DE2641813A1 - Verfahren zum kuehlen und erwaermen eines kopfes eines temperaturbehandlungsinstruments sowie nach diesem verfahren arbeitendes instrument - Google Patents
Verfahren zum kuehlen und erwaermen eines kopfes eines temperaturbehandlungsinstruments sowie nach diesem verfahren arbeitendes instrumentInfo
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Description
Patentanwälte 51 Aachen, den 14. Sept. 197b
DIPL-ING. BRUNO SCHMETZ Augustastraße 14-16 · Tel. (0241) 508051
DIPL-ING. WERNER KÖNIG 9 fi A 1 R 1
CRYOMEDICS, INC. in Bridgeport, Connecticut (V.St.A.)
Beschreibung zu Patentanmeldung
Verfahren zum Kühlen und Erwärmen eines Kopfes eines Temperaturbehandlungsinstruments
sowie nach diesem Verfahren arbeitendes Instrument
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen und Erwärmen eines Kopfes eines Temperaturbehandlungsinstruments in Kontakt
mit Körpergewebe, wobei ein gasförmiges Kühlmittel von im wesentlichen Umgebungstemperatur und relativ hohem Druck einer stationären
Strömungseinschnürung, die mit einer Expansionskammer im Kopf des Instruments kommuniziert, zugeleitet wird, das Kühlmittel
durch die Strömungseinschnürung hindurch in die Expansionskammer zur Erzeugung einer Joule-Thompson-Expansion geleitet wird und
das aus der Expansionskammer abströmende Kühlmittel während des KühlVorgangs in die Atmosphäre austritt und dann zur Erwärmung
des Kopfes eine ausreichende Gasmenge nach Unterbrechung der Ausströmung im Instrument eingeschlossen wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Temperaturbehandlungsinstrument zur Durchführung des Verfahrens mit einer Expansionskammer, die
eine aus hochwärmeleitfähigem Material bestehende, mit dem Körpergewebe
in Berührung kommende Sondenspitze aufweist, Kühlmittelversorgungseinrichtungen zur Zufuhr eines unter Druck stehenden
gasförmigen Kühlmittels zur Expansionskammer und einer Strömungseinschnürung zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Joule-Thompson-Expansion
des Gases.
-Z-
769816/O7S1
-Qr-
Es sind chirurgische Techniken zur Nekrose, zum Anheften und zum Entfernen sowie zur Koagulation defekter oder kranker Körpergewebe
durch Reduzierung der Temperatur des Gewebes auf relativ niedrige Werte bekannt. Ferner kennt man eine Reihe von
Temperaturbehandlungsinstrumenten, welche den Praktischen Mediziner
bei dieser Art der Behandlung unterstützen. Generell umfassen diese Instrumente einen Kopf oder eine Sonde-nspitze,
welche zunächst in Kontakt mit dem zu behandelnden Gewebe gebracht und anschließend gekühlt wird. Diese gekühlte Sondenspitze wird normalerweise für eine kurze Zeitdauer in Kontakt
mit dem zu behandelnden Gewebe gehalten. Die für die Behandlung erforderliche niedrige Temperatur muß nach der Berührung
der Sondenspitze mit dem Gewebe schnell erreicht werden, so daß das Frosten des Gewebes lokalisiert und der Patient nicht über
eine längere Zeit einer Kältebehandlung ausgesetzt wird. Dabei ist festgestellt worden, daß bei gewissen Behandlungstechniken
das Körpergewebe in unerwünschter Weise an der gekühlten Behandlungssonde bei diesen niedrigen Temperaturen haftet, so daß es
notwendig ist, Mittel bereitzustellen, um die Sonde nach dem Frosten schnell aufzuwärmen, um das Entfernen der Sonde von dem
Körpergewebe zu erleichtern.
Bei einem bekannten Temperaturbehandlungsinstrument wird ein
unter Druck stehendes Kühlgas durch eine Strömungseinschnürung in eine Kammer hineinexpandiert, wodurch ein Kühleffekt erzeugt
wird, der im allgemeinen als Joule-Thompson-Effekt bekannt ist. Die Spitze der Sonde, welche durch eine Außenfläche dieser Kammer
gebildet ist, wird auf diese Weise schnell abgekühlt. Das bekannte Instrument weist weiterhin Einrichtungen zu einer
schnellen Erwärmung der Spitze der Sonde auf, um das Entfernen der Sonde von dem Körpergewebe zu vereinfachen.
-3-
Es sind bereits verschiedene Anordnungen zum Kühlen und Erwärmen der Sondenspitze benutzt worden. Bei einer dieser Anordnungen
wird die Strömung des Kühlgases in die Expansionskammer durch ein Ventil gesteuert, welches in Strömungsrichtung vor der
Kammer liegt. Aus der Kammer ausströmendes Gas wird in die Atmosphäre abgegeben. Das Kühlen der Sondenspitze wird dadurch erreicht,
daß das Ventil betätigt wird, um Kühlgas in die Expansionskammer und dann in die Atmosphäre strömen zu lassen. Das
Erwärmen der Sondenspitze wird durch Unterbrechen des Gasstromes in die Expansionskammer sowie durch Aufheizen der Sondenspitze durch elektrische Mittel erreicht, welche eine in der
Sondenspitze angeordnete Heizspule umfassen.
