RU199574U1 - Медицинский аппарат для импульсного оптического облучения - Google Patents

Abstract

Медицинский аппарат для импульсного оптического облучения содержит облучатель с газоразрядной импульсной ксеноновой лампой и блок питания и управления, подключенный к облучателю. Блок питания и управления, в свою очередь, содержит накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором, формирователь импульсов поджига и схему управления, подключенную к зарядному устройству и к формирователю импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная импульсная ксеноновая лампа соединены между собой с образованием разрядного контура. Газоразрядная импульсная ксеноновая лампа выполнена короткодуговой, со свободным расширением плазмы и с промежуточными электродами, формирователь импульсов поджига подключен к промежуточному электроду, а параметры разрядного контура удовлетворяют соотношению.Расстояние между электродами газоразрядной импульсной ксеноновой лампы составляет от 1 до 3 мм.Облучатель может быть выполнен со съемной насадкой в виде линзы из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала.Газоразрядная импульсная короткодуговая ксеноновая лампа может быть выполнена с встроенным отражателем. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, применяемой в дерматологии и хирургии для лечения и профилактики кожных заболеваний, раневых и ожоговых поверхностей с высокой бактериальной обсемененностью. Может использоваться также для для неинвазионного облучения крови ультрафиолетовым (УФ) излучением.

Известно устройство для лечения раневых инфекций и кожных заболеваний по патенту RU 2088286, которое содержит облучатель с импульсной газоразрядной лампой, установленной в отражателе, и блок питания и управления с генератором импульсов поджига, накопительным конденсатором, зарядным устройством в виде высоковольтного источника тока, схемой управления и импульсным трансформатором, соединенными таким образом, что накопительный конденсатор, импульсная лампа и вторичная обмотка импульсного трансформатора образуют разрядный контур.

Известно также устройство для лечения раневой инфекции и дерматологических заболеваний с помощью высокоинтенсивного импульсного оптического облучения по патенту RU 2641068, принятое за прототип.

Известное устройство содержит облучатель с газоразрядной импульсной ксеноновой лампой трубчатого типа и блок питания и управления, подключенный к облучателю. Блок питания и управления, в свою очередь, содержит накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором, формирователь импульсов поджига и схему управления, подключенную к зарядному устройству и к формирователю импульсов поджига. Накопительный конденсатор и газоразрядная импульсная ксеноновая лампа соединены между собой с образованием разрядного контура. Формирователь импульсов поджига выполнен на основе импульсного повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого также является частью разрядного контура.

К недостаткам известного устройства следует отнести значительные габариты и массу. Так, его масса составляет около 7-8 кг, размеры основного блока около 500×270×100 мм, размеры облучателя около 220×80×140 мм. Такие характеристики делают практические использование известного устройства не очень удобным.

Кроме того, ресурс импульсной лампы в известном устройстве невелик и составляет 0,3-1 миллиона импульсов в зависимости от режима работы лампы, что приводит к необходимости регулярной замены лампы в облучателе.

Кроме того, для известного устройства эффективность преобразования накопленной электрической энергии в излучение ультрафиолетового диапазона невелика.

Кроме того, излучение известного устройства невозможно сфокусировать на площадку малого размера или эффективно ввести в гибкий световод.

Необходимо отметить, что эти недостатки являются следствием применения в известном устройстве в качестве источника импульсного оптического излучения ксеноновой лампы трубчатого типа. Характерной особенностью таких ламп является наличие цилиндрической кварцевой трубки с герметично закрепленными на ее концах электродами, при этом длина межэлектродного промежутка намного (в 10 и более раз) превышает диаметр кварцевой трубки. В таких лампах кварцевая трубка непосредственно участвует в процессе первичного пробоя ксенона, находящегося в ней, и в процессе формирования и развития излучающей плазмы (ограничивает размер плазмы). Контакт высокотемпературной плазмы с внутренней поверхностью кварцевой трубки приводит к развитию деградационных процессов в кварце и уменьшению ресурса работы такой лампы.

Практически достигаемая яркостная температура излучения в ультрафиолетовой области спектра составляет 7000-8000 К, что обеспечивает величину спектрального коэффициента излучения для бактерицидного диапазона (отношение энергии излучения в диапазоне 200-300 нм к полной излученной энергии во всем спектре), равную 7,5-12%. Повышение яркостной температуры излучения за счет интенсификации электрического разряда в лампе приводит к катастрофическому снижению ее ресурса.

Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышении удобства применения за счет снижения массы и габаритных размеров, повышении ресурса и повышении эффективность преобразования накопленной электрической энергии в излучение ультрафиолетового диапазона.

