DE2641813B2

DE2641813B2 - Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments sowie Instrument zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2641813B2
Application number: DE2641813A
Authority: DE
Inventors: Ronald Michael Norwalk Conn. Wallach (V.St.A.)
Original assignee: Cryomedics Inc
Current assignee: Cryomedics Inc
Priority date: 1975-10-09
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1978-10-19
Also published as: JPS5248294A; DE2641813C3; GB1547296A; JPS5710739B2; DE2641813A1; US4018227A; GB1547295A; JPS53115594A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments, bei dem ein gasförmiges Kühlmittel durch eine Strömungseinschnürung hindurch in eine Expansionskammer zur Erzeugung einer Joule-Thompson-Expansion geleitet wird und das aus der Expansionskammer abströmende Kühlmittel während des Kühlvorgangs in die Atmosphäre austritt.

Ferner betrifft die Erfindung ein Instrument zur Durchführung dieses Verfahrens mit Kühlmittelversorgungseinrichtungen zur Zufuhr eines unter Druck stehenden gasförmigen Kühlmittels zur Expansionskammer und einer Strömungseinschnürung zur Erzeugung einer Druckdifferenz mit Joule-Thompson-Expansion des Gases.

Es sind chiruigische Techniken zur Nekrose, zum Anheften und zum Entfernen sowie zur Koagulation defekter oder kranken Körpergewebe durch Reduzierung der Temperatur des Gewebes auf relativ niedrige Werte bekannt. Ferner kennt man eine Reihe von kryochirurgischen Instrumenten, welche den praktischen Mediziner bei dieser Art der Behandlung unterstützen. Generell umfassen diese Instrumente einen Kopf oder eine Sondenspitze, 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 Kälteeinwirkung 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 bekannten kryochirurgischen Instrumenten 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. Diese Instrumente weisen weiterhin Einrichtungen zu einer schnellen Erwärmung der Spitze der Sonde auf, um das Entfernen der Sonde von dem Körpergewebe zu vereinfachen.

Es sind bereits verschiedene Instrumente zum Kühlen und Erwärmen der Sondenspitze benutzt worden. Bei einem dieser Instrumente (britische Patentschrift 11 11 757) 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 kryochirurgischen Instrument (US-Patentschrift 35 48 829) 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 Richtung 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.

Diese und andere bekannten kryochirurgischen Instrumente 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 Eispartikeln bilden.

Es wird hier weiter auf ein kryochirurgisches Instrument (US-Patentschrift 36 96 813) Bezug genommen. das von dem Joule-Thompson-Effekt zum Abkühlen der Sondenspitze Gebrauch macht, welche sich in Wärmetauschverbindung mit der Expansionskammer befindet. Ein schnellwirkendes Zweiwegeventil, das unabhängig von der Expansionskammer und in Strömungsrichtung 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 Verfahren sowie ein Instrument zu seiner Durchführung anzugeben, das Betriebsstörungen aufgrund von Verunreinigungen zuverlässig vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Beseitigung von Verunreinigungen im Instrument der Druck des gasförmigen Kühlmittels vor seinem Eintritt in die Expansionskammer unter einen für eine Joule-Thompson-Expansion erforderlichen Wert

ju reduziert wird, daß dann das Instrument vom Kühlmittel durchströmt wird und daß das aus der Expansionskammer ausströmende Gas in die Atmosphäre abgeleitet wird. Dabei kann der Reinigungszyklus eine nicht festgelegte Zeit andauern und ist unabhängig von dem Abkühl- und Abtauvorgang.

Zur Durchführung dieses Verfahrens sieht die Erfindung ein kryochirurgisches Instrument der eingangs erwähnten Art vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß wahlweise betätigbare Druckstelleinrichtungen zur Reduzierung des Druckes des gasförmigen Kühlmittelsund Auslaßeinrichtungen zum Ablassen des Gases in die Atmosphäre vorgesehen sind.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner dadurch gelöst, daß zur Verhinderung von Verunreinigungen des Instruments ein kleiner Teil des gasförmigen Kühlmittels kontinuierlich abgelassen wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß Kühlmitteldampf über eine zu lange Zeit in Kontakt mit den Elementen der Sonde verbleibt und dabei kondensiert. Eine solche Kondensation könnte nämlich zur Bildung von Eiskristallen und damit zu Verstopfungen führen.

Zur Durchführung dieses Verfahrens sieht die Erfindung ein Instrument der eingangs ei wähnten Art vor, welches dadurch ausgezeichnet ist, daß ein Ablaßventil zum kontinuierlichen Ablassen eines kleinen Teils des gasförmigen Kühlmittels in die Atmosphäre vorgesehen ist.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung, die Gegenstand der Unteransprüche sind, ergeben sich aus dem nachfolgenden Teil der Beschreibung.

Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F ι g. 1 eine schematische Ansicht der verschiedenen Bauteile des erfindungsgemäßen kryochirurgischen Instrumentes sowie das Arbeiten des Instruments in seiner Bereitstellung für die Durchführung eines Reinigungszyklus,

F i g. 2 eine der F i g. 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,

F i g. 4 eine der F i g. 1 ähnliche Ansicht, die das Arbeiten des Instruments beim Kühlzyklus zeigt,

F i g. 5 eine der F i g. 1 ähnliche Ansicht, welche das Abschalten des Instruments zeigt,

Fig.6 eine Legende, welche die verschiedenen Drücke des Kühlmediums definiert, das durch das Instrument gemäß den F i g. 1 - 5 fließt,

F i g. 7 eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des in F i g. 1 schematisch dargestellten Instruments mit einem Längsschnitt eines typischen augenoptischen Sondenbauteils,

Fig.8 eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht mit einer abgewandelten Sondenform,

Fig.9 einen Längsschnitt des Druckentlastungsventils des in Fig. 1 schematisch dargestellten Instruments und

Fig. 10 eine der Fig.3 ähnliche Ansicht, die eine alternative Bereitstellung für einen Abkühlungszyklus 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 kryochirurgischen Instruments sind in F i g. 1 schematisch dargestellt.

Das Instrument 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 abgekühlten 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 US-Patentschrift 36 96 813 beschrieben ist und dort zur Gewebenekrose benutzt wird.

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 einen 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 Expansionskammer 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,

ίο 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 thermische 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 (CO₂) und Stickoxidul (N₂O) in Betracht.

Die anderen Bauteile des Instruments 20 umfassen einen Kühlgasbehälter 26 als Kühlgasquelle, einen einstellbaren Druckregler 28, ein Kreuzstück 30 mit einem Sicherheitsventil 31, einen Solldruckregler 32, einen Fußschalter 34, ein Stellventil 36, ein handbetätigtes Ventil 38, ein Manometer 40, ein Anschlußstück 42 für den Sondeneinlaß und ein Anschlußstück 44 für den Sondenauslaß. In den schematischen Ansichten sind keine Schläuche dargestellt; es ist offensichtlich, daß geeignete Schlauchverbindungen zwischen den verschiedenen Bauteilen des Instruments 20 angeordnet

jo sind, um das Kühlgas in der in den Fig. 1—5 dargestellten Weise zu führen.

Das Arbeiten des Instruments 20 wird eingeleitet durch öffnen des Kühlgasbehälters 26. Gas aus diesem Behälter 26, das sich üblicherweise in Abhängigkeit von

i"> dem benutzten Kühlmittel unter einem Druck von 5240 χ 10³ bis 5792 χ 10³NAn* (760-840 p.s.i.) bei einer Temperatur von 21°C (70⁰F) befindet, wird durch den Druckregler 28 (F i g. 1) aus Sicherheitsgründen auf einen Druck von 3309 χ 10³ bis 4275 χ ΙΟ³ N/m²

■4» (480-620 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 30, und das Sicherheitsventil 31 öffnet und

•»5 entlastet das System, wenn der Druck am Einlaß 33 über 4654 χ 10³ N/m* (675 p.s.i.) liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, dann strömt das regulierte Gas durch einen Auslaß 35 des Kreuzstücks 30 in einen Einlaß 46 des handbetätigten Ventils 38 und wird kurzzeitig angehal-

^r>(i ten, 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 30

5^r> zu einem Einlaß 50 des Solldruckreglers 32, wo der Druck gemindert wird auf 690 χ 10³ N/m² (100 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

"C 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 Gasstrom durch das Manometer 40 hindurchgeht, zeigt es »0« N/m² an. Das

<>^Γ) Temperaturbehandlungsinstrument 20 ist nun in einer Bereitstellung, um gereinigt zu werden. Dieser Zustand ist in F i g. 1 voll dargestellt.