Bei einem anderen bekannten Temperaturbehandlungsinstrument wird ein Kühlen der Sondenspitze durch öffnen eines in Strömungsrichtung
hinter der Expansionskammer angeordneten Ventilelements und
durch gleichzeitige Bildung einer Strömungseinschnürung am Einlaß
der Expansionskammer durch Berührung eines Sitzes einer Öffnung oder Düse mit einer beweglichen Leitung erreicht. Ein Kühlmittel
fließt dann ausgehend von einem Kühlmittelvorrat durch die Öffnung oder Düse und strömt durch das von seinem Sitz angehobene,
hinter der Expansionskammer liegende Ventilelement ab. Zum Erwärmen der Sondenspitze wird das hinter der Expansionskammer gelegene
Ventilelement auf seinen Sitz gebracht und gleichzeitig wird die bewegliche Leitung von dem Sitz der öffnung entfernt, so
daß Kühlmedium von Umgebungstemperatur in die Expansionskammer eintreten kann. Bei Beginn des Kühlzyklus wird das Instrument von
Verunreinigungen, wie Schmutz, Eispartikeln und Luftblasen, gereinigt. Wenn die bewegliche Leitung sich in Rihtung auf den Sitz der
Öffnung bewegt, dann strömt Kühlmedium von dem Kühlmittelvorrat kurzzeitig durch die Öffnung oder Düse, bevor die Leitung auf dem
Sitz der öffnung oder Düse aufliegt, um die Strömungseinschnürung zu bilden, welche notwendig ist, um eine Joule-Thompson-Expansion
zu erreichen. Diese kleine Menge von nicht expandiertem Kühlmedium wird zum Reinigen oder Spülen des Systems von verunreinigenden Partikeln
benutzt.
70981Ö/0?§1
Diese und andere bekannte Temperaturbehandlungsinstrumente sind
relativ komplex und kostspielig. Zuweilen sind sie für die praktischen Mediziner relativ schwierig zu handhaben und gewährleisten
nicht die Handlichkeit, welche bei einem medizinischen Behandlungsverfahren erforderlich ist, bei dem der Arzt seine Aufmerksamkeit
dem eigentlichen Behandlungsverfahren widmen muß. Darüber hinaus zeigen diese bekannten Instrumente kein System,
das zum Reinigen von Verunreinigungen ausreicht, welche die für die Joule-Thompson-Abkühlung erforderliche Strömungseinschnürung
zusetzen und damit das Instrument unwirksam machen können. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn sich aufgrund der schnellen
Expansion des Kühlmediums in der Strömungseinschnürung Eispartikel bilden.
Es wird hier weiter auf die US-Patentschrift 3 696 813 des Erfinders
Bezug genommen, welche ein Temperaturbehandlungsinstrument betrifft,
das von dem Joule-Thompson-Effekt zum Abkühlen der Spitze des Instruments Gebrauch macht, welche sich in Wärmetauschverbindung
mit der Expansionskammer befindet. Ein schnellwirkendes Zweiwegeventil, das unabhängig von der Expansionskammer und in Stromungsrichtung
hinter dieser liegt, wird während des Kühlens der Sondenspitze geöffnet, um das abströmende Kühlgas in die Atmosphäre
abzugeben, während es nach dem Schließen eine. Unterbrechung des in die Atmosphäre ausfließenden Gasstromes bewirkt, wodurch
das Kühlgas in dem Instrument bei Umgebungstemperatur gehalten wird, da der sich aufbauende Rückdruck eine weitere Expansion des eintretenden
Gases verhindert. Die relativ große Menge des unter hohem Druck bei Umgebungstemperatur stehenden Gases erwärmt schnell
die Spitze und taut sie damit ab.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Temperaturbehandlungsinstrument
zu schaffen, das einen zuverlässigen Reinigungszyklus zum Ausspülen von Verunreinigungen aus dem Gerät aufweist,
um ein Versetzen oder Verstopfen zu vermeiden. Das Reinigen des Instruments soll dabei eine nicht festgelegte Zeitdauer anhalten
können und außerdem unabhängig sein von dem Abkühl- und Abtauvorgang, wobei eine Durchführung bei niedrigen Drücken möglich
ist.
709~ίϊδ/0781
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der
eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Druck des gasförmigen Kühlmittels vor seinem Eintritt in die Expansionskammer
unter einen für eine Joule-Thompson-Expansion erforderlichen Wert reduziert wird, daß dann das Instrument
durch das Kühlmittel von Verunreinigungen gereinigt wird und daß das aus der Expansionskammer auströmende Gas in die Atmosphäre
abgeleitet wird.
Dabei kann die Zeitdauer des Reinigungszyklus unabhängig von dem Kühl- oder Abtauvorgang beliebig gewählt werden.
Zur Durchführung dieses Verfahrens sieht die Erfindung ein Temperaturbehandlungsinstrument vor, welches dadurch gekennzeichnet
ist, daß wahlweise betätigbare Druckstelleinrichtungen zur Reduzierung des Druckes des gasförmigen Kühlmittels
und Auslaßeinrichtungen zum Ablassen des Gases in die Atmosphäre vorgesehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung, die Gegenstand der Unteransprüche sind, ergeben sich aus dem nachfolgenden Teil der Beschreibung.
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Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der verschiedenen Bauteile des erfindungsgemäßen Temperaturbehandlungsinstruments
sowie das Arbeiten des Instruments in seiner Bereitstellung für die Durchführung
eines Reinigungszyklus,
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, welche das Arbeiten
des Instruments bei einem Reinigungszyklus zeigt,
Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die das Arbeiten des Instruments in seiner Bereitstellung zur
Durchführung eines Kühlzyklus oder in seiner Aufwärm- oder Defroststellung zeigt,
Fig. 4 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die das Arbeiten
des Instruments beim Kühlzyklus zeigt,
Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, welche das Abschal
tan des Instruments zeigt,
Fig. 6 eine Legende, welche die verschiedenen Drücke des Kühlmediums definiert, das durch das Instrument
gemäß den Fig. 1-5 fließt,
Fig. 7 eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des in Fig. 1 schematisch dargestellten Instruments
mit einem Längsschnitt eines typischen augenoptischen Sondenbauteils,
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7098Ü/07S1
-ψ-
Fig. 8 eine der Pig. 7 ähnliche Ansicht mit einer abgewandelten Sondenform,
Fig. 9 einen Längsschnitt des DruckentJastungsventils des
in Fig. 1 schematisch dargestellten Instruments und
Fig.io eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, die eine alternative
Bereitstellung für einen Abkühlzyklus zeigt.