Указанный технический результата достигается тем, что в предлагаемом медицинском аппарате для импульсного оптического облучения, содержащем облучатель с газоразрядной импульсной ксеноновой лампой и блок питания и управления, подключенный к облучателю, в котором блок питания и управления содержит накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором, формирователь импульсов поджига и схему управления, подключенную к зарядному устройству и к формирователю импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная импульсная ксеноновая лампа соединены между собой с образованием разрядного контура, газоразрядная импульсная ксеноновая лампа выполнена короткодуговой, со свободным расширением плазмы и с промежуточными электродами, формирователь импульсов поджига подключен к промежуточному электроду, а параметры разрядного контура удовлетворяют соотношению

где U - напряжение заряда накопительного конденсатора, В;

L - индуктивность разрядного контура, Гн;

- длина межэлектродного промежутка газоразрядной импульсной ксеноновой лампы, м;

ρ₀ - начальная плотность ксенона в газоразрядной импульсной ксеноновой лампе, кг/м³;

- коэффициент.

Кроме того, в медицинском аппарате для импульсного оптического облучения расстояние между электродами газоразрядной импульсной ксеноновой лампы может составлять от 1 до 3 мм.

Облучатель медицинского аппарата может быть выполнен со съемной насадкой в виде линзы из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, а газоразрядная импульсная короткодуговая ксеноновая лампа может быть выполнена с встроенным отражателем.

Расчетное соотношение (1) определяет такую взаимосвязь между конструктивными признаками заявленного аппарата, которая обеспечивает высокие излучательные характеристики изделия и эффективность проводимых лечебных процедур.

Полезная модель поясняется чертежом фиг. 1, где показана принципиальная блок-схема предлагаемого медицинского аппарата для импульсного оптического облучения.

Предлагаемый аппарат содержит следующие основные узлы и компоненты.

В облучателе 1 размещена короткодуговая газоразрядная импульсная ксеноновая лампа 2 со свободным расширением плазмы. В лампе 2 имеются основные разрядные электроды 3, 4 (анод, катод) и промежуточный электрод 5. В вариантах исполнения в лампе могут быть несколько промежуточных электродов.

Термин «короткодуговая» в области газоразрядных ламп и в настоящей полезной модели означает, что расстояние между разрядными электродами 3 и 4 (межэлектродный промежуток) составляет 3 или менее мм. Это значение резко отличается от аналогичной характеристики трубчатой лампы известных технических решений (там этот параметр достигает нескольких десятков и даже сотен мм, например, 60-120 мм).

Термин «со свободным расширением плазмы» означает, что в такой лампе, в отличие от трубчатой лампы известного устройства, внутренняя поверхность колбы, окна или корпуса не играет сколь-нибудь заметной роли при первичном пробое и при формировании и развитии излучающего плазменного образования в лампе. Длительность импульса излучения такой лампы значительно короче, чем в трубчатой лампе известного устройства, и составляет единицы микросекунд.

В варианте исполнения газоразрядная импульсная короткодуговая ксеноновая лампа может быть снабжена встроенным отражателем, например, в виде эллипсоида (на фиг. 1 не показан).

На облучатель 1 может устанавливаться съемная насадка в виде линзы 6 из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, например, из кварцевого стекла.

К облучателю 1 подключен блок питания и управления 7, в состав которого входят накопительный конденсатор 8, зарядное устройство 9, формирователь импульсов поджига 10, схема управления 11. В варианте применения в блоке питания и управления может присутствовать таймер 12.

Зарядное устройство 9 подсоединено к накопительному конденсатору 8 и выполнено в виде AC/DC преобразователя и функционально представляет собой высоковольтный источник тока.

Формирователь импульсов поджига 10 представляет собой слаботочную разрядную схему на основе конденсатора, тиристора и повышающего импульсного трансформатора. Выход формирователя импульсов поджига 10 подключен к промежуточному электроду 5 короткодуговой газоразрядной импульсной ксеноновой лампе 2.

Схема управления 11 подключена к зарядному устройству 9 и к формирователю импульсов поджига 10, вход схемы управления подключен к таймеру 12. Схема управления выполнена на основе микропроцессора и имеет в своем составе компаратор напряжений.

Предлагаемый медицинский аппарат для импульсного оптического облучения работает в режиме повторяющихся циклов следующим образом.

В начале цикла схема управления 11 подает разрешающий сигнал на зарядное устройство 9, которое вырабатывает ток для заряда накопительного конденсатора 8. Текущее значение напряжения на накопительном конденсаторе 8 контролируется имеющимся в схеме управления компаратором. При достижении заданного значения напряжения, заложенного в память микропроцессора схемы управления 11 (в конкретном примере реализации напряжение заряда конденсатора 8 составляет 1000 В) срабатывает компаратор и микропроцессор схемы управления 11 снимает разрешающий сигнал с зарядного устройства 9.

