DE60034881T2 - Gasmischung für kryogene anwendungen - Google Patents

Description

• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Kühlens kleiner Bereiche biologischen Gewebes auf sehr niedrige Temperaturen.
• Es kann in der kryochirurgischen Praxis erwünscht sein, einzelne kleinste Abschnitte biologischen Gewebes auf sehr niedrige Temperaturen kühlen zu können, ohne die benachbarten Gewebe des Organs wesentlich abzukühlen. Die Kryochirurgie wurde zu einem bedeutsamen Verfahren auf medizinischem, zahn- und tierärztlichem Gebiet. Besondere Erfolge wurden bisher auf den Spezialgebieten der Gynäkologie und Dermatologie erreicht. Andere Spezialgebiete, wie etwa Neurochirurgie, Kardiologie und Urologie, können aus der Ausführung kryochirurgischer Techniken auch Nutzen ziehen, aber das kam bisher nur begrenzt vor. Leider haben die gegenwärtig bekannten kryochirurgischen Instrumente verschiedene Beschränkungen, die ihre Verwendung auf einigen dieser Gebiete schwierig oder unmöglich machen. Insbesondere sind bekannte Systeme nicht so optimal ausgelegt, daß sie eine derartig hohe Genauigkeit und Flexibilität haben, daß sie in großem Umfang endoskopisch und perkutan angewendet werden können.
• In der kryochirurgischen Praxis ist es typisch, ein kryochirurgisches Anwendungssystem zu verwenden, das dafür ausgelegt ist, das Zielgewebe angemessen zu vereisen, wodurch erkrankte oder degenerierte Zellen in dem Gewebe zerstört werden. Die zu zerstörenden anormalen Zellen sind oft von gesundem Gewebe umgeben, das unverletzt bleiben muß. Die bestimmte Sonde oder andere Anwendungsvorrichtung, die in einer gegebenen Anwendung verwendet wird, ist daher mit der optimalen Form und Größe für die Anwendung ausgeführt, um dieses selektive Vereisen von Gewebe zu erreichen. Wenn eine Sonde verwendet wird, muß der Rest des Kühlsystems dafür ausgelegt sein, eine ausreichende Kühlung zu erbringen, wozu das Kühlen des operativen Abschnitts der Sonde auf eine gewünschte Temperatur und eine ausreichende Leistung oder Kapazität zur Erhaltung der gewünschten Temperatur bei einer gegebenen Wärmebelastung gehört. Das gesamte System muß dafür ausgelegt sein, den operativen Abschnitt der Sonde an der Stelle des zu vereisenden Gewebes zu plazieren, ohne irgendeine unerwünschte Wirkung auf andere Organe oder Systeme zu haben.
• Gegenwärtig bekannte kryochirurgische Systeme verwenden normalerweise flüssigen Stickstoff oder Distickstoffoxid als Kühlflüssigkeiten. Flüssiger Stickstoff wird normalerweise entweder auf das zu zerstörende Gewebe gesprüht oder in einen Kreislauf versetzt, um eine Sonde zu kühlen, die an das Gewebe angelegt wird. Flüssiger Stickstoff hat eine extrem niedrige Temperatur von annähernd 77 K, die ihn für diesen Zweck sehr erwünscht macht. Flüssiger Stickstoff verdampft jedoch normalerweise und entweicht während der Verwendung in die Atmosphäre, was das ständige Nachfüllen der Vorratsbehälter erfordert. Da die Flüssigkeit so kalt ist, erfordern die Sonden und die weitere für ihre Anwendung verwendete Ausrüstung ferner Vakuummäntel oder andere Isolierungsarten. Dies macht die Sonden relativ komplex, sperrig und starr und daher für endoskopische oder intravaskuläre Verwendung ungeeignet. Der Bedarf an relativ sperrigen Versorgungsschläuchen und die fortlaufende Kühlung aller zugehörigen Komponenten machen die Flüssigstickstoffinstrumente weniger komfortabel für den Arzt, und sie können außerdem unerwünschten Gewebeschaden bewirken.
