DE3152774C2 - Thermoelectric cryoprobe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer thermoelektrischen Kryosonde λ gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der US-PS 39 71 229 ist eine solche thermoelektrische Kryosonde zur Kälteapplikation bekannt. Dieses Gerät weist an einem Ende ein Kälte erzeugendes Halbleiter-Thermoelement auf, das an eine Metallmasse geschweißt oder gelötet ist, um Wärme von der heißen Lötstelle des Halbleiter-Thermoelements abzuführen. Innerhalb des Gerätekörpers ist hinter der Metallmasse eine wiederaufladbare Batterie angeordnet, die über zwei Leiter an die Metallmasse angeschlossen ist. Das Halbleiter-Thermoelement ist von einer konischen Plastikkappe umgeben, so daß nur die kalte Lötstelle des Halbleiter-Thermoelements, die die Arbeitsfläche der Kryosonde bildet, über die konische Plastikkappe herausragt.

Da bei diesem bekannten Gerät die kühlende Metallmasse von der Außenhülle des Geräts umgeben ist, ist der Wärmeaustausch zwischen der Metallmasse und dem umgebenden Medium wesentlich beschränkt. Die Kappe, durch die die Arbeitsfläche des Halbleiter-Thermoelements herausragt, schränkt das Blickfeld auf die Operationsstelle ein, was besonders unpraktisch für Operationen ist, die unter dem Mikroskop durchgeführt werden müssen. Die Ausstattung des Gerätes mit verschiedenen Mitteln zur Wärmeableitung vom Halbleiter-Thermoelement und Mitteln zur Leitung des Stroms zwischen der Batterie und das Halbleiterthermoelement führt dazu, daß die Querschnittsfläche für thermische Dissipation erniedrigt wird, wodurch die Wirkungsweise der Kryosonde unter bestimmten Bedingungen negativ beeinflußt wird.

Eine besonders weitgehende Anwendung finden zur Zeit medizinische Kryosonden mit gasförmigen oder flüssigen Kältemitteln (Kohlensäure, Freone, flüssiger Stickstoff usw.), die man in zwei Haupttypen, und zwar Kryosonden mit einer diskontinuierlichen und einer kontinuierlichen Zuführung des Kältemittels, einteilen kann.

Die Konstruktionen einer Kryosonde des ersteren Types stellt einen Behälter dar, der vorher mit einem flüssigen Kältemittel gefüllt wird, das einen Metallstab abkühlt. Der letztere bildet ein Arbeitsorgan der Kryosonde. Auf diese Weise wird während einer unmittelbaren Anwendung bei der Operation die Temperatur des Arbeitsorganes der Kryosonde nicht geregelt, und sie ist recht niedrig (liegt unter -40° C).

Die Beheizung des Gerätes bei einer besonders gefährlichen Komplikation während der Operation (tiefe Durchfrierung, Anfrieren vom Außengewebe usw.) wird in den meisten Fällen mittels einer warmen sterilen Flüssigkeit durchgeführt, die unmittelbar in den Bereich des Anfrierens zugeführt wird.

Der Prozeß des Aufwärmens dauert recht lange (einige Dutzende von Sekunden), und für eine Wiederverwendung der Kryosonde bei dieser Operation ist es erforderlich, diese erneut mit einem Kältemittel zu tanken.

Zu einem häufigen Entstehen der genannten Komplikationen trägt der Umstand bei, daß die Kryosonde vor dem Einführen in das Operationsfeld abgekühlt wird, sowie auch, daß das Arbeitsorgan abgekühlte Seitenflächen aufweist.

Die Kryosonden mit einer kontinuierlichen Zuführung des Kältemittels sind bedeutend vollkommener, besitzen jedoch eine kompliziertere Konstruktion. In diesem Fall wird eine komplizierte Gasapparatur verwendet, die Wartung der Kryosonde und deren Vorbereitung auf die Operation werden erschwert, und es ist ständig eine bedeutende Kältemittelreserve erforderlich.

In den 60er Jahren wurde eine Konstruktion einer medizinischen Kryosonde vorgeschlagen, in der der Peltier-Effekt angewandt wird (s. z. B. den Aufsatz von I. Ch. Poltinnikow, E. A. Kolenko "Intrakapselare Extraktion der Katarakte mit einem Halbleiterapparat", in "Ophthalmologische Fachschrift", H. 8, 1964, S. 563- 566).

