JP7465002B2 - 極低温剤の流れの制御 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、極低温剤の流れ、特に極低温剤の流れを効率的に制御することに関する。

極低温剤材料用のポンプは、効率的に動作するために、弾性の低下など、極低温によって引き起こされる制限を克服できなければならない。蒸気ロックも、極低温剤ポンプの問題である。極低温剤ポンプの効率を改善するためのシステムおよび方法は、当技術分野で知られている。

Ｎｅｉｌｓｏｎらの米国特許第６，００７，５７１号（特許文献１）は、液体冷却剤を温熱療法カテーテルに供給するための液体冷却剤供給システムを記載している。このシステムには、ポンプ、冷却装置、温度センサ、圧力センサを含むセンサ制御ユニットがある。

Ｋｕｄａｒａｖａｌｌｉらの米国特許第６，４７１，６９４号（特許文献２）は、凍結手術のための制御システムを記載している。システムを所望の動作状態にし、冷媒流量を制御することによって動作を制御し、安全チェックを実行し、および安全なシャットダウンを達成するための手順が開示されている。

Ｋａｎｎｅｎｂｅｒｇらの米国特許第６，９３９，３４６号（特許文献３）は、温度制御プローブを制御するための装置を記載している。この装置は、プローブに結合されたコントローラ、およびプローブ温度を変化させるための熱要素を含む。

Ｒｙｂａの米国特許第７，３５７，７９７号（特許文献４）は、凍結切除カテーテルの先端温度を制御するために戻り圧力を変化させるためのシステムを記載している。このシステムでは、冷媒供給ラインの遠位端が中央の内腔に配置され、膨張チャンバーを確立するためにカテーテルチューブの遠位先端から離れて配置される。

Ｌｅｖｉｎの米国特許第７，７３１，７１１号（特許文献５）は、振動特性を有する凍結手術装置の中央管腔内の流れを記載している。装置では、冷媒は分離された部分の形の遠位極低温チップの内面に提供される。

Ａｂｂｏｕｄらの米国特許第７，７８０，６５７号（特許文献６）は、冷却システムを記載している。システムのコンソールは、冷却剤供給ラインに沿って第１の温度で冷却剤を医療装置に向ける第１の冷却システムと、冷却剤が接続ポイントに到達する前に、冷却剤供給ライン内の冷却剤を第１の温度以下に冷却する第１の冷却システムとを有する。

Ｌｉｔｔｒｕｐらの米国特許第７，９２１，６５７号（特許文献７）は、臨界点圧力および臨界点温度によって定義される臨界点を有する極低温剤で物体を冷却するためのシステムを記載している。極低温剤の圧力は、蒸気ロックを防ぐ減少したモル体積で極低温剤を提供するために決定された圧力値を超えて上昇される。

Ｌａｌｏｎｄｅらの米国特許第１０，０９８，６８５号（特許文献８）は、冷凍切除処置中の心筋組織の病変深度に関連するフィードバックデータまたは情報を提供するシステムを記載している。

Ｆｏｕｒｋａｓらの米国特許第１０，２１３，２４４号（特許文献９）は、ヒータに結合された極低温剤システムの極低温剤針を記載している。ヒータに供給される電力は、針の性能および／または極低温剤システムの動作パラメータを補間するために使用される。

Ｇｅｉｓｅｌｈａｒｔの米国特許第１０，４８５，６０２号（特許文献１０）は、凍結プローブの温度を調節するための温度調節器を記載している。凍結プローブは、少なくとも部分的に液体の冷媒を第１の圧力で蒸発領域に供給し、それにより第２の圧力の存在下で冷却剤が少なくとも一時的に蒸発し、凍結プローブの冷却部分を冷却する。

Ｇｅｏｒｇｅらの米国特許１０，８２８，０８０号（特許文献１１）は、凍結療法バルーンカテーテル内の圧力をより低い温度に調節するための方法を記載している。

Ｗａｌｔｏｎらの米国特許出願第２００５／０１５９７３５号（特許文献１２）は、組織の切除またはマッピングのためにカテーテルに冷蔵力を提供する冷蔵システムの自動操作のための装置を記載している。一次冷凍システムは開ループまたは閉ループにすることができ、予冷ループは通常閉ループである。

Ｌｅｎｔｚらの米国特許出願２００５／０１９８９７２号（特許文献１３）は、冷凍切除カテーテルシステムの圧力－温度制御について記載している。温度センサは、冷凍カテーテルの遠位端に取り付けられる。システムコントローラは、圧力レギュレータと温度センサの両方と電子通信する。

Ｋｉｍらの米国特許出願第２０１９／０１７５３９５号（特許文献１４）は、医療目的および他の目的のために生体組織を冷却するための装置および方法を記載している。冷却装置は、冷却媒体を収容するように構成され、冷却媒体に直接接触することによって冷却媒体と熱的に結合される容器を含む。