• Ein Distickstoffoxidsystem erzielt die Kühlung normalerweise dadurch, daß das Gas unter Druck gesetzt und es anschließend durch ein Joule-Thomson-Expansionselement, wie etwa ein Ventil, eine Düse oder eine andere Art von Strömungseinengung, am Ende einer Sondenspitze, expandiert wird. Jede solche Vorrichtung wird nachstehend einfach als ein Joule-Thomson- "Expansionselement" bezeichnet. Das typische Distickstoffoxidsystem setzt das Gas bis 700 bis 800 psia unter Druck, um nutzbare Temperaturen von nicht weniger als etwa 190 K bis 210 K zu erreichen. Distickstoffoxidsysteme können nicht die Temperatur und Leistung erreichen, die von den Stickstoffsystemen erreicht werden. Der maximale Temperaturabfall, der in einem Distickstoffoxidsystem erreicht werden kann, geht bis 184 K, was der Siedepunkt von Distickstoffoxid ist. Das Distickstoffoxidsystem hat aber gewisse Vorteile insofern, als das eintretende Hochdruckgas im wesentlichen Raumtemperatur hat, bis es das Joule-Thomson-Element an der Sondenspitze erreicht. Dadurch erübrigt sich die Notwendigkeit zur Isolierung des Systems, was die Miniaturisierung und Flexibilität in einem gewissen Maße fördert. Wegen der relativ warmen Temperaturen und niedrigen Leistung sind jedoch die Gewebezerstörung und andere Anwendungen eingeschränkt. Für viele solche Anwendungen sind Temperaturen unter 184 K erwünscht. Ferner muß das Distickstoffoxid normalerweise in die Atmosphäre abgelassen werden, nachdem es das System durchlaufen hat, da erschwingliche Kompressoren, die zur Erreichung des erforderlichen hohen Drucks geeignet sind, nicht zuverlässig und ohne weiteres im Handel erhältlich sind.
• In den meisten Joule-Thomson-Systemen werden einfache nichtideale Gase unter Druck gesetzt und dann durch eine Drosselkomponente oder ein Expansionselement expandiert, um eine isenthalpische Kühlung zu erzeugen. Die Merkmale des verwendeten Gases, wie etwa Siedepunkt, Inversionstemperatur, kritische Temperatur und kritischer Druck, bestimmen den Anfangsdruck, der notwendig ist, um eine erwünschte Kühltemperatur zu erreichen. Joule-Thomson-Systeme verwenden normalerweise einen rekuperativen Wärmetauscher, um das einströmende Hochdruckgas mit dem ausströmenden expandierten Gas kühlen zu können, um einen höheren Temperaturabfall bei der Expansion und eine größere Kühlleistung zu erreichen. Für ein gegebenes Joule-Thomson-System bestimmt die erwünschte Kühlleistung die erforderliche Wärmetauscherkapazität.
• Eine drastische Verbesserung der Kühlung in Joule-Thomson-Systemen kann durch Verwendung einer optimalen Gasmi schung anstelle eines einfachen Gases erzielt werden. Zum Beispiel kann das Hinzusetzen von Kohlenwasserstoffen zum Stickstoff die Kühlleistung und den Temperaturabfall bei einem gegebenen Eingangsdruck erhöhen. Ferner ist es möglich, den Druck zu verringern und eine Leistung zu erreichen, die mit der des Einzelgassystems bei hohem Druck vergleichbar ist. Die durch Mischgassysteme erzielte Verbesserung der Kühlleistung ist für medizinische und andere Mikrominiatursysteme sehr erwünscht.