Es wird nun im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile
bezeichnen. Die Bauteile des erfindungsgemäßen Temperaturbehandlungsinstruments sind in Fig. 1 schematisch dargestellt.
Das Temperaturbehandlungsinstrument 20 weist eine augenoptische Sonde 22 auf. Die Sonde 22 hat eine Spitze 24 aus einem hochwärmeleitfähigen
Material, wie beispielsweise Silber, die im abgekühlten Zustand zur Extraktion von Katarakt-Linsen aus dem
Auge benutzt werden kann. Bei diesem Vorgang wird die Linse mittels der gekühlten Sondenspitze 24 aus dem Auge entfernt, wobei
diese Spitze auf die Linsenfläche aufgebracht wird, um die Linse an der Spitze festzulegen. Es bildet sich dabei in der
Flüssigkeit und im Linsengewebe ein Eiskügelchen, welches es gestattet, die von der Hand des Operateurs ausgeübte Kraft über
einen weiten Bereich zu verteilen, wodurch ein Haften und Herausziehen der Linse mittels der Spitze 24 bei beträchtlich reduzierter
Beschädigungsgefahr ermöglicht wird. Es können andere Spitzenformen verwendet werden, ohne von dem Kern der Erfindung
abzuweichen. So kann eine Spitze zum Verschweißen oder Coagulieren einer abgelösten Netzhaut benutzt werden. Ferner kann auch
eine Sonde an einen pistolenartigen Griff angesetzt werden, wie dies in der U.S.-Patentschrift 3.696.813 beschrieben ist und
dort zur Gewebenekrose benutzt wird.
-8-
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In jedem Fall weist jede Sonde nahe ihrer Spitze eine Expansionskammer
und Mittel zur Führung eines gasförmigen oder zweiphasigen Flüssigkeit-Gas-Gemisches oder eines gesättigten gasförmigen
Kühlmittels von einer Quelle zu der Expansionskammer
auf. Diese Mittel umfassen meinen stationären Körper, der eine Strömungseinschnürung bewirkt, durch die das Gas in die Expansionskammer
eingeführt wird, um dort eine Joule-Thompson-Expansion des Gases zur Kühlung der Expan-sionskairaner zu bewirken.
Die Strömungseinschnürung kann viele Formen annehmen, so beispielsweise die einer öffnung oder Düse, eines porösen Stopfens,
eines Drosselventils oder einer Kapillarrohre, solange nur ein starker Druckabfall beim Durchtreten des Gases durch
die Strömungseinschnürung in die Expansionskammer vorliegt, um
unter gleichen Enthalpiebedingungen einen Temperaturabfall des Gases zu bewirken.
Wenn ein Zweiphasen-Kühlmittel, beispielsweise ein gesättigtes
Gas mit einer gemischten Flüssigkeits- und Gasphase, der Expansionskammer zugeführt wird, dann wird es in diese Expansionskammer hineinströmen und die Gasphase in die Kammer hinein expandieren,
wodurch sich ein Joule-Thompson-Kühleffekt und eine zusätzliche Abkühlung der Kammer durch Verdampfung der Flüssigkeitsphase
in der Kammer ergibt. Ein gesättigtes Gas zeigt in Bezug zu einem ungesättigten Gas eine hohe thermisch'e Leitfähigkeit
und wird daher als Wärmetransportmedium zur Ableitung der Wärme aus der Expansionskammer bevorzugt. Als solche Gase
für die Benutzung in dem Instrument kommen Kohlendioxid (CO3)
und Stickoxidul (N3O) in Betracht.
Die anderen Bauteile des Instruments 2o umfassen einen Kühlgasbehälter
2 6 als Kühlgasquelle, einen einstellbaren Druckregler 28, ein Kreuzstück 3o mit einem Sicherheitsventil 31, einen Solldruckregler
32, einen Fußschalter 34, ein Stellventil 36, ein handbetätigtes Ventil 38, ein Manometer 4o, ein Anschlußstück
für den Sondeneinlaß und ein Anschlußstück 44 für den Sondenauslaß. In den schematischen Ansichten sind keine Schläuche dargestellt;
es ist aber offensichtlich, daß geeignete Schlauchverbindungen zwischen den verschiedenen Bauteilen äes Instruments
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-r-
2o angeordnet sind, um das Kühlgas in der in den Fig. 1-5 dargestellten Weise zu führen.
Das Arbeiten des Instruments 2o wird eingeleitet durch Öffnen
des Kühlgasbehälters 26. Gas aus diesem Behälter 26, das sich üblicherweise in Abhängigkeit von dem benutzten Kühlmittel unter
einem Druck von 524ο χ 1o3 bis 5792 χ 1o3 N/m (76o-84o p.s.i.)
bei einer Temperatur von 210C (700F) befindet, wird durch den
Druckregler 28 (Fig. 1) aus Sicherheitsgründen auf einen Druck von 33o9 χ 1o3 bis 4275 χ 1o N/m (48o-62o p.s.i.) gemindert.
Der Druckregler 28, der in Verbindung mit dem beschriebenen Instrument benutzt wird, ist ein auf dem Markt erhältliches Standardbauteil.