Die medizinische thermoelektrische Kryosonde enthält ein kühlendes Halbleiter-Thermoelement und einen Griff, der aus zwei Griffhälften besteht. An den Griffhälften sind p- und n-Schenkel des Thermoelementes angeordnet.

Die Kälteleistung des Thermoelementes wird auf die Arbeitsfläche der Kryosonde konzentriert; als solche verwendet man ein Metallendstück, einen Konzentrator, der an einer Schaltplatte des Thermoelementes angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine für das Anfrieren erforderliche, spezifische Kälteerzeugung der Arbeitsfläche der Kryosonde erzielt.

Die Wärmeabführung von den heißen Thermoelementlötstellen wird bei solchen Kryosonden mittels des fließenden Wassers verwirklicht, das in den Hohlräumen des Griffes umläuft.

Von dem massiven Endstück-Konzentrator wird auch in diesem Fall ein großes Wärmebeharrungsvermögen der Kryosonde bestimmt. So soll z. B. zur Abkühlung die Kryosonde etwa 3 min vor dem Anfrieren an das Gewebe eingeschaltet werden. Deshalb ist man nach wie vor gezwungen, in das Operationsfeld eine vorher abgekühlte Kryosonde einzuführen, die neben der Arbeitsfläche noch bedeutende, abgekühlte Seitenflächen besitzt.

Wie bereits oben festgestellt wurde, wird dadurch eine Gefahr für das Entstehen von Komplikationen bei einer Operation, insbesondere bei der Durchführung von ophthalmologischen Operationen unter den Bedingungen eines recht kleinen Operationsfeldes, verursacht.

Unter diesen Bedingungen wird die Handhabung des Gerätes durch die Rohre für Wasserkühlung, die das Wasser zu dem Griff zuführen, wesentlich erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elne thermoelektrische Kryosonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die trägheitsarm und möglichst klein ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße bauliche Gestaltung der thermoelektrischen Kryosonde hat folgende charakteristische Vorteile:

Ein geringes Wärmebeharrungsvermögen. Die minimale Temperatur der Arbeitsfläche wird nach 1 bis 3 s nach dem Einschalten der Kryosonde erreicht. Die Kryosonde kann warm in das Operationsfeld eingeführt werden, wobei der Arbeitsbetriebszustand praktisch momentan nach dem Anlegen der Kryosonde an einer für das Anfrieren be­ sonders geeigneten Stelle erreicht wird.

Die Abkühlung ist auf die Arbeitsfläche der Kryo­ sonde eingegrenzt, und es fehlen dabei gekühlte Seiten­ flächen, die das Umgebungsgewebe anfrieren könnten.

Das Aufwärmen und die Abtrennung der Kryosonde von dem Gewebe erfolgen nach 1 bis 3 s nach dem Ab­ schalten des Stromes, wonach die Kryosonde bereit ist, einen Zyklus der Kryoeinwirkung zu wiederholen.

Die Kryosonde wird an die Außeneinrichtungen nur mittels eines dünnen und flexiblen Kabels angeschlossen, das die Bewegungen eines Chirurgen durchaus nicht be­ hindern kann.

Alle diese Vorteile vermindern stark die Wahr­ scheinlichkeit von Operationskomplikationen und ge­ statten es, bei den Operationen moderne Methodiken mit einer mehrfachen Verwendung der Kryosonde anzuwenden.

Zu den weiteren Vorteilen gehören eine außerordent­ lich einfache Bedienung der thermoelektrischen Kryosonde und deren einfache Vorbereitung auf die Operation.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus­ führungsbeispiels unter Bezugnahme auf beigefügte Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer thermoelektrischen Kryosonde gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Teil des Griffes einer thermoelektri­ schen Kryosonde mit einem Thermoelement, in vergrößertem Maßstab (Einheit A in Fig. 1);

Fig. 3 einen Schnitt III-III in Fig. 1.

Die erfindungsgemäße thermoelektrische Kryosonde enthält ein Halbleiter-Thermoelement 1 (Fig. 1), das an der Stirnwand eines verjüngten Endes des Griffes 2 angeordnet ist.