• Zum Beispiel offenbart US-5 787 715 ein Miniaturmischgaskühlsystem und ein Verfahren zum Betrieb des Systems. Das System hat einen Koaxialkatheter mit einem inneren Hochdruckvorlauflumen und einem äußeren Niederdruckrücklauflumen. Eine optimale Gasmischung wird aus einer Gruppe von Einzelfluiden gemäß den berechneten thermodynamischen Eigenschaften einer Gruppe von in Betracht kommenden Fluidmischungen formuliert. Die Gasmischung wird isenthalpisch auf eine niedrigere Temperatur expandiert, um ein auf dem Katheter angeordnetes Wärmeübertragungselement zu kühlen, um ein externes Objekt zu kühlen.
• Einige Mischgassysteme sind für Anwendungen ausgelegt worden, wo hoher Druck nicht das Hauptanliegen ist und wo sperrige hocheffiziente Wärmetauscher verwendet werden können, aber sie werden normalerweise in Verteidigungs- und Raumfahrtanwendungen verwendet.
• Kryochirurgische Sonden und Katheter müssen aus Sicherheitsgründen einen relativ niedrigen Betriebsdruck haben. Die Sonde oder der Katheter müssen die Kühlkapazität zur Überwindung der Wärmebelastung der Umgebung haben, müssen aber dennoch eine ausreichend niedrige Temperatur erreichen können, um das Zielgewebe zu zerstören. Schließlich muß das kalte Wärmeübertragungselement auf die Spitze oder den Endbereich der Sonde oder des Katheters begrenzt sein, um die Beschädigung von anderem Gewebe als dem Zielgewebe zu verhindern.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine optimale Fluidmischung zur Verwendung in einem Miniaturmischgaskühlsystem bereitzustellen, das unter Verwendung eines hohen Drucks von nicht mehr als 420 psia eine Kühltemperatur von 183 K oder we niger erreichen kann, wobei Komponenten in ein Miniaturzuführsystem, wie etwa eine kryochirurgische Sonde oder ein transvaskulärer Herzkatheter, eingefügt werden können.
• Die Erfindung betrifft den Betrieb eines Miniaturkühlsystems mit einer optimalen Fluidmischung zur Verwendung als Kühlmittel. Die Bezeichnung "Gasmischung" wird gewissermaßen in der Anmeldung verwendet, aber es ist sicherlich verständlich, daß angesichts der bekannten Tatsache, daß die meisten im allgemeinen als Gase bezeichneten Zusammensetzungen bei bestimmten Temperaturen und Drücken tatsächlich gewisse flüssige Bestandteile haben, nicht beabsichtigt ist, diese Bezeichnung auf Mischungen mit nichtflüssigen Komponenten zu beschränken. Das Kühlsystem hat einen Kompressor zum Komprimieren einer Gasmischung auf einen Druck bis zu 750 psia und vorzugsweise weniger als 420 psia. Die Hochdruckgasmischung vom Kompressor wird in einen Gegenstromwärmetauscher eingeleitet. Die Hochdruckgasmischung durchläuft einen Hochdruckvorlaufdurchgang im Wärmetauscher und tritt durch eine Öffnung am distalen Ende des Wärmetauschers aus. Die distale Hochdrucköffnung ist mit dem Einlaß eines Joule-Thomson-Expansionselements verbunden, in dem die Gasmischung auf einen niedrigeren Druck und eine Temperatur von immerhin mindestens 183 K expandiert wird.
• Die aus dem Joule-Thomson-Expansionselement entweichende Gasmischung wirkt auf die Innenfläche eines Wärmeübertragungselements ein, das in der Katheterwand oder am distalen Ende des Joule-Thomson-Expansionselements der Sonde angeordnet ist. Die expandierte Gasmischung kühlt das Wärmeübertragungselement auf eine Temperatur von immerhin mindestens 183 K und strömt dann durch den Niederdruckrücklaufdurchgang des Wärmetauschers zurück. Dadurch wird das Hochdruckgas von seiner ursprünglichen Umgebungstemperatur auf eine niedrigere Temperatur gekühlt. Vom Niederdruckauslaß des Wärmetauschers strömt die expandierte Gasmischung zum Kompressor zurück.