Das geregelte Gas strömt zu einem Einlaß 33 des Kreuzstücks 3o, und das Sicherheitsventil 31 öffnet und entlastet das System,
3 2 wenn der Druck am Einlaß 33 über 4654 χ 1o N/m (675 p.s.i.)
liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, dann strömt das regulierte Gas durch einen Auslaß 35 des Kreuzstücks 3o in einen Einlaß 46
des handbetätigten Ventils 38 und wird kurzzeitig angehalten, da der Auslaß 48 nicht mit dem Einlaß 46 kommuniziert, wenn sich
die Handsteuerung in der "Aus"-Stellung befindet, wie in Fig. 1 gezeigt. Gleichzeitig strömt ein anderer Teil des regulierten
Gasstromes durch einen zweiten Auslaß 37 des Kreuzstückes 3o zu einem Einlaß 5o des Solldruckreglers 32, wo der Druck gemin-
3 2
dert wird auf 69ο χ 1o N/m (1oo p.s.i.) und von wo das Gas
über einen Auslaß 52 des Solldruckreglers 32 zu einem Einlaß 54 des Fußschalters 34 gelangt, der in der in der in Fig. 1 dargestellten
Stellung geschlossen ist, um eine Kommunikation zwischen dem Einlaß 54 und seinen Auslaß 56 zu verhindern, so daß das Gas
an diesem Punkt ebenfalls kurzzeitig angehalten wird. Da kein
2 Gasstrom durch das Manometer 4o hindurchgeht, zeigt es "0" N/m
an. Das Temperaturbehandlungsinstrument 2o ist nun in einer Bereitstellung,
um gereinigt zu werden. Dieser Zustand ist in Fig. 1 voll dargestellt.
Die Druckregler 28 und 32, das Kreuzstück 3o, das handbetätigte
Ventil 38, das Manometer 4o, das Stellventil 36 und der Fußschalter 34 sind Standardbauteile und bilden für sich genommen keinen
Teil der Erfindung.
Das Sicherheitsventil 31 ist in Fig. 9 im Detail dargestellt. Dieses Ventil umfaßt einen Rohrnippel 15ο,, der auf das Gehäuse
des Kreuzstücks 3o aufgeschraubt istj, so daß Kommunikation zwischen
dem Einlaß 33 des Kreuzstücks 3o und einer normalerweise geschlossenen Einlaßöffnung 152 im Rohrnippel 15o besteht. Die
Einlaßöffnung 152 ist normalerweise geschlossen durch ein Ventilelement 154, das an einer Dichtung 156 befestigt ist, die
wiederum durch eine im Ventilgehäuse 16o sitzende Schraubenfeder 158 auf einen Ventilsitz 162 an dem von der Einlaßöffnung 152
entfernten Ende des Rohrnippels 15o aufgedrückt wird. Die Schraubenfeder
158 ist so geeicht, daß sie die Dichtung 156 gegen den Ventilsitz 162 hält und daß folglich das Ventilelement 154 die
Einlaßöffnung 152 schließt, bis der gegen das Ventilelement
3 2
ausgeübte Druck einen Wert von 4654 χ 1o N/m (675 p.s.i.) überschreitet. Wenn dies vorkommt, dann strömt Gas an der Dichtung
156 vorbei in das Ventilgehäuse 16o und über eine Auslaß-Öffnung 161 in dem Ventilgehäuse 16o in die Atmosphäre.
Um das Instrument von Verunreinigungen wie Restfeuchtigkeit oder Schmutz zu säubern, läßt man das Kühlgas bei einem Druck von
3 2
χ 1o N/m (1oo p.s.i.) durch die Sonde 22 zirkulieren, wie das in Fig. 2 gezeigt ist, indem ein Stößel 39 des Fußschalters 34 niedergedrückt wird. Auf diese Weise wird Kommunikation zwischen dem Einlaß 54 und dem Auslaß 56 des Fußschalters 34 herbeigeführt
χ 1o N/m (1oo p.s.i.) durch die Sonde 22 zirkulieren, wie das in Fig. 2 gezeigt ist, indem ein Stößel 39 des Fußschalters 34 niedergedrückt wird. Auf diese Weise wird Kommunikation zwischen dem Einlaß 54 und dem Auslaß 56 des Fußschalters 34 herbeigeführt
3 2 und Gas mit einem Druck von 69ο χ 1o N/m (1oo p.s.i.) strömt
von dem Auslaß 56 zum Einlaß 58 des Stellventils 36. Durch die Anwesenheit von Gas in dem Stellventil 36 wird eine Auslaßöffnung
6o geöffnet, während das regulierte Gas durch einen Auslaß 62 des Stellventils 36 ausströmt und durch einen zweiten Einlaß
64 zum handbetätigten Ventil 38 geführt wird. Wenn sich das handbetätigte Ventil 38 in seiner "Aus"-Stellung befindet, dann ist
der Einlaß 64 in Kommunikation mit dem Auslaß 48 und das regulierte
Gas kann dann durch das Manometer 4o, das Anschlußstück 42, die Sonde 22, das Anschlußstück 44 und durch einen
zweiten Einlaß 66 im Stellventil 36 hindurchtreten und durch die Auslaßöffnung 6o in die Atmosphäre gelangen. Die Zirkulation
des regulierten Gases durch die Sonde 22 bewirkt einen Ausspüleffekt, der jegliche Verunreinigungen aus der Sonde 22
und den zugehörigen Leitungen entfernt. Da sich das Gas bei
3 2
einem Druck von 69ο χ 1o N/m (1oo p.s.i.) befindet, reicht die an der Strömungseinschnürung in der Sonde 22 anliegende Druckdifferenz nicht aus, um eine ausreichende Kühlung der Spitze 24 durch den Joule-Thompson-Effekt zu erzielen. Die Reinigungsphase ist in Fig. 2 umfassend dargestellt und kann jede beliebige Zeitdauer einnehmen, solange das handbetätigte Ventil sich in der "Aus"-Stellung befindet und der Fußschalter 34 niedergedrückt ist. Während dieses Zyklus oder dieser Phase zeigt
einem Druck von 69ο χ 1o N/m (1oo p.s.i.) befindet, reicht die an der Strömungseinschnürung in der Sonde 22 anliegende Druckdifferenz nicht aus, um eine ausreichende Kühlung der Spitze 24 durch den Joule-Thompson-Effekt zu erzielen. Die Reinigungsphase ist in Fig. 2 umfassend dargestellt und kann jede beliebige Zeitdauer einnehmen, solange das handbetätigte Ventil sich in der "Aus"-Stellung befindet und der Fußschalter 34 niedergedrückt ist. Während dieses Zyklus oder dieser Phase zeigt
3 2
das Manometer 4o 69ο χ 1o N/m (1oo p.s.i.) an. Durch Freigabe
des Stößels 39 des Fußschalters 34 wird das Instrument in seine Bereitstellung zur Reinigung gebracht, die in Fig. 1 dargestellt
ist.