Der Griff 2 besteht aus zwei Griffhälften 3 und 4 (Fig. 2), die als Metallhalbzylinder ausgebildet sind, welche über eine dielektrische Zwischenlage 5 mitein­ ander befestigt sind. An der dem Halbleiter-Thermoele­ ment 1 (Fig. 1 ) gegenüberliegenden Stirnwand des Grif­ fes 2 ist ein elektrischer Stecker 6 vorgesehen, der die Griffhälften 3 und 4 des Griffes 2 mit den strom­ leitenden Adern eines zweiadrigen Kabels 7 verbindet. Die Griffhälften 3 und 4 des Griffes 2 sind erfin­ dungsgemäß aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärme­ leitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer ausgeführt.

Das Halbleiter-Thermoelement 1 besteht aus zwei Halbscheiben 8, 9 (Fig. 2), die aus bekannten thermo­ elektrischen Werkstoffen auf Basis von Wismut- und Antimontelluriden hergestellt sind.

Die Halbscheiben 8 und 9 sind durch eine Silber­ schaltplatte 10 miteinander verbunden, deren Dicke bis zu 0,1 mm beträgt. Die Schaltplatte 10 bildet eine "kalte" Lötstelle des Halbleiter-Thermoelementes 1, und deren Oberfläche dient als Arbeitsfläche der Kryo­ sonde.

Die "heißen" Stirnflächen der Halbscheiben 8, 9 des Halbleiter-Thermoelementes 1 sind unmittelbar auf die Stirnflächen der Griffhälften 3 und 4 des Griffes 2 aufgelötet und stehen mit diesen in einem guten elek­ trischen und thermischen Kontakt, indem sie "heiße" Lötstellen des Halbleiter-Thermoelementes 1 bilden.

Zum Schutz gegen die Einwirkung von sterilisieren­ den Lösungen werden die Oberflächen des Griffes 2 ver­ chromt, und die Seitenflächen des Halbleiter-Thermo­ elementes 1 werden mit einem Epoxydharzfilm überzogen.

Die medizinische thermoelektrische Kryosonde zur Kryoextraktion der Augenlinse weist ein Halbleiter- Thermoelement mit einem Durchmesser bis zu 2 mm auf. Die Dicke des Halbleiter-Thermoelementes 1 übersteigt in diesem Fall nicht einmal 1 mm.

Betrachten wir die Arbeitsweise einer thermo­ elektrischen Kryosonde. Der elektrische Strom wird von einem Gleichrichter oder einer anderen Gleichstrom­ quelle (in Figur nicht wiedergegeben) über das Kabel 7 (Fig. 1) durch den Stecker 6 zugeführt und fließt weiter durch die Griffhälften 3 und 4 (Fig. 2) des Griffes 2, die Halbscheiben 8 und 9 und die Schaltplat­ te 10 des Halbleiter-Thermoelementes 1 durch. Die Schaltplatte 10 wird dabei abgekühlt. Die Spannung, die den Griffhälften 3 und 4 des Griffes 2 zugeführt wird, beträgt ca. 0,1 V, die Stromstärke ca. 10 A.

Wie bekannt, nimmt die spezifische Kälteleistung des Halbleiter-Thermoelementes 1 (Kälteleistung einer Flächeneinheit der "kalten Lötstelle") mit der Vermin­ derung seiner Dicke zu und erweist sich bei der er­ findungsgemäß vorbestimmten Begrenzung der Dicke des Halbleiter-Thermoelementes 1 als ausreichend, um die Augenlinse unmittelbar mittels der Schaltplatte 10 ohne die Anwendung eines Endstückes, d. h. Konzentrators, anzufrieren.