• Das Wärmeübertragungselement kann die optimale Form haben, die mit dem zu kühlenden Objekt oder Gewebe zusammenpaßt. Zum Beispiel kann ein Metallstopfen in der Spitze der Sonde oder des Katheters zur Kühlung durch die äußerste distale Spitze der Sonde oder des Katheters angeordnet sein. Alternativ kann ein relativ schmaler Metallstreifen in einer Seitenwand nahe der distalen Spitze der Sonde oder des Katheters zur Kühlung eines schmalen Gewebestreifens angeordnet sein.
• Das Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen Vorrichtung schließt die Auswahl einer optimalen Gasmischung zur Verwendung als Kühlmittel ein. In den zur Verwendung dieser Vorrichtung vorgesehenen Miniaturumgebungen sind der verwendeten Vorrichtung strenge Größenbegrenzungen auferlegt. Zum Beispiel ist eine Sonde oder ein Herzkatheter notwendigerweise im Durchmesser streng begrenzt.
• Daher soll das System durch Auswahl einer Gasmischung optimiert werden, die die geeigneten thermodynamischen Eigenschaften hat, um sich möglichst gut zu verhalten. Das Ziel dieses Auswahlprozesses ist es, die Kühlleistung der Kombination des Wärmetauschers und des Joule-Thomson-Expansionselements zu maximieren. Für eine gegebene Gasmischung, die zwischen gewählten hohen und niedrigen Drücken und zwischen gewählten hohen und niedrigen Temperaturen arbeitet, besteht selbst in einem idealen Wärmetauscher eine Beschränkung der übertragbaren Wärmemenge. Die Erfindung stellt eine Mischung bereit, die den Wirkungsgrad zwischen der Kühlleistung des Joule-Thomson-Expansionselements und der Wärmeübertragungskapazität eines idealen Wärmetauschers maximiert.
• Ein Schlüssel zum Erfolg eines kryochirurgischen Miniaturinstruments liegt in der Auswahl einer optimalen Fluidmischung, da keine bekannten Einzelgase die notwendige Kühlkapazität bei den erforderlichen Temperaturen erreichen können, wenn die Größenbegrenzungen und Druckbegrenzungen gegeben sind, die den zur Verwendung in den gewählten Anwendungen vorgesehenen Systemen auferlegt sind. Einige Fluidmischungen funktionieren deutlich besser als andere Mischungen, so daß es wichtig ist, eine optimale Mischung ermitteln und auswählen zu können.
• Die Größe und spezifische Wärmeübertragungskapazität des Wärmetauschers sind ungeachtet der verwendeten Ausführung begrenzt. In den für die Verwendung dieser Vorrichtung vorgesehenen Miniaturumgebungen ist der Raum sehr wichtig. Daher sind dem Wärmetauscher strenge Größenbegrenzungen auferlegt. Die Begrenzung der Größe des Wärmetauschers ergibt natürlich eine entsprechende Begrenzung der Wärmemenge, die in dem Wärmetauscher übertragen werden kann. Eine derartige strenge Begrenzung der Größe und Kapazität des Wärmetauschers erfordert, daß das gesamte Kühlsystem durch Auswahl einer optimalen Gasmischung auf dem höchstmöglichen Leistungsniveau gehalten wird. Die optimale Gas- oder Fluidmischung hat thermodynamische Eigenschaften, die es ermöglichen, daß das System trotz der Größenbegrenzungen so gut wie möglich kühlt. Ziel der Auswahl der optimalen Fluidmischung ist es, die Kühlleistung der Kombination aus dem Wärmetauscher und dem Joule-Thomson-Expansionselement zu maximieren.