Благодаря электрическому соединению газоразрядной лампы 2 с накопительным конденсатором 8 достигнутое на его обкладках напряжение приложено к основным электродам 3 и 4 короткодуговой импульсной газоразрядной лампы 2. Тем самым в межэлектродном промежутке лампы 2 создается электрическое поле, напряженность которого недостаточна для самопробоя в среде ксенона, заполняющего внутренний объем лампы 2.

После завершения заряда накопительного конденсатора 8 схема управления 11 подает управляющий сигнал на формирователь импульсов поджига 10, который формирует импульсный сигнал амплитудой 5-7 кВ, который прикладывается к промежуточному электроду 5. В результате в этот момент конфигурация и напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке лампы 2 резко изменяются и происходит первичный электрический пробой в среде ксенона между основными электродами 3 и 4 с образованием первичного проводящего канала между ними. По этому каналу начинается процесс разряда накопительного конденсатора 8. По мере роста разрядного тока ксенон интенсивно разогревается и ионизируется с образованием высокотемпературной излучающей плазмы в межэлектродном промежутке импульсной ксеноновой лампы 2. Излучение плазмы выходит из прозрачного окна (или прозрачного корпуса) лампы 2 и направляется на обрабатываемую поверхность соответствующим положением облучателя 1 и осуществляет лечебный эффект.

Длительность и интенсивность излучения плазмы и в конечном итоге величину излучаемой энергии определяют характеристики короткодуговой газоразрядной импульсной ксеноновой лампы 2 (начальное давление ксенона в лампе, длина межэлектродного промежутка), накопительного конденсатора 8 (емкость, напряжение заряда) и разрядного контура (индуктивность). При выборе характеристик в соответствии с соотношением (1) обеспечивается высокая интенсивность излучения, особенно в актуальном ультрафиолетовом диапазоне спектра, характеризующаяся яркостной температурой излучения 15000-18000 К. Для таких значений яркостной температуры спектральный коэффициент излучения в бактерицидном диапазоне спектра (200-300 нм) составляет более 28%.

По мере разряда накопительного конденсатора 8 разрядный ток и, соответственно, интенсивность излучения лампы 2 снижаются до момента полного разряда конденсатора 8 и полной деионизации ксенона. На этом цикл работы заканчивается и после некоторой временной задержки (несколько миллисекунд) начинается новый цикл работы, т.е подача разрешающего сигнала от схемы управления на зарядное устройство 9, заряд конденсатора 8 и т.д. в соответствии с уже описанным алгоритмом.

Полную длительность работы предложенного аппарата, т.е. количество описанных повторяющихся циклов, определяет таймер 12, с помощью которого задается длительность лечебной процедуры.

Основное назначение предлагаемого медицинского аппарата для импульсного оптического облучения заключается в лечении и профилактике раневых инфекций и дерматологических заболеваний. Для такого применения облучатель 1 подводится к пораженному участку тела пациента на расстояние около 5 см, затем включается аппарат и производится сеанс облучения, в ходе которого обрабатывается участок площадью 20-40 см². При увеличении расстояния между облучателем и облучаемой поверхностью увеличивается и площадь облучения, но при этом для сохранения необходимой для получения лечебного эффекта дозы длительность сеанса должна быть увеличена с помощью соответствующей настройки таймера 12. Типовые длительности сеанса облучения составляют 20-60 с.

Для локального облучения участка малой площади может быть использована насадка с линзой 6 из кварцевого стекла, устанавливаемая на облучатель 1. Она же может применяться для осуществления ввода излучения в гибкий световод (на фиг. 1 не показан), с помощью которого обеспечивается возможность обработки труднодоступных или внутренних органов, например, при полостных хирургических операциях.

Для фокусировки излучения на участок малой площади или на входной торец гибкого световода может быть также применена газоразрядная импульсная короткодуговая ксеноновая лампа с встроенным отражателем в виде эллипсоида.

Выполнение предложенного медицинского аппарата для импульсного оптического облучения в соответствии с совокупностью признаков формулы полезной модели обеспечивает указанный ранее технический результат в связи со следующим.

Во-первых, использование короткодуговой газоразрядной импульсной ксеноновой лампы со свободным расширением плазмы вместо трубчатой лампы с ограничением расширения плазмы с помощью кварцевой трубки позволяет существенно снизить необходимую величину запасаемой накопительным конденсатором электрической энергии. Так, в предлагаемом аппарате эта величина составляет 0,5-1 Дж, в то время как в известных устройствах с трубчатыми лампами она составляет 20-40 Дж. Поэтому накопительный конденсатор в предлагаемом аппарате может быть значительно меньшей емкости и, соответственно, размеров и массы.

