine Heizwicklung 86 ist vorzugsweise sowohl um den Körper 80 als auch um die Speiseleitung 82 herum am vorderen Ende der Anordnung angeordnet. Die elektrischen Leitungen 86/4, welche durch den Ring 84 hindurchgeführt sind, speisen die Heizwicklung 86.

Diese Ausführungsform hat bestimmte Vorteile. Sie ist grundsätzlich einfacher und billiger herzustellen als die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, bei welchen die Speiseleitung und die Auslaßrohre mehr oder weniger koaxial zueinander verlaufen, und es kann nur ein geringer regenerativer Effekt auftreten, weil der Wärmeaustausch zwischen der Speiseleitung und dem Auslaßrohr sehr begrenzt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kältechirurgisches Instrument, bei welchem ein Gas aufgrund des Joule-Thomson-Effektes beim Durchtritt durch eine Verengung gekühlt wird und bei welchem das Gas über eine Speiseleitung in das Innere einer hohlen Sonde gelangt, welche hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, dadurchgekennzeichnet, daß die Verengung (1OA 82A) in der Speiseleitung (10, 72, 82) gegenüber der Arbeitsfläche des Instrumentes mündet, und daß zur Temperaturregelung Mittel zum Erwärmen des Gases, z. B. eine elektrische Heizung (15, 15A 74, 76), vorgesehen sind.

2. Kaltechirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (15A 74) zum Erwärmen des Gases im Bereich der Austrittsöffnung der Verengung (tOA) vorgesehen sind.

3. Kältechirurgisches Instrument nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Thermo-Element (8) an der Arbeitsfläche (6,6A) des Instrumentes zur Messung der Temperatur dieser Arbeitsfläche.

4. Kältechirurgisches Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsdrähte (SA, 9) des Thermo-Elementes (8) und/oder elektrischen Heizung (15, \5A) innerhalb der Rückleitung für das Gas verlaufen.