米国特許第６，００７，５７１号 米国特許第６，４７１，６９４号 米国特許第６，９３９，３４６号 米国特許第７，３５７，７９７号 米国特許第７，７３１，７１１号 米国特許第７，７８０，６５７号 米国特許第７，９２１，６５７号 米国特許第１０，０９８，６８５号 米国特許第１０，２１３，２４４号 米国特許第１０，４８５，６０２号 米国特許第１０，８２８，０８０号 米国特許出願第２００５／０１５９７３５号 米国特許出願２００５／０１９８９７２号 米国特許出願第２０１９／０１７５３９５号

本発明の一実施形態は、装置であって：第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有するプローブと；第１の管腔を通ってプローブの遠位端に極低温剤流体を送達し、そして第２の管腔を介してプローブから戻る極低温剤流体を受け取るように結合された流体供給源と；遠位端に配置された温度センサと；第１の管腔の近位端に配置され、その中の極低温剤流体の圧力を測定するように構成された圧力センサと；および温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度よりも低い場合、供給速度は事前設定された低速度であり、温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、供給速度は圧力センサによって測定された圧力に応じて設定される、ように流体供給源からの極低温剤流体の供給速度を制御するように構成されたプロセッサと；を有することを特徴とする装置、を提供する。

開示された一実施形態では、温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、送達速度が温度に応答して設定される。

さらに開示された一実施形態では温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、送達速度は、事前設定されたガード温度よりも高い、事前設定された目標温度に応答して設定される。一般的に事前設定された目標温度が－１０℃から－５０℃の範囲にある。

さらに開示された一実施形態では温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、送達速度は、圧力の事前設定された関数から計算される最大送達速度以下である。一般的に圧力センサによって測定された圧力における、事前設定された関数の一次導関数の値が負である。

代替的一実施形態では、温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、供給速度は、極低温剤流体の臨界圧力に応じて選択されたパラメトリック圧力と比較した圧力に応答して設定される。一般的にパラメトリック圧力が臨界圧力よりも大きい。

さらに代替的一実施形態ではプロセッサが、比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラを含む。一般的にＰＩＤコントローラが、ＰＩコントローラとして動作する。

本発明の一実施形態はさらに方法であって：第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有するプローブを提供するステップと；流体供給源を結合して、第１の管腔を通ってプローブの遠位端に極低温剤流体を送達し、そしてプローブから第２の管腔を介して戻る極低温剤流体を受け取るステップと；遠位端に温度センサを配置するステップと；第１の管腔の近位端に圧力センサを配置し、そしてその中の極低温剤流体の圧力を測定するように圧力センサを構成するステップと；そして温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度よりも低い場合、供給速度が事前設定された低速度であり、温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上の場合、圧力センサによって測定された圧力に応じて供給速度が設定されるように、流体供給源からの極低温剤流体の供給速度を制御するステップと；を有することを特徴とする方法を提供する。

本発明の一実施形態はさらに装置であって：第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有するプローブと；第１の管腔を通ってプローブの遠位端に極低温剤流体を送達し、そして第２の管腔を介してプローブから戻る極低温剤流体を受け取るように結合された流体供給源と；遠位端に配置された温度センサと；第１の管腔の近位端に配置され、その中の極低温剤流体の圧力を測定するように構成された圧力センサと；および遠位端の事前設定された目標温度と圧力センサによって測定された圧力とに応答して、温度センサによって測定された温度が事前設定された目標温度の周りで事前設定された振幅だけ振動する、ように流体供給源からの極低温剤流体の供給速度を制御するように構成されたプロセッサと；を有することを特徴とする装置を提供する。

一般的にプロセッサは、圧力センサによって測定された圧力と事前設定された圧力との比に応答して、極低温剤流体の送達速度を制御するように構成される。事前設定された圧力が、極低温剤流体の臨界圧力よりも大きい。

一般的に送達速度が少なくとも事前設定された最小送達速度以上である。

一般的にプロセッサは、比例－積分－微分コントローラであり、コントローラの係数値は、温度が事前設定された振幅だけ振動するように選択される。

一般的に事前設定された振幅が８℃から１２℃の間である。

本開示は以下の図面を参照した実施形態の詳細な説明からより完全に理解されよう：
本発明の一実施形態による、極低温剤医療処置に使用される装置の概略図である。 本発明の一実施形態による、プローブの概略図である。 本発明の一実施形態による、装置の要素がどのように一緒に接続されるかを示す、装置の概略ブロック図である。 本発明の一実施形態による、手順の第１の段階中にアルゴリズムを実行する際にプロセッサによって取られる操作のフローチャートである。 本発明の一実施形態による、図４のフローチャートの動作中に得られた一組の概略グラフである。