Eine dabei erreichbare Vereinigung der Funktionen der Schaltplatte 10 und des Arbeitsorganes der Kryo­ sonde führt dazu, daß das Wärmebeharrungsvermögen einer thermoelektrischen Kryosonde nur durch das Wärmebeharrungsvermögen des Thermoelementes 1 bestimmt wird oder mit anderen Worten gesagt, die für das Er­ reichen des stationären Betriebes einer thermoelektri­ schen Kryosonde erforderliche Zeit mit der Zeit zusam­ menfällt, welche für das Erreichen der Wärmehaltung des Halbleiter-Thermoelementes 1 notwendig ist. Der zuletzt genannte Wert ist, wie bekannt, der zweiten Potenz der Dicke des Halbleiter-Thermoelementes umgekehrt proportional. Bei einer gemäß der Erfin­ dung vorbestimmten Begrenzung der Dicke des Halbleiter- Thermoelementes 1 wird seine stationäre Wärmehaltung nach 1 bis 2 s nach dem Einschalten (bzw. Ausschalten) des Stromes erreicht, wobei ein geringes Wärmebeharrungs­ vermögen der thermoelektrischen Kryosonde gewährleistet wird.

Die Wärme, die durch heiße Lötstellen des Halb­ leiter-Thermoelementes 1 entwickelt wird, wird durch den enger werdenden Teil des Griffes 2 abgeführt und des weiteren teilweise durch den Griff 2 gespeichert bzw. teilweise von dessen Oberfläche in die Umgebung abgegeben.

Zu einer zuverlässigen Wärmeabführung von den "heißen Lötstellen" trägt die Herstellung der Griff­ hälften 3 und 4 des Griffes 2 aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupfer, bei, das, wie bekannt, unter den Metallen einen der höchsten Werte der Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Die Speicherung eines Teiles der Wärme, die durch das Halbleiter-Thermoelement 1 entwickelt wird, durch den Griff 2 erfolgt praktisch in einem quasi­ stationären Betriebszustand mit einer veränderlichen Temperatur der "heißen Lötstellen". Diese Änderung erweist sich jedoch als gering und ruft keine wesent­ liche Änderung der Temperatur der mit dem abzukühlen­ den Gewebe in Berührung stehenden Schaltplatte 1 D während der Zeit hervor, die um das zehnfache die Zeit der Kryoeinwirkung übersteigt, welche für das Entfernen einer Augenlinse erforderlich ist.

Das Aufwärmen und die Abtrennung einer thermo­ elektrischen Kryosonde vom Gewebe finden beim Ab­ schalten des Stromes statt. Die Wärmezuführung zu dem angefrorenen Gewebe von dem Griff 2 durch das Thermo­ element 1, dessen Dicke begrenzt ist, ist dabei derart intensiv, daß das Freilegen des Gewebes nach 1 bis 2 s nach der Stromabschaltung eintritt.

Die zahlreichen klinischen Experimente und Opera­ tionen unter der Verwendung von thermoelektrischen Kryosonden haben ergeben, daß deren Anwendung bei den Operationen zum Entfernen der Katarakte (Augenlinsentrü­ bung), bei einigen Gehirnoperationen und in einer Reihe von anderen Fällen recht wirksam ist, wo eine nicht besonders tiefe (bis zu -20° C) lokale Kühlung des Ge­ webes unter einem zuverlässigen, oberflächlichen An­ frieren notwendig ist.

Die Erfindung kann zur Herstellung von thermoelek­ trischen Kryosonden in Miniaturausführung für Medizin, insbesondere für ophthalmologische Operationen ver­ wendet werden.

Claims (1)

1. Thermoelektrische Kryosonde, die als langgestreckter, sich an seinem distalen Ende verjüngenden Zylinderkörper ausgebildet ist, mit einem an der distalen Stirnfläche des Zylinderkörpers angeordneten Halbleiter-Thermoelement, dessen aktive Fläche die Arbeitsfläche der Kryosonde bildet, dadurch gekennzeichnet,

   • - daß der Zylinderkörper (2) aus zwei Metallhalbzylindern 3, 4) mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht,
   • - daß die Metallhalbzylinder (3, 4) über eine dielektrische Zwischenlage (5) miteinander verbunden sind,
   • - daß das Halbleiter-Thermoelement (1) aus zwei Halbscheiben (8, 9) aus thermoelektrischen Werkstoffen besteht, die durch eine Schaltplatte (10) elektrisch miteinander verbunden sind,
   • - daß die Stirnfläche der Halbscheiben (8, 9) an den distalen Stirnflächen der Metallhalbzylinder (3, 4) angebracht sind,
   • - daß die freie Fläche der Schaltplatte (10) die Arbeitsfläche bildet und
   • - daß die Dicke des Halbleiter-Thermoelements (1) seinen Halbmesser nicht übersteigt.