Um das Instrument 2o für die Kühlung der Spitze 24 der Sonde zu präparieren, ist es lediglich erforderlich, das Ventil 38 von
Hand in seine "Ein"-Stellung zu bringen, die in Fig. 3 dargestellt
ist. Dadurch kommt es zu einer Kommunikation zwischen dem Einlaß 46 und dem Auslaß 48 dieser Ventile, so daß Hochdruck-
3 3 2
gas von 33o9 χ 1o bis 4275 χ 1o N/m (48o-62o p.s.i.) durch das
handbetätigte Ventil 38, das Manometer 4o, das Anschlußstück 42, die Sonde 22, das Anschlußstück 44 und schließlich in den Einlaß
66 des Stellventils 36 gelangt. Da die Auslaßöffnung 6o dieses Ventils geschlossen ist, weil der Stößel 39 des Fußschalters
nicht niedergedrückt ist, baut sich in Strömungsrichtung hinter der Expansionskammer in der Sonde 22 ein Gasdruck auf, so daß jede
Joule-Thompson-Expansion an der Strömungseinschnürung in der Sonde 22 neutralisiert und ein Temperaturabfall des Gases in der
Expansionskammer ausgeschlossen wird, so daß sie im wesentlichen bei Umfangstemperatur bleibt. Das Manometer 4o zeigt nun
33ο9 χ 1ο Ms 4275 χ 1ο N/m (48ο - 62ο p.s.i.) an. Diese
Einstellung des Instruments ist in Fig. 3 voll dargestellt.
Um ein Kühlen der Spitze 24 der Sonde 22 zu bewirken, muß der Operateur lediglich den Stößel 39 des Fußschalters 34 niederdrücken,
wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Dadurch kann das
3 2
auf 69o χ 1o N/m (1oo p.s.i.) regulierte Gas durch den Fußschalter
34 in das Stellventil 36 hineinströmen und die Auslaßöffnung 6o öffnen. Das Gas mit dem geringen Druck strömt
von dem Auslaß 62 des Stellventils 36 zu dem Einlaß 64 des handbetätigten Ventils 38. Da das Ventil 38 in der "Ein"-Stellung
ist, stoppt der Strömungsfluß des Gases mit niedrigem Druck an diesem Punkt des Systems. Das unter hohem Druck stehende
Gas fließt jedoch weiter durch das handbetätigte Ventil 38 sowie durch die Sonde 22 und kann nun über die Auslaßöffnung
6o in die Atmosphäre austreten. Dieses reduziert den in Strömungsrichtung hinter der Strömungseinschnürung gelegenen
Gegendruck in der Sonde 22 und gestattet, daß eine Joule-Thompson-Expansion vor sich geht. Das in der Expansionskammer nahe
der Spitze 24 abgekühlte Gas kühlt diese durch Wärmeaustausch. Der Gefriervorgang an der Spitze 24 hält so lange an, wie der
Füßschalter 34 niedergedrückt ist, und das Manometer 4o zeigt
•3 3 2
einen Druck von 33o9 χ 1o bis 4275 χ 1o N/m (486-62o p.s.i.)
Um die Spitze 24 zu erwärmen und abzutauen, ist es lediglich erforderlich, den Stößel 39 des Fußschalters 34 freizugeben,
so daß das Instrument in seine in Fig. 3 gezeigte Stellung zurückgebracht wird, in der der Zustrom von Gas von geringem Druck
zu dem Stellventil 36 unterbrochen und damit die Auslaßöffnung
geschlossen ist. Der Rückdruck in Strömungsrichtung hinter der Expansionskammer in der Sonde 22 schließt dann eine weitere
Joule-Thompson-Expansion aus, und das Instrument wird mit einem unter hohem Druck bei Umgebungstemperatur stehenden Gas gefüllt.
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Wärmeübertragung zwischen dem Gas und der Spitze 24 der Sonde 22 führt schnell zu einem Abtauen der Spitze 24.
Das Abschalten des Instruments ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn die Operation beendet und der Fußschalter 34 freigegeben ist,
dann wird das handbetätigte Ventil 38 in seine "Aus"-Stellung
gebracht, welche den Auslaß 48 in Verbindung mit dem Einlaß 64 dieses Ventils 38 bringt. In diesem Zustand ist das Instrument
2o wieder für die in Fig. 3 dargestellte Frosterstellung bereit. Dadurch wird der Gasdruck in der Sonde 22 und im größten
Teil des Systems abgebaut. Die Sonde 22 kann nun von dem Kühlgasbehälter 26 getrennt werden und restliches expandiertes
Gas innerhalb des Systems kann über die strichpunktierte Linie in Fig. 5 in die Atmosphäre abgegeben werden. Die Auslaßöffnung
6o des Stellventils 36 wird durch den Restdruck in der Sonde geöffnet, um das restliche in Strömungsrichtung hinter der Sonde
befindliche Gas in die Atmosphäre auszulassen, während das in Strömungsrichtung vor der Sonde gelegene Restgas seine Richtung
umkehrt und durch den Fußschalter 34 über das handbetätigte Ventil 38 und das Stellventil 36 ausströmt.