（概要）
極低温剤処置での極低温剤プローブの操作で発生する問題の１つは、蒸気ロックによるプローブの操作効率の低下、または完全な操作の失敗ですらある。蒸気ロック、つまり液体の流量の減少または完全な停止は、蒸発した極低温剤液体からの極低温剤蒸気が液体の流れを収縮または停止させるときに、極低温剤システムで発生する。流れの減少は、処置中にプローブがプローブに接触する組織を冷却することを妨げる。極低温剤液体が実質的に非圧縮性である場合、蒸気ロック問題は悪化する。これは、プローブが使用されている極低温剤の臨界点の圧力値とは大きく異なる低圧で動作している場合に当てはまる。たとえば、液体窒素の臨界圧力は約３３．５ ａｔｍ（大気圧）であるため、約１～１０ａｔｍの範囲の圧力では比較的非圧縮性である。

本発明の実施形態は、プローブを、本明細書では液体窒素であると想定される極低温剤の臨界圧力に近い高圧で短時間定期的に動作するように構成することにより、比較的低圧でほとんど操作しながら、極低温剤プローブの蒸気ロック問題を克服する。これらの期間では、液体窒素は比較的圧縮可能であり、より自由に流れることができ、初期の蒸気ロックを緩和する。

高圧を短時間実現するために、本発明の実施形態は、遠位端を目標温度に維持しようとするのではなく、プローブの遠位端の温度を目標温度の周りで振動するように構成する。プロセッサは、プローブ内の極低温剤の圧力と遠位端の温度を測定する。プロセッサは、測定された温度と圧力の値を使用して、極低温剤のポンプの回転速度を制御する。つまり、極低温剤がポンプからプローブに排出される流量を制御し、プロセッサは、速度（ポンプの回転速度）が流量の高い値と低い値の間で振動的に変化するように構成される。

流量の振動は、上記の短時間の高圧と、目標温度に関する振動を提供する。

本発明の一実施形態は、第１の管腔および第２の管腔を含み、生体対象の組織に接触するように構成された遠位端を有する、プローブからなる装置を提供する。第１の管腔を通ってプローブの遠位端に極低温剤流体を送達し、プローブから第２の管腔を介して戻る極低温剤流体を受け取るように結合された流体供給源が存在する。

温度センサはプローブの遠位端に配置され、圧力センサは第１管腔の近位端に配置される。圧力センサは、第１の管腔を流れる極低温剤流体の圧力を測定する。

プロセッサは、流体供給源からの極低温剤流体の供給速度を制御するように構成されているため、温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度よりも低い場合、供給速度は事前設定された低速度になる。温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度以上である場合、送達速度は、遠位端の目標温度および圧力センサによって測定された圧力に応じて設定される。

（詳細な説明）
以下の説明では、図面内の同様の要素は同様の数字で識別される。

ここで、本発明の一実施形態による、極低温剤医療処置に使用されている装置２０の概略図である図１を参照する。例として、以下の説明で想定される処置は乳房腫瘍に関するものであるが、装置２０は、前立腺または腎臓腫瘍などの他の処置に使用することができ、そのような処置はすべて本発明の範囲内に含まれると見なされることが理解されよう。

乳房腫瘍の極低温剤処置は、２つの段階で実行される。第１の段階では、プローブ６０の遠位端１１２の温度が初期温度（通常は約－１０°Ｃ～約－３０°Ｃ）に下げられます。そして第２の段階では、遠位端温度が初期温度よりも低い後続の温度にさらに低下する。一実施形態では、後続の温度は約－１６０±１０℃である。

処置は、医師２４によって患者２８に対して実行され、医師は、装置２０に含まれるディスプレイ３２上で処置の結果を観察することができる。（通常、乳房腫瘍に対する処置の第１段階は、超音波の実行を含む。患者２８の乳房のスキャン、およびスキャンの結果をディスプレイ３２に提示する。）スキャンは、通常、医師２４以外の超音波専門家によって実行される。超音波スキャンの詳細は本開示に関連せず、簡潔化のため超音波専門医は図１には示されていない。代替的または追加的に、第１の段階には乳房のＣＴ（コンピューター断層撮影）スキャンの実行が含まれる場合がある。

装置２０は、装置の動作のためのソフトウェア４４が格納されているメモリ４０に結合されたプロセッサ３６によって制御される。プロセッサ３６およびメモリ４０は、操作コンソール４２にインストールされる。メモリ４０内のソフトウェア４４は、例えば、ネットワークを介して、電子形式でプロセッサにダウンロードされ得る。代替的または追加的に、ソフトウェアは、光学的、磁気的、または電子的記憶媒体などの非一過性有形媒体で提供され得る。ソフトウェア４４は、装置操作アルゴリズム４８のためのソフトウェアを含み、装置２０においてプロセッサによって実行されるステップを含む。装置操作アルゴリズム４８は、以下により詳細に説明される。