Die Druckregler 28 und 32, das Kreuzstück 30, das

handbetätigte Ventil 38, das Manometer 40, 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 150, der auf das Gehäuse des Kreuzstücks 30 aufgeschraubt ist, so daß Kommunikation zwischen dem Einlaß 33 des Kreuzstücks 30 und einer normalerweise geschlossenen Einlaßöffnung 152 im Rohrnippel 150 besteht. Die Einlaßöffnung 152 ist normalerweise geschlossen durch ein Ventilelement 154, das an einer Dichtung 156 befestigt ist, die wiederum durch eine im Ventilgehäuse

160 sitzende Schraubenfeder 158 auf einen Ventilsitz 162 an dem von der Einlaßöffnung 152 entfernten Ende des Rohrnippels 150 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 154 ausgeübte Druck einen Wert von 4654 χ 10³N/m² (675 p.s.i.) überschreitet. Wenn dies vorkommt, dann strömt Gas an der Dichtung 156 vorbei in das Ventilgehäuse 160 und über eine Auslaßöffnung

161 in dem Ventilgehäuse 160 in die Atmosphäre.

Um das Instrument von Verunreinigungen wie Restfeuchtigkeit oder Schmutz zu säubern, läßt man das Kühlgas bei einem Druck von 690 χ 10³N/m² (100 p.s.i.) durch die Sonde 22 zirkulieren, wie das in F i g. 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 und Gas mit einem Druck von 690 χ W N/m² (100 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 60 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 "to Einlaß 64 in Kommunikation mit dem Auslaß 48 und das regulierte Gas kann dann durch das Manometer 40, das Anschlußstück 42, die Sonde 22, das Anschlußstück 44 und durch einen zweiten Einlaß 66 im Stellventil 36 hindurchtreten und durch die Auslaßöffnung 60 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 einem Druck von 690 χ 10³N/m² (100 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 F i g. 2 umfassend dargestellt und kann jede beliebige Zeitdauer einnehmen, solange das handbetätigte Ventil 38 sich in der »Aus«-Stellung befindet und der Fußschalter 34 niedergedrückt ist. Während dieses Zyklus oder dieser Phase zeigt das Manometer 40 690 χ 10³N/m² (100 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 20 für die Kühlung der Spitze 24 der Sonde 22 zu präparieren, ist es lediglich erforderlich, f>5 das Ventil 38 von Hand in seine »Ein«-Stellung zu bringen, die in F i g. 3 dargestellt ist. Dadurch kommt es zu einer Kommunikation zwischen dem EinL.. 46 und dem Auslaß 48 dieser Ventile, so daß Hochdruckgas vor 3309 χ ΙΟ³ bis 4275 χ 10³ N/m² (480-620 p.s.i.) durch das handbetätigte Ventil 38, das Manometer 40, das Anschlußstück 42, die Sonde 22, das Anschlußstück 44 und schließlich in den Einlaß 66 des Stellventils 3f gelangt. Da die Auslaßöffnung 60 dieses Ventils geschlossen ist, weil der Stößel 39 des Fußschalters 34 nicht niedergedrückt ist, baut sich in Strömungsrichtung hinter der Expansionskammer in der Sonde 22 eir Gasdruck auf, so daß jede Joule-Thompson-Expansior an der Strömungseinschnürung in der Sonde 22 neutralisiert und ein Temperaturabfall des Gases in dei Expansionskammer ausgeschlossen wird, so daß sie irr wesentlichen bei Umfangstemperatur bleibt. Das Manometer 40 zeigt nun 3309 χ 10³ bis 4275 χ 10³ N/m² (480-620 p.s.i.) an. Diese Einstellung des Instruments ist in F i g. 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 auf 690 χ 10³ N/m² (100 p.s.i.) regulierte Gas durch den Fußschalter 34 in das Stellventil 36 hineinströmen und die Auslaßöffnung 6C 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 60 in die Atmosphäre austreten. Dieses reduziert den in Strömungsrichtung hinter der Strömungseinschnürung gelegenen Gegendruck in der Sonde 22 und gestattet, daC eine Joule-Thompson-Expansion vor sich geht. Das ir der Expansionskammer nahe der Spitze 24 abgekühlt« Gas kühlt diese durch Wärmeaustausch. Der Gefrier Vorgang an der Spitze 24 hält so lange an, wie dei Fußschalter 34 niedergedrückt ist, und das Manometei 40 zeigt einen Druck von 3309 χ 10³ bi: 4275 χ 10³N/m²(486-620p.s.i.)an.

Um die Spitze 24 zu erwärmen und abzutauen, ist e; lediglich erforderlich, den Stößel 39 des Fußschalters 3< freizugeben, so daß das Instrument in seine in Fig.: gezeigte Stellung zurückgebracht wird, in der dei Zustrom von Gas von geringem Druck zu derr Stellventil 36 unterbrochen und damit die Auslaßöff nung 60 geschlossen ist. Der Rückdruck in Strömungs richtung hinter der Expansionskammer in der Sonde 2i schließt dann eine weitere Joule-Thompson-Expansior aus, und das Instrument wird mit einem unter hohen Druck bei Umgebungstemperatur stehenden Ga! gefüllt. Wärmeübertragung zwischen dem Gas und dei Spitze 24 der Sonde 22 führt schnell zu einem Abtauer der Spitze 24.