Во-вторых, снижаются требования к мощности, вырабатываемому току и конечному значению напряжения зарядного устройства, а это приводит к возможности схемотехнической реализации зарядного устройства в меньшем объеме и с меньшей массой.

В-третьих, значительно упрощается и облегчается система поджига. Так, в известных устройствах система поджига импульсной трубчатой лампы реализована на основе импульсного трансформатора, вторичная повышающая обмотка которого является частью разрядного контура, в котором развиваются весьма значительные разрядные токи (до нескольких сотен ампер в максимуме). Такой импульсный трансформатор характеризуется большими размерами и массой, т.к. для первичного пробоя длинного разрядного промежутка требуется импульс амплитудой 10000-15000 В, отсюда следует большое количество витков вторичной обмотки (30-50) провода значительного сечения из-за большого разрядного тока и все это намотано на тяжелом ферритовом кольце диаметром несколько десятков мм.

В предложенном же устройстве для пробоя межэлектродного промежутка малой длины (до 3 мм вместо 60-120 в известных устройствах) с использованием промежуточного электрода 5 достаточно импульса напряжением 5000-7000 В. К тому же, в отличие от известных устройств, промежуточный электрод 5 не является частью разрядного контура и разрядный ток через него не протекает. Фактически электрод 5 подводит к межэлектродному промежутку лампы 2 не ток, а потенциал, вносящий сильные импульсные искажения в электрическое поле между основными (разрядными) электродами 3 и 4, что и способствует электрическому пробою между ними с возникновением первичного проводящего канала. По этой причине импульсный трансформатор в формирователе импульсов поджига 10 предлагаемого аппарата выполнен из тонкого провода на ферритовом кольце небольшого размера (около 10 мм) и обладает весьма малыми размерами и массой. Остальные компоненты формирователя импульсов поджига 10 также незначительны по размерам и массе.

В результате габариты и масса предлагаемого медицинского аппарата для импульсного оптического облучения значительно снижаются по сравнению с аналогами и прототипом. Так, макетный образец предлагаемого аппарата обладает размерами 300×300×100 мм и массой 1,8 кг, облучатель имеет диаметр 50 мм и длину 120 мм, т.е. по отношению к прототипу и аналогам существенно более компактен и намного легче.

Т.о., за счет снижения размеров и массы удобство пользования медицинским аппаратом для импульсного облучения повысилось.

Применение в качестве источника ультрафиолетового излучения короткодуговой импульсной газоразрядной лампы со свободным расширением плазмы, с промежуточными электродами и указанным в формуле полезной модели соотношением (1) между конструктивными параметрами разрядного контура позволило увеличить ресурс источника излучения до ~10⁹ импульсов и практически снять необходимость замены лампы в ходе эксплуатации аппарата.

Эффективность преобразования накопленной электрической энергии в излучение ультрафиолетового диапазона в предлагаемом аппарате повышена до ~ 28% (в известных технических решениях 7,5-12%) за счет того, что вся совокупность существенных признаков формулы полезной модели, в том числе расчетное соотношение (1), сделали возможным достижение яркостной температуры излучения 15000-18000 К, что в соответствии с законом Планка приводит к сдвигу максимума и увеличению спектральной интенсивности излучения в коротковолновой части ультрафиолетового диапазона.

Claims (8)

1. Медицинский аппарат для импульсного оптического облучения, содержащий облучатель с газоразрядной импульсной ксеноновой лампой и блок питания и управления, подключенный к облучателю, блок питания и управления содержит накопительный конденсатор, зарядное устройство, соединенное с накопительным конденсатором, формирователь импульсов поджига и схему управления, подключенную к зарядному устройству и к формирователю импульсов поджига, при этом накопительный конденсатор и газоразрядная импульсная ксеноновая лампа соединены между собой с образованием разрядного контура, отличающийся тем, что газоразрядная импульсная ксеноновая лампа выполнена короткодуговой, со свободным расширением плазмы и с промежуточными электродами, формирователь импульсов поджига подключен к промежуточному электроду, а параметры разрядного контура удовлетворяют соотношению:

где U - напряжение заряда накопительного конденсатора, В;

L - индуктивность разрядного контура, Гн;

- длина межэлектродного промежутка газоразрядной импульсной ксеноновой лампы, м;

ρ₀ - начальная плотность ксенона в газоразрядной импульсной ксеноновой лампе, кг/м³;

- коэффициент.

2. Медицинский аппарат для импульсного оптического облучения по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между электродами газоразрядной импульсной ксеноновой лампы составляет от 1