乳房腫瘍の処置の第１および第２段階では、装置２０を使用して、最初は通常、本明細書では流体供給源５６とも呼ばれるポンプ５６に保持された極低温剤流体５２を、腫瘍の近くに挿入された遠位端１１２を有するプローブ６０に注入する。ポンプ５６は、その下部空間８０に液体の形で保持される極低温剤流体５２を保持するデュワー７２を備える。デュワーの液体の上、上部のスペース８４には、極低温剤液体の蒸発によって形成されたガスがある。ポンプ５６と同様のポンプは、参照により本明細書に組み込まれる、Ｈｉｌｌｅｌｉらの「極低温剤ポンプ」と題された米国特許出願第１６／７８５，６８６号に記載されている。

極低温剤流体５２は、最初は液体の形態であるが、処置中に、流体は、液体から液体／気体混合物に、あるいは完全に気体の状態にさえ変化する可能性がある。特に明記しない限り、本明細書では、極低温剤流体５２は、例として、液体または気体の窒素を含むと想定されている。しかしながら、極低温剤アルゴンなどの他の極低温剤流体を装置２０で使用することができ、そのような極低温剤流体はすべて、本発明の範囲内に含まれると想定されることが理解されよう。ポンプ５６はプローブ６０に接続されており、医師２４はプローブ６０を操作して、腫瘍に対してプローブの遠位端を正しく配置する。（操作は通常、上記の超音波スキャンを観察する医師によって支援される。）プローブ６０については、以下で詳しく説明する。

図２は、本発明の実施形態による、プローブ６０の概略図である。プローブ６０は、シャフトの近位端でプローブのシャフト１０８に取り付けられたハンドル１０４を備える。シャフト１０８は、尖った遠位端１１２で終端し、これにより、シャフトは、患者２８の乳房の一部などの組織を貫通することができる。（シャフトの外壁のマーキング１０２は、遠位端からの距離を示し、そして処置中に医師２４によりプローブ６０の配置に使用され得る。）区画１１６に示されるように、シャフト１０８は、典型的には薄壁のステンレス鋼から形成される３つの同心円管を含む。第１の内側管１２０は中央管腔１２４を取り囲み、第１の内側管は第２の管１２８によって囲まれる。第１の管および第２の管は中間空間１３２によって分離される。第３の外側管１３６は第２の管１２８を囲む。第２および第３の管は、空間１４０によって分離されている。マーキング１０２は、第３の外側管１３６の外壁に配置され得る。

温度センサ１４４、典型的には熱電対またはサーミスタは、遠位端１１２内に固定的に配置され、典型的には、遠位端に配置された管１２０を取り囲む熱交換器１４６の近くに配置される。温度センサ用のケーブル１４８は、通常、空間１４０に配置される。ケーブルは、プロセッサ３６に接続され、プロセッサがセンサ１４４によって感知された温度を測定することを可能にする。

装置２０の操作において、シャフト１０８の第２の管と第３の管との間の空間１４０は、密封された真空状態に維持される。以下でより詳細に説明するように、中央管腔１２４は、極低温剤流体をポンプ５６から遠位端１１２に運ぶために使用され、中間空間１３２は、極低温剤流体を遠位端からポンプに戻すために使用される。

シャフト１０８の内部構造に概ね類似した内部構造を有するフレキシブル管１５２は、ハンドル１０４を介してシャフトに結合される。管１５２内の管腔は、極低温剤流体をポンプ５６から中央管腔１２４に移送し、そして極低温剤流体を中間空間１３２からポンプに戻すように構成される。

図３は、本発明の実施形態による、装置の要素がどのように一緒に接続されるかを示す、装置２０の概略ブロック図である。ブロック図は、要素間の極低温剤流体の流れと信号データの流れを示している。

プロセッサ３６は、ポンプモータ制御信号をモータ６８に提供することにより、装置２０の動作を制御する。起動時に、モータは、ポンプ５６を作動させ、極低温剤流体が、モータの回転速度に依存する流量で、デュワーから排出される。したがって、本明細書の説明では、特に明記しない限り、モータの速度、すなわちモータの回転速度は、排出された極低温剤流体の流量に正比例するので、大きな回転速度は大きな流量に対応し、そして小さな回転速度は、小さな流量に対応する。流量は、本明細書では送達速度とも呼ばれる。