• Für jede bestimmte Gasmischung und für jeden gewählten Druckbereich und Temperaturbereich gibt es selbst in einem idealen Wärmetauscher eine theoretische Begrenzung der übertragbaren Wärmemenge. Diese Begrenzung ist durch folgende Gleichung gegeben: Qhx = n[h(P, Th) – h(P, Tc)]min wobei n der molare Durchfluß, h die molare Enthalpie, T_h die Temperatur am warmen Ende eines Wärmetauschers, T_c die Temperatur am kalten Ende des Wärmetauschers und P der Druck ist, wobei der Wert Q_hx sowohl für den hohen Druck als auch für den niedrigen Druck berechnet wird. Der Index _min bezeichnet die Tatsache, daß der verwendete Wert von Q_hx der kleinere der bei den beiden Drücken berechneten Werte ist.
• Ebenso besteht für diese bestimmte Fluidmischung und für diesen bestimmten Druck- und Temperaturbereich eine theoretische Begrenzung der Kühlleistung, die sogar von einem idealen Joule-Thomson-Expansionselement erreicht werden kann. Diese Begrenzung ist durch die folgende Gleichung gegeben: Qr = n[h(P1, T) – h(Ph, T)]min wobei P_i der niedrige Druck, P_h der hohe Druck und T die Temperatur ist, wobei der Wert Q_r bei einer Vielzahl von gewähl ten Temperaturen zwischen der niedrigen und hohen Temperatur an den Extremwerten des gewählten Temperaturbereichs berechnet wird. Der Index _min bezeichnet die Tatsache, daß der verwendete Wert Q_r der kleinste der bei der Vielzahl von gewählten Temperaturen berechneten Werte ist.
• Das Verhältnis zwischen der theoretischen Kühlleistung und der theoretischen Wärmeübertragungskapazität oder Q_r/Q_hx kann als Wirkungsgrad angesehen werden, der für diese bestimmte Fluidmischung über diesen bestimmten Druck- und Temperaturbereich charakteristisch ist. Es ist auch vorteilhaft, eine Komponente in die Gasmischung aufzunehmen, die ein relativ starkes Lösungsmittel ist, um das Verstopfen des Systems zu minimieren, wie etwa am J-T-Expansionselement, das die kleinste Verengung im System ist und das die niedrigste Temperatur im System hat. Ein für diesen Zweck geeignetes Lösungsmittel ist R-116. Im Hinblick auf diese Prinzipien wurde bisher festgestellt, daß eine für diese Anwendung optimale Fluidmischung Krypton, das Kältemittel R-22, das Kältemittel R-23 und das Kältemittel R-116 in geeigneten Konzentrationen aufweist. Insbesondere bei Konzentrationen, die in Volumenanteilen angegeben sind, besteht die optimale Gasmischung aus 42 % bis 52 % Krypton, 1 % bis 15 % R-22, 15 % bis 35 % R-23 und 10 % bis 20 % R-116.
• Während die besondere Erfindung, wie sie hierin ausführlich dargestellt und offenbart ist, vollständig die zuvor genannten Aufgaben erfüllen kann, ist es verständlich, daß diese Offenbarung lediglich eine Darstellung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist und daß keine anderen Beschränkungen vorgesehen sind als die in den beigefügten Ansprüchen beschriebenen.

Claims (2)

1. Fluidmischung zur Verwendung bei der Joule-Thomson-Kühlung, die im wesentlichen aus 42 % bis 52 Krypton, bis zu 15 % R-22, 15 % bis 35 % R-23 und 10 % bis 20 % R-116 besteht, wobei die Konzentrationen in Volumenanteilen angegeben sind.
2. Fluidmischung zur Verwendung bei der Joule-Thomson-Kühlung, die aus 42 % bis 52 % Krypton, bis zu 15 % R-22, 15 % bis 35 % R-23 und 10 % bis 20 % R-116 besteht, wobei die Konzentrationen in Volumenanteilen angegeben sind.