In Fig. 7 sind Details einer typischen Sonde 22a zur Benutzung in einem Temperaturbehandlungsinstrument 2o insbesondere für die
Entfernung von Katarakt-Augenlinsen gezeigt. Die Sonde 22a umfaßt einen länglichen, rohrförmigen Körper 7o, der einen üblichen
Handgriff für den Operateur bildet. Dieser Körper 7o ist an seinem vorderen Ende durch einen rohrförmigen Nasenabschnitt 72
abnehmender Stärke versteift. Innerhalb des Nasenabschnitts 72 ist eine Auströmeinrichtung 74 mit einem Ausströmrohr 76 angeordnet
und befestigt, das coaxial und konzentrisch zu einer Strömungseinschnürung mit einem Kapillarrohr 78 verläuft. Das vordere
Ende des Ausströmrohrs 76 endet in einer Spitze 24a aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Silber.
Das Kapillarrohr 78 endet an seinem vorderen Ende in Abstand von der Spitze 24a, um eine Joule-Thompson-Expansionskammer 8o zu
bilden.
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-Vt-
An seinem von der Spitze 24a entfernt liegenden Ende hat das Ausströmrohr
76 einen Rohransatz 82, der an ein übliches Rohranschlußstück 84 angeschlossen ist, das wiederum den Rohransatz
des Ausströmrohrs 76 an eine Ausstromleitung 86 koppelt. Kommunikation zwischen dem Rohransatz 82 und der Ausströmleitung 86
erfolgt über eine öffnung 88 im zentralen Abschnitt des Rohranschlußstücks 84.
An dem von der Spitze 24a entfernt liegenden Ende ist das Kapillarohr
78 an ein Rohr 9o angeschlossene, das innerhalb eines zweiten
üblichen Rohranschlußstücks 92 festgelegt ist,, welches auch
das vordere Ende einer Einlaßleitung 94 für das Kühlgas hält,,
Kommunikation zwischen dem Kapillarrohr 78 und der Einlaßleitung 94 ist durch eine Öffnung 96 im zentralen Abschnitt des Rohranschlußstücks
92 gegeben» Ein Bund 98 legt eine Schutzhülle 1oo für die Einlaßleitung 94 und die Auslaßleitung 86 an der Sonde
22a fest»
Die Einlaßleitung 94 und die Äuslaßleitung 86 reichen über das
Ende der Schutzhülle 1oo hinaus und werden in einem Koppelstück 1o2 voneinander getrennt, wobei die Auslaß- und Einlaßleitungen
danach durch Schutzhüllen 1o4 bzw. 1o6 geschützt sind, die wiederum an Anschlußstücke 44a und 42a angeschlossen sind, deren
Wirkungsweise in Verbindung mit den Figo 1 bis 5 beschrieben
wurde„
Beim Arbeiten des Instruments fließt in Abhängigkeit von der eingestellten
Betriebsweise unter hohem oder unter niedrigem Druck stehendes Gas durch die Einlaßleitung 94 in die Sonde 22a. In
Fig. 7 ist die Strömungsrichtung des Gases durch Pfeile angegeben. Das Gas passiert die Öffnung 96 in dem Rohranschlußstück
und tritt in das Rohr 9o und das Kapillarrohr 78 ein, welches durch das Rohranschlußstück 84 hindurchgeführt ist. Am Ende des
Kapillarrohrs 78 wird das Gas in die Expansionskammer 8o abgegeben, in der, wenn die Auslaßöffnung 6o des Stellventils 36 of-
3 fen ist und sich das Gas bei einem hohen Druck von 33o9 χ Io N/m
3 2
bis 4275 χ 1o N/m (48o-62o p.s.i.) befindet, das Gas eine
bis 4275 χ 1o N/m (48o-62o p.s.i.) befindet, das Gas eine
70ö8"fi707S1
Joule-Thompson-Expansion ausführt und dabei die Spitze 24a abkühlt.
Das ausströmende Gas passiert das Ausströmrohr 76 in konzentrischer Anordnung bezüglich des Kapillarrohrs 78 und tritt
durch den Rohransatz 82, die Öffnung 88 im Rohranschlußstück 84 in die Ausströmleitung 86 ein, um von dort in die Atmosphäre
auszuströmen. Nach Schließen der Auslaßöffnung 6o baut sich der Gasdruck in der Ausstromleitung 86 und in dem Äusströmrohr 76
auf und schließt damit einen wesentlichen Druckabfall des durch das Kapillarrohr 78 in die Expansionskammer So eintretenden Gases
aus. Da das in die Expansionskammer 8o eintretende Gas Umgebungstemperatur hat, taut es durch Wärmeaustausch mit der
Spitze 24a diese auf. Bei mit niedrigem Druck von z.B. 69ο χ 1o
2
N/m (1oo p.s.i.) durch das Kapillarrohr 78 hindurchströmendem Gas tritt in der Expansionskammer 8o keine Joule-Thompson-Expansion auf, und das ausströmende Gas gelangt in der beschriebenen Weise in die Atmosphäre. Dieses Gas reinigt jedoch die Elemente der Sonde 22a sowie die Einlaß- und Auslaßleitungen von irgendwelchen Fremdstoffen, welche die Expansionskammer 8o verstopfen könnten« Auch werden dabei alle restlichen Eisteilchen im Kapillarrohr 78 oder in dem Ausströmrohr 76 schmelzen.