ここでの説明では、流量はｒｐｍ（１分あたりの回転数）として示され、一実施形態では、ポンプは１：５０のギア比のモータを備えているため、モータの３，０００ｒｐｍはポンプの６０ｒｐｍに対応する。流体が１００％液体の場合、ポンプｒｐｍから流量へのおおよその変換係数は６０ ｒｐｍ＝０．３６リットル／分である。
排出された極低温剤流体は、デュワーから、フレキシブル管１５２、ハンドル１０４、および管１２０の管腔１２４を経由して、遠位端１１２に流れ出る。

開示された実施形態では、プロセッサ３６は、ＰＩＤ（比例－積分－微分）コントローラである。

極低温剤流体は、通常は液体／気体混合物として遠位端１１２から、プローブ６０の空間１３２、ハンドル１０４、およびフレキシブル管１５２を経由してデュワー７２に戻る。

図に示されるように、プローブの遠位端にある温度センサ１４４は、プローブ先端の温度を示す信号をプロセッサ３６に提供する。プロセッサ３６はまた、ハンドル１０４内の圧力センサ１００から管腔１２４に入る極低温剤流体の圧力を示す信号を受信する。センサ１００は、ハンドル１０４内に、典型的には第１の内側管１２０に近接して配置され、その結果、センサは、流入する極低温剤流体と接触する。

プロセッサ３６は、圧力センサと温度センサからの信号を使用してアルゴリズム４８を操作する。これにより、プロセッサはポンプモータ６８を制御する出力信号を生成できる。ポンプモータに転送された出力信号は、モータの回転速度、したがって、デュワー７２から排出される極低温剤流体の流量を制御する。

図４は、本発明の実施形態による、処置の第１段階中にアルゴリズム４８を実行する際にプロセッサ３６によって行われる動作のフローチャートである。フローチャートの説明では、プロセッサ３６は、式（１）によって与えられる出力を有するＰＩＤ（比例－積分－微分）コントローラを備えると想定されている。

ここで、ｕ（ｔ）は時刻 ｔ においてプロセッサによって出力される制御信号であり、
Ｋ_ｃ、ｔ_ｉ、ｔ_ｄは、比例項、積分項、および微分項のそれぞれの係数である。

当業者は、必要な変更を加えて、過度の実験を行うことなく、フローチャートの説明をＰＩＤコントローラ以外のプロセッサに対して適合させることができる。

第１のステップ１５０において、本明細書では、上記のように、ＰＩＤコントローラを含むと想定されるプロセッサ３６のパラメータが、プロセッサに入力される。以下の説明では、ＰＩＤコントローラは、Ｋ_ｃ ＝ ０．１およびｔ_ｉ ＝ ０．０５の係数値を有すると想定され、ｔ_ｄ ＝ ０、すなわち、プロセッサ３６は、ＰＩコントローラとして動作し、当技術分野の通常のスキルを有する者は、過度の実験を行わずに、Ｋ_ｃ、ｔ_ｉ、およびｔ_ｄの他の値について本説明を適応することができる。

ステップ１５０において、プロセッサ３６は、遠位端１１２が冷却される公称温度である目標温度Ｔ_ｔを提供される。温度Ｔ_ｔは、典型的には－１０℃から－５０℃の範囲であるが、いくつかの実施形態では、Ｔ_ｔはこの範囲外である。プロセッサ３６はまた、遠位端の公称温度限界として機能する、Ｔ_ｔより低い温度のガード温度Ｔ_ｇを備えている。一実施形態では、Ｔ_ｔ ＝ －２０℃、Ｔ_ｇ ＝ －２３℃である。

プロセッサはまた、フローチャートのステップに従って、プロセッサがポンプモータ６８に適用する最小流量または最小供給速度に対応する最小モータ速度Ｍ_ｍを設定する。一実施形態では、最小モータ速度は２２４ｒｐｍに設定されている。

最初のステップ１５０で、プロセッサには、ポンプモータに適用される最大流量または最大供給速度に対応する最大モータ速度Ｍ_ｕを計算するためにプロセッサが使用する関数ｆ（Ｐ）も提供される。即ち、

ここで、ｆは、圧力センサ１００によって測定された圧力Ｐの関数である。

本発明の一実施形態では、ｆ（Ｐ）は、Ｐが増加すると最大モータ速度Ｍ_ｕが低下し、最大流量が低下し、Ｐが減少するとＭ_ｕが増加し、最大流量が増加するように構成される。この実施形態では、両方の導関数ｄＭ_ｕ／ｄ_Ｐおよびｄ_Ｐ／ｄ_ｔは負である。

開示された一実施形態では、式（２）は式（３）として設定される。

ここで、Ｐ_ａｒｂは、装置２０によって使用されている極低温剤流体の臨界圧力よりも大きくなるように設定された固定値を有するパラメトリック圧力である。
Ｋ_１は、式（３）の右辺の式をＭ_ｕの単位に変換するために使用される比例定数である。

