DE2641813B2 - Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments sowie Instrument zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Inbetriebnahme eines kryochirurgischen Instruments sowie Instrument zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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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
5r> 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 (13)
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.
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