N/m (1oo p.s.i.) durch das Kapillarrohr 78 hindurchströmendem Gas tritt in der Expansionskammer 8o keine Joule-Thompson-Expansion auf, und das ausströmende Gas gelangt in der beschriebenen Weise in die Atmosphäre. Dieses Gas reinigt jedoch die Elemente der Sonde 22a sowie die Einlaß- und Auslaßleitungen von irgendwelchen Fremdstoffen, welche die Expansionskammer 8o verstopfen könnten« Auch werden dabei alle restlichen Eisteilchen im Kapillarrohr 78 oder in dem Ausströmrohr 76 schmelzen.
Durch Vorkühlen des gesättigten Kühlgases, welches durch das Kapillarrohr 78 strömt, wird sowohl in der Dampf- als auch in
der Flüssigphase ein Kühlmittel bereitgestellt. Die Dampfphase expandiert entsprechend dem Joule-Thompson-Effekt und bewirkt
einen Kühleffekt zur Abkühlung der Spitze 24a. In Zusammenwirken mit diesem Kühleffekt wird die flüssige Phase, welche durch Vorkühlung
bereitgestellt werden kann, in die Expansionskammer 8o eingesprüht und absorbiert über eine Zeitdauer eine Wärmemenge,
welche der latenten Verdampfungswärme entspricht. Es ist herausgefunden worden, daß die kombinierte Kühlung durch die Kombination
des Joule-Thompson-Effekts und die latente Verdampfungswärme die Temperatur der Sonde 22a sehr schnell absenkt und damit
eine sehr schnelle Kühlung der Spitze 24a bewirkt.
-16-
709816/0751
Es ist auch verständlich, daß die Sonde 22a mit einem gesättigten Gas arbeiten kann, bei dem die flüssige und gasförmige Phase
gemischt vorliegen. Beide Phasen treten durch das Kapillarrohr 78 in die Expansionskammer 8o ein. Die flüssige Phase des Kühlmittels
bleibt für eine kurze Zeit in der Expansionskammer während der sie latente Verdampfungswärme aufnimmt. Somit ist ein
hochwünschenswerter Kühleffekt erreicht.
Die Konstruktion der Sonde 22a trägt während des Kühlvorganges dem Vorkühleffekt Rechnung, da das kalte abströmende Gas im Wärmetausch
mit dem Kapillarrohr 78 durch das Ausströmrohr 76 geführt wird, welches· das Kapillarrohr 78 konzentrisch umgibt.
Bei einigen Augenoperationen kann aber der Vorkühleffekt, der durch die Konstruktion der Sonde 22a erreicht wird, schädlich
sein, und zwar insbesondere dann, wenn der vordere Abschnitt des an die Spitze 24a angeschlossenen Ausströmrohrs 76 ebenso
wie die Spitze 24a einen Teil des Auges berühren muß. Aufgrund des kalten auf der Außenseite des Kapillarrohrs 78 strömenden
Gases wird der vordere Abschnitt 11o des Ausströmrohrs 76 ebenso
wie die Spitze 24a gekühlt, was für die Operationstechnik schädlich sein kann, wenn der Abschnitt 11o beim Einführen der Sonde
22a in das Auge benachbartes Gewebe gefriert. Um dies zu vermeiden, kann eine in Fig. 8 dargestellte Sonde 22b in Verbindung mit
dem Temperaturbehandlungsinstrument 2o benutzt werden.
Die Sonde 22b ist mit Ausnahme der Einlaß- und Auslaßanschlüsse in ihrer Konstruktion derjenigen der Sonde 22a ähnlich. Bei der
Sonde 22b führt eine Einlaßleitung 112 durch ein Anschlußstück und liefert gasförmiges Kühlmittel an ein Einlaßrohr 116, dessen
eines Ende von dem Anschlußstück 114 gehalten ist. Das Einlaßrohr 116 umfaßt ein vorstehendes Ansatzstück 118, das in einer
Spitze 24b endet, die insbesondere für eine Coagulation der Netzhaut nützlich ist. Innerhalb des Ansatzstücks 118 ist konzentrisch
zu diesem ein Auslaßrohr 12o vorgesehen, welches einen
-17-
709816/0751
Ansatz 122 aufweist, der über ein Anschlußstück 114 an eine Auslaßleitung
124 angeschlossen ist. Das äußerste vordere Ende 126 des Auslaßrohrs 12o ist in seinem Durchmesser vergrößert, um eine
Joule-Thompson-Strömungseinschnürung durch Bereitstellung eines Ringraumes, einer Düse oder einer öffnung 128 zwischen dem äußersten
vorderen Ende 126 des Auslaßrohrs 12o und dem Einlaßrohr zu bilden. Die Öffnung endet in einer Expansionskammer 13o in
Wärmetauschwirkung mit der Spitze 24b.
Bei der Konstruktion der Sonde 22b wird einströmendes, unter hohem
Druck stehendes Kühlgas durch den Ringraum zwischen dem Ansatzstück 118 und dem Auslaßrohr 12o geführt und expandiert durch
den Ringraum an der Strömungseinschnürung 128 in die Expansionskammer 13o hinein, um die Spitze 24b zu kühlen. Das Gas verläßt
die Expansionskammer 13o durch das innenliegende Ansatzstück in die Atmosphäre. Aufgrund dieser Anordnung liegt das kältere
abströmende Gas nicht in Wärmetauschbeziehung mit dem Einlaßrohr 118, sondern vielmehr isoliert das einströmende Gas die Rohroberfläche,
um eine Kühlung dieser Fläche auszuschließen. Im übrigen ist das Arbeiten der Sonde 22b identisch mit demjenigen der Sonde
22a.
Es hat sich herausgestellt, daß das Kapillarrohr 78 der Sonde 22a oder eine der Leitungen der Sonde 22b mit Eiskristallen, die
durch kondensierten Kühlmitteldampf entstanden sind, verstopft werden können, wenn entweder die Sonde in ihrer Bereitstellung
zu einem Friervorgang oder einem Abtauvorgang für eine längere Zeit verbleibt. Es wurde ermittelt, daß diese Zeit in Abhängigkeit
von der Art der Sonde über 3 bis 1o Minuten liegt.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit kann beim Betrieb des Instruments
eine andere Bereitstellung zum Frieren oder Abtauen benutzt werden, die in Fig. 1o dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist ein Ablaßventil 17o zwischen den Auslaß der Sonde 22 und den Einlaß 66 zur Auslaßöffnung 6o geschaltet.