式（３）から、式の１次導関数に相当する勾配ｄＭ_ｕ／ｄ_Ｐは、式（３ａ）で与えられる。

開示された実施形態の一例では、Ｐがｐｓｉ（ポンド／平方インチ）で測定され、Ｍ_ｕがｒｐｍ（回転／分）で測定される場合、Ｋ_１ ＝９６０ｒｐｍおよびＰ_ａｒｂ＝８００ ｐｓｉであるため、ｄＭ_ｕ／ｄ_Ｐ＝ －１．２ｒｐｍ／ｐｓｉである。

処置初期化ステップ１５４において、医師２４は、プローブ６０を患者２８に挿入し、ポンプ５６を作動させて、極低温剤流体をプローブに注入する。
第１の決定ステップ１５８において、プロセッサは、次の式を評価することによって、センサ１４４によって測定された温度Ｔをガード温度Ｔ_ｇと比較する。

式（４）が正を返す場合、すなわち、温度Ｔがガード温度Ｔ_ｇよりも低い場合、プロセッサは、第１の設定流量ステップ１６２に進み、プロセッサは、流用を最小流量に設定することに相当する、モータ速度を最小速度Ｍ_ｍに設定する。次に、制御は決定ステップ１５８に戻る。

式（４）が負を返す場合、すなわち、温度Ｔがガード温度以上である場合、制御は第２の決定ステップ１６６に進む。ステップ１６６において、プロセッサは、以下の式を評価することによって温度Ｔを目標温度Ｔｔと比較する。

ステップ１６６が正を返す場合、すなわち、温度Ｔが目標温度Ｔ_ｔよりも低い場合、モータ速度低下ステップ１６８において、プロセッサは、低下した目標流量に対応する低下した目標モータ速度Ｍ_Ｔを計算する。

ステップ１６６が負を返す場合、すなわち、温度Ｔが目標温度Ｔ_ｔ以上である場合、モータ速度の増加ステップ１７０において、プロセッサは、増加した目標流量に対応する増加した目標モータ速度Ｍ_Ｔを計算する。

ステップ１６８および１７０で、プロセッサは式（１）に従ってｕ（ｔ）を評価し、以下の式（６）に従って目標モータ速度Ｍ_Ｔを決定する。

ここで、Ｋ_２は、ｕ（ｔ）をモータ速度の単位に変換するために使用される比例定数である。
開示された実施形態では、Ｋ_２ ＝ ６４０ｒｐｍ。

ステップ１６８および１７０からの制御は、最大速度ステップ１７２で続行される。

ステップ１７２において、プロセッサは、圧力センサ１００によって提供される圧力Ｐの値にアクセスし、その値を使用して、式（２）に従って最大モータ速度Ｍ_ｕを計算する。

第３の決定ステップ１７４において、プロセッサは、モータ速度Ｍ_ＴおよびＭ_ｕを比較する。すなわち、プロセッサは、以下の式を評価することによって、目標流量および最大流量を比較する。

式（７）が正を返す場合、すなわち、目標モータ速度Ｍ_Ｔが最大モータ速度Ｍ_ｕよりも小さい場合、プロセッサは、第２の設定流量ステップ１７８に進み、プロセッサは、モータ速度を目標モータ速度Ｍ_Ｔに設定する。即ち、プロセッサは流量を目標流量に設定する。

式（７）が負を返す場合、すなわち、モータ速度Ｍ_Ｔが最大速度Ｍ_ｕ以上である場合、プロセッサは、第３の設定流量ステップ１８２に進み、プロセッサは、モータ速度を最大モータ速度Ｍ_ｕに設定する。つまり、プロセッサは流量を最大流量に設定する。

図４のフローチャートは、流量ステップ１６２、１７８、および１８２からの制御により、決定ステップ１５８に戻ることを繰り返す。

アルゴリズム４８に対応するフローチャートのステップは、図１を参照して説明した処置の第１段階中に実行される。第１段階は、医師がフローチャートステップの反復を停止したとき、つまりアルゴリズム４８の動作を停止したときに終了する。この時点で、医師は、遠位端１１２の温度をさらに下げるために、処置の第２段階に進むことができる。第２段階では、アルゴリズム４８はアクティブ化されず、より低い温度は、通常、ポンプ５６の流量を増やすことによって達成される。

図５は、本発明の実施形態による、図４のフローチャートの動作中、すなわち、アルゴリズム４８の起動中に得られた一組の概略グラフである。第１のグラフ２００は、センサ１４４によって測定された遠位端１１２の温度対時間をプロットしている。第２のグラフ２０４は、センサ１００によって測定された圧力対時間をプロットする。第３のグラフ２０８は、プロセッサ３６からポンプ６８への入力に対応した、ポンプモータ速度によって測定された極低温剤の流量、対時間をプロットしている。