Das Abschalten des Instruments ist in Fig.; dargestellt. Wenn die Operation beendet und dei Fußschalter 34 freigegeben ist, dann wird das handbetä tigte Ventil 38 in seine »Aus«-Stellung gebracht, welch« den Auslaß 48 in Verbindung mit dem Einlaß 64 diese: Ventils 38 bringt. In diesem Zustand ist das Instrumen' 20 wieder für die in F i g. 3 dargestellte Frosterstelluni bereit. Dadurch wird der Gasdruck in der Sonde 22 unc im größten Teil des Systems abgebaut. Die Sonde 2i kann nun von dem Kühlgasbehälter 26 getrennt werder und restliches expandiertes Gas innerhalb des System! kann über die strichpunktierte Linie in Fig.5 in die Atmosphäre abgegeben werden. Die Auslaßöffnung 6C

des Stellventils 36 wird durch den Restdruck in der Sonde 22 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 F i g. 7 sind Details einer typischen Sonde 22a zur Benutzung in einem Temperaturbehandlungsinstrument 20 insbesondere für die Entfernung von Katarakt-Augenlinsen gezeigt. Die Sonde 22a umfaßt einen länglichen, rohrförmigen Körper 70, der einen üblichen Handgriff für den Operateur bildet. Dieser Körper 70 ist an seinem vorderen Ende durch einen rohrförmigen Nasenabschnitt 72 abnehmender Stärke versteift. Innerhalb des Nasenabschnitts 72 ist eine Ausströmeinrichtung 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 80 zu bilden.

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 82 des Ausströmrohrs 76 an eine Ausströmleitung 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 90 angeschlossen, 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 100 für die Einlaßleitung 94 und die Auslaßleitung 86 an der Sonde 22a fest.

Die Einlaßleitung 94 und die Auslaßleitung 86 reichen über das Ende der Schutzhülle 100 hinaus und werden in einem Kuppelstück 102 voneinander getrennt, wobei die Auslaß- und Einlaßleitungen danach durch Schutzhüllen 104 bzw. 106 geschützt sind, die wiederum an Anschlußstücke 44a und 42a angeschlossen sind, deren Wirkungsweise in Verbindung mit den Fig. 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 92 und tritt in das Rohr 90 und das Kapillarrohr 78 ein, welches durch das Rohranschlußstück 84 hindurchgeführt ist. Am Ende des Kapillarrohrs 78 wird das Gas in die Expansionskammer 80 abgegeben, in der, wenn die Auslaßöffnung 60 des Stellventils 36 offen ist und sich das Gas bei einem hohen Druck von 3309 χ 10³N/m² bis 4275 χ lO^N/m* (480-620 p.s.i.) befindet, das Gas eine 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 60 baut sich der Gasdruck in der Ausströmleitung 86 und in dem Ausströmrohr 76 auf und schließt damit einen wesentlichen Druckabfall des durch das Kapillarrohr 78 in die Expansionskammer 80 eintretenden Gases aus. Da das in die Expansionskammer 80 eintretende Gas Umgebungstemperatur hat, taut es durch Wärmeaustausch mit der Spitze 24a diese auf. Bei mit niedrigem Druck von z. B. 690 χ ΙΟ³ N/m² (100 p.s.i.) durch das Kapillarrohr 78 hindurchströmendem Gas tritt in der Expansionskammer 80 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 80 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. Im Zusammenwirken mit diesem Kühleffekt wird die flüssige Phase, welche durch Vorkühlung bereitgestellt werden kann, in die Expansionskammer 80 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.

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 80 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 110 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 UO des Ausströmrohrs 76 ebenso wie die Spitze 24a gekühlt, was für die Opcralionstechnik schädlich sein kann, wenn der Abschnitt 110 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 20 benutzt werden.

Die Sonde 226 ist mit Ausnahme der Einlaß- und

Auslaßanschlüsse in ihrer Konstruktion derjenigen der Sonde 22a ähnlich. Bei der Sonde 22£> führt eine Einlaßleitung 112 durch ein Anschlußstück 114 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 Ausiaßrohr 120 vorgesehen, welches einen Ansatz 122 aufweist, der über ein Anschlußstück 114 an eine Auslaßleitung 124 angeschlossen ist. Das äußerste vordere Ende 126 des Auslaßrohrs 120 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 120 und dem Einlaßrohr 116 zu bilden. Die öffnung endet in einer Expansionskammer 130 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 120 geführt und expandiert durch den Ringraum an der Strömungseinschnürung 128 in die :>s Expansionskammer 130 hinein, um die Spitze 24b zu kühlen. Das Gas verläßt die Expansionskamnier 130 durch das innenliegende Ansatzstück 118 in die Atmosphäre. Aufgrund dieser Anordnung liegt das kältere abströmende Gas nicht in Wärmetauschbezie- i< > hung 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. Ji