Dieses Ablaßventil 17o gestattet es, daß ein kontinuierlicher Fluß von unter hohem Druck stehendem Gas aus der Sonde 22
0 9 8~11§7 Ö 7 S 1
abgelassen wird, wenn die Auslaßöffnung 60 geschlossen ist, ohne daß die Frier- oder Abtaufähigkeit der Sonde 22 beeinträchtigt
wird. Die geringe durch das Ablaßventil 17o, das als Nadelventil ausgebildet sein kann, abströmende Menge des Kühlmittels
3 3
kann in der Größenordnung von 36,8 dm /h bis 39,6 dm /h
3 2 (1,3 - 1,4 scfh) bei einem Eingangsdruck zwischen 33o9 χ 1o N/m
bis 4654 κ 1o3 N/m (48o-62o p.s.i.) liegen. Der ständige Ablaß
des unter hohem Druck stehenden Gases schließt aus, daß Kühlmitteldampf über eine zu lange Zeit in Kontakt mit den Elementen der
Sonde bleibt, wodurch verhindert wird, daß der Dampf an den Elementen kondensiert und Eiskristalle bildet, welche die Bauteile
verstopfen können.
Während des Gefrier- oder Reinigungszyklus des Instruments wird
das Gas den Strömungsweg des geringsten Widerstandes nehmen, der durch die Auslaßöffnung 60 führt, so daß das Gefrieren, Abtauen
und Reinigen des Geräts gemäß den Fig. 1 bis 5 nicht beeinträchtigt wird.
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Leerseite
Claims (1)
- Ansprüche1. Verfahren zum Kühlen und Erwärmen eines Kopfes eines Temperaturbehandlungsinstruments in Kontakt mit Körpergewebe, wobei ein gasförmiges Kühlmittel von im wesentlichen Umgebungstemperatur und relativ hohem Druck einer stationären Strömungseinschnürung, die mit einer Expansionskammer im Kopf des Instruments kommuniziert, zugeleitet wird, das Kühlmittel durch die Strömungseinschnürung hindurch in die Expansionskammer zur Erzeugung einer Joule-Thompson-Expansion geleitet wird und das aus der Expansionskammer abströmende Kühlmittel während des Kühlvorgangs in die Atmosphäre austritt und dann zur Erwärmung des Kopfes eine ausreichende Gasmenge nach Unterbrechung der Ausströmung im Instrument eingeschlossen wird, dadurch geke nnzeichn e t , daß der Druck des gasförmigen Kühlmittels vor seinem Eintritt in die Expansionskammer unter einen für eine Joule-Thompson-Expansion erforderlichen Wert reduziert wird, daß dann das Instrument durch das Kühlmittel von Verunreinigungen gereinigt wird und daß das aus der Expansionskammer ausströmende Gas in die Atmosphäre abgeleitet wird.Temperaturbehandlungsinstrument zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Expansionskammer, die eine aus hochwärmeleitfähigem Material bestehende, mit dem Körpergewebe in Berührung kommende Sondenspitze aufweist, Kühlmittelversorgungseinrichtungen zur Zufuhr eines unter Druck stehenden gasförmigen Kühlmittels zur Expansionskammer und einer Strömungseinschnürung zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Joule-Thompson-Expansion des Gases, dadurch gekennzeichnet , daß wahlweise betätigbare Druckstelleneinrichtungen (32,34,36,38) zur Reduzierung des Druckes des gasförmigen Kühlmittels und Auslaßeinrichtungen (6o) zum Ablassen des Gases in die Atmosphäre vorgesehen sind.-2o-OR5GINÄL INSPECtEO70981S/07513. Temperaturbehandlungsinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Auslaßeinrichtungen ein mit der Expansionskammer (8o; 13o) über eine Auslaßleitung verbundenes Auslaßventil (6o) für abströmendes Gas haben.4. Temperaturbehandlungsinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Auslaßventil (6o) mit einem Fußschalter (34) in Wirkverbindung steht.5. Temperaturbehandlungsinstrument nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmitte !Versorgungseinrichtungen ein Sicherheitsventil (31) aufweisen.6. Temperaturbehandlungsinstrument nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungseinschnürung ein Kapillarrohr (78) umfaßt.7. Temperaturbehandlungsinstrument nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelversorgungseinrichtungen einen länglichen Zuleitungsabschnitt (112,116) aufweisen, in dessen Anschluß die Strömungseinschnürung (128) nahe der Sondenspitze (24b) angeordnet ist, daß eine Auslaßleitung (12o, 124) vorgesehen ist, welche in Verbindung mit dem Zuleitungsabschnitt (112, 116) einen Ringraum bilden, und daß das Auslaßventil (6o) zwischen der Auslaßleitung (12o, 124) und der Atmosphäre liegt.8. Temperaturbehandlungsinstrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teil der Zuleitung (112, 116) und der Auslaßleitung (12o, 124) konzentrisch zueinander angeordnet sind.9. Temperaturbehandlungsinstrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung (12o, 124) innerhalb der Zuleitung (112, 116) liegt.-21-709Ö16/07S1-23-10. Temperaturbehandlungsinstrument nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungseinschnürung ein stationärer Körper ist.11. Temperaturbehandlungsinstrument nach einem der Ansprüche 2-1o, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Expansionskammer und dem Auslaßventil (6o) ein Ablaßventil (17o) vorgesehen ist.709816/07S1
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