グラフに示されているように、遠位端温度Ｔがガード温度Ｔ_ｇよりも低い場合、フローチャートの第１の流量ステップ１６２に対応して、流量およびモータ速度は低く、ほぼ一定である。流量が少ないと、遠位端の温度がガード温度Ｔ_ｇを超えて上昇し、圧力も上昇する可能性がある。典型的には、時間２１２に示されているように、ガード温度Ｔ_ｇから出ると、圧力は最初は低く、その結果、最大流量および最大モータ速度Ｍ_ｕ（ステップ１７２で計算される）の値が高くなり、そしてＴがＴｔより低いため、決定１６６は正を返し、プロセッサはステップ１６８で流量およびモータ速度を低下させ始める。次に決定１７４は正を返すので、この状況は、モータ速度が目標速度Ｍ_Ｔに設定されることにより流量が目標流量に設定される第２の流量ステップ１７８に対応する。

しかしながら、ＴがＴ_ｔ以上である場合、プロセッサは、ステップ１７０で目標流量および目標モータ速度Ｍ_Ｔを増加させ始める。最大流量および最大モータ速度Ｍ_ｕは依然として高いので、決定１７４は正を返し、第２の流量ステップ１７８は依然として適用され、増加した目標流量および目標モータ速度Ｍ_Ｔは継続することができる。

増加した流量は、たとえば時間８０のグラフ２０４に示すように、増加した流量のために圧力が急激に増加するまで続く。高圧では液体の極低温剤は低圧の時よりフレキシブルであるため、高圧は初期の蒸気ロックを緩和する。さらに、臨界圧力の近くまたはそれを超えると、極低温剤は超臨界流体であるか、またはそのように振る舞う。したがって、極低温剤はプローブ内をより簡単に流れる。

グラフ２００に示すように、流量が増加すると、温度もＴ_ｇを大幅に下回る。圧力が増加すると、最大モータ速度Ｍ_ｕによって設定される最大流量の値が低くなり、決定１７４は負を返し、第３の流量ステップ１８２が適用される。その結果、最大モータ速度Ｍ_ｕに対応して流量は急激に低下し、そしてこの流量は時間２１６まで続く。

グラフから明らかなように、プロセッサ３６によって実装されるプロセスは反復プロセスであり、時間２１２と２１６の間に１回の反復がある。反復中、グラフ２００に示すように、遠位端の温度はターゲット温度Ｔ_ｔを中心に振動する。グラフ２０４はまた、圧力センサ１００によって測定された圧力が、約１００ｐｓｉの比較的低い値と約３００ｐｓｉの比較的高い値との間で振動することを示している。温度、圧力、および流量の振動は制限され、それぞれの上限と下限は、とりわけ、設定された最小の流量とモータ速度Ｍ_ｍ、および式（３）で与えられる最大の流量とモータ速度Ｍ_ｕに依存する。したがって、振動は式（１）で使用されるＰＩＤコントローラ項の係数にも依存する。

本発明の一実施形態では、遠位端の温度振動の振幅は、それが目標温度Ｔ_ｔの周りで振動しているとき、約１０℃であり、ここで、振幅は、遠位端の局所最高温度と遠位端の局所最低温度との間の温度差である。

本明細書で使用される場合、任意の数値または範囲の「約」または「概算」という用語は、部品または構成要素の集合が本明細書に記載される意図された目的のために機能することを可能にする適切な寸法公差を示す。より具体的には、「約」または「ほぼ」は、記載された値の±２０％の値の範囲を指す場合があり、例えば「約８０％」は、６４％から９６％の値の範囲を指す。

上記の実施形態は例として引用されており、本発明は、本明細書で特に示され、記載されているものに限定されないことが理解されよう。むしろ、本発明の範囲は、上記の様々な特徴の組み合わせおよびサブ組合せの両方、ならびに前述の説明を読んだときに当業者に想起される、先行技術に開示されていないその変形および修正を含む。

Claims (26)