Es hat sich herausgestellt, daß das Kapillarrohr 78 der Sonde 22a oder eine der Leitungen der Sonde 226 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 10 Minuten liegt.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit kann beim Betrieb des Instruments eine andere Bereitstellung zum Frieren oder Abtauen benutzt werden, die in Fig. 10 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ablaßventil 170 zwischen den Auslaß der Sonde 22 und den Einlaß 66 zur Auslaßöffnung 60 geschaltet. Dieses Ablaßventil 170 gestattet es, daß ein kontinuierlicher Fluß von unter hohem Druck stehendem Gas aus der Sonde 22 abgelassen wird, wenn die Auslaßöffnung 60 geschlossen ist, ohne daß die Frier- oder Abtaufähigkeit der Sonde 22 beeinträchtigt wird. Die geringe durch das Ablaßventil 170, das als Nadelventil ausgebildet sein kann, abströmende Menge des Kühlmittels kann in der Größenordnung von 36,8 dmVh bis 39,6 dmVh (1,3 - 1,4 scfh) bei einem Eingangsdruck zwischen 3309 χ 10* N/m-' bis 4654 χ 103 N/m-' (480-620 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 ;in den Elementen kondensiert und Eiskristalle bildet, w eiche 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 F i g. 1 bis 5 nicht beeinträchtigt wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments, bei dem ein gasförmiges Kühlmittel durch eine Strömungseinschnürung hindurch in eine Expansionskanimer zur Erzeugung einer Joule-Thompson-Expansion geleitet wird und das aus der Expansionskammer abströmende Kühlmittel während des Kühlvorgangs in die Atmosphäre austritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung von Verunreinigungen im Instrument der Druck des gasförmigen Kühlmittels vor seinem Eintritt in die Expansionskammer unter einen für eine Joule-Thompson-Expansion erforderliehen Wert reduziert wird, daß dann das Instrument vom Kühlmittel durchströmt wird und daß das aus der Expansionskammer ausströmende Ga? in die Atmosphäre abgeleitet wird.

2. Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments, bei dem ein gasförmiges Kühlmittel durch eine Strömlingseinschnürung hindurch in eine Expansionskammer zur Erzeugung einer Joule-Thompson-Expansion geleitet wird und das aus der Expansionskammer abströmende Kühlmittel während des Kühlvorgangs in die Atmosphäre austritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Verunreinigungen des Instruments ein kleiner Teil des gasförmigen Kühlmittels kontinuierlich abgelassen wird.

3. Instrument zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit 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 Druckstelleinrichtungen (32, 34, 36, 38) zur Reduzierung des Druckes des gasförmigen Kühlmittels und Auslaßeinrichtungen (60) zum Ablassen des Gases in die Atmosphäre vorgesehen sind.

4. Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtungen ein mit der Expansionskammer (80; 130) über eine Auslaßeinrichtung verbundenes Auslaßventil (60) für abströmendes Gas haben.

5. Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (60) mit einem Fußschalter (34) in Wirkverbindung steht.

6. Instrument nach einem der Ansprüche 3 — 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelversorgungseinrichtungen ein Sicherheitsventil (31) aufweisen.

7. Instrument nach einem der Ansprüche 3 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungseinschnürung ein Kapillarrohr (78) umfaßt.

8. Instrument nach einem der Ansprüche 3-6, 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 (120, 124) vorgesehen ist, welche in Verbindung mit dem Zuleitungsabschnitt (112, 116) einen Ringraum bilden, und daß das Auslaßventil (60) zwischen der Auslaßleitung (120,124) und der Atmosphäre liegt.

9. Instrument nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Zuleitung (112, 116) und der Auslaßleitung (120, 124) konzentrisch zueinander angeordnet sind.

10. Instrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitung (120,124) innerhalb der Zuleitung (112,116) liegt.

11. Instrument nach einem der Ansprüche 3— 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungseinschnürung ein stationärer Körper ist.

12. Instrument zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit 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 ein Ablaßventil (170) zum kontinuierlichen Ablassen eines kleinen Teils des gasförmigen Kühlmittels in die Atmosphäre vorgesehen ist.

13. Instrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaßventil (170) zwischen der Expansionskammer (80,130) und einem Auslaßventil (60) vorgesehen ist.