1. プローブであって、第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有するプローブと；
   流体供給源であって、前記第１の管腔を通って前記プローブの遠位端に極低温剤流体を供給し、そして前記第２の管腔を介して前記プローブから戻る前記極低温剤流体を受け取るように結合された、流体供給源と；
   前記遠位端に配置された温度センサと；
   圧力センサであって、前記第１の管腔の近位端に配置され、当該圧力センサの中の前記極低温剤流体の圧力を測定するように構成された、圧力センサと；および
   プロセッサであって、前記流体供給源からの前記極低温剤流体の供給速度を制御するように構成される、プロセッサと；
   を有し、
   前記温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度よりも低い場合、前記供給速度は事前設定された低速度であり、前記温度センサによって測定された温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は前記圧力センサによって測定された圧力に応答して設定される、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度が前記温度に応答して設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記事前設定されたガード温度よりも高い、事前設定された目標温度に応答して設定される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記事前設定された目標温度が－１０℃から－５０℃の範囲にある、ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記圧力の事前設定された関数から計算される最大供給速度以下である、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の装置。
6. 前記圧力センサによって測定された前記圧力における、前記事前設定された関数の一次導関数の値が負である、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記極低温剤流体の臨界圧力に応じて選択されたパラメトリック圧力と比較した前記圧力に応答して設定される、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の装置。
8. 前記パラメトリック圧力が前記臨界圧力よりも大きい、ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記プロセッサが、比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラを含む、ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の装置。
10. 前記ＰＩＤコントローラが、ＰＩコントローラとして動作する、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 装置を制御するためにコントローラにより実行される方法であって、
    前記装置は：
    プローブであって、第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有する、プローブと；
    前記プローブの前記遠位端にある温度センサと；、
    圧力センサであって、当該圧力センサの中の極低温剤流体の圧力を測定するように構成される、前記第１の管腔の近位端にある圧力センサと；
    を有し、
    前記方法は：
    前記コントローラが、流体供給源を操作して、前記第１の管腔を通って前記プローブの前記遠位端に前記極低温剤流体を供給し、そして前記プローブから前記第２の管腔を介して戻る前記極低温剤流体を受け取るステップと；そして
    前記コントローラが、前記流体供給源からの前記極低温剤流体の供給速度を制御するステップであって、前記プローブの前記遠位端にある前記温度センサによって測定された温度が事前設定されたガード温度よりも低い場合、前記供給速度が事前設定された低速度であり、前記プローブの前記遠位端にある前記温度センサによって測定された温度が前記事前設定されたガード温度以上の場合、前記第１の管腔の近位端にある前記圧力センサによって測定された圧力に応答して前記供給速度が設定される、ステップと；
    を有する、ことを特徴とする方法。
12. 前記温度センサによって測定された温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度が温度に応じて設定される、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記温度センサによって測定された温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記事前設定されたガード温度よりも高い事前設定された目標温度に応答して設定される、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記事前設定された目標温度が－１０℃から－５０℃の範囲にある、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記圧力の事前設定された関数から計算される最大供給速度以下である、ことを特徴とする請求項１１～１３のいずれかに記載の方法。
16. 前記圧力センサによって測定された前記圧力における、前記事前設定された関数の一次導関数の値が負である、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記温度センサによって測定された前記温度が前記事前設定されたガード温度以上である場合、前記供給速度は、前記極低温剤流体の臨界圧力に応じて選択されたパラメトリック圧力と比較した前記圧力に応答して設定される、ことを特徴とする請求項１１～１３のいずれかに記載の方法。
18. 前記パラメトリック圧力が前記臨界圧力よりも大きい、ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記供給速度を制御するために比例－積分－微分（ＰＩＤ）コントローラを使用するステップを有する、ことを特徴とする請求項１１～１３のいずれかに記載の方法。
20. 前記ＰＩＤコントローラがＰＩコントローラとして動作する、ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 装置であって：
    第１の管腔および第２の管腔を含み、生きている対象の組織に接触するように構成された遠位端を有するプローブと；
    前記第１の管腔を通って前記プローブの遠位端に極低温剤流体を供給し、そして前記第２の管腔を介して前記プローブから戻る前記極低温剤流体を受け取るように結合された流体供給源と；
    前記遠位端に配置された温度センサと；
    前記第１の管腔の近位端に配置され、その中の前記極低温剤流体の圧力を測定するように構成された圧力センサと；および
    前記遠位端の事前設定された目標温度と前記圧力センサによって測定された前記圧力とに応答して、前記温度センサによって測定された温度が前記事前設定された目標温度の周りで事前設定された振幅だけ振動する、ように前記流体供給源からの前記極低温剤流体の供給速度を制御するように構成されたプロセッサと；
    を有することを特徴とする装置。
22. 前記プロセッサは、前記圧力センサによって測定された前記圧力と事前設定された圧力との比に応答して、前記極低温剤流体の前記供給速度を制御するように構成される、ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記事前設定された圧力が、前記極低温剤流体の臨界圧力よりも大きい、ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記供給速度が少なくとも事前設定された最小供給速度以上である、ことを特徴とする請求項２１または２２に記載の装置。
25. 前記プロセッサは、比例－積分－微分コントローラであり、前記コントローラの係数値は、前記温度が前記事前設定された振幅だけ振動するように選択される、ことを特徴とする請求項２１または２２に記載の装置。
26. 前記事前設定された振幅が８℃から１２℃の間である、ことを特徴とする請求項２１または２２に記載の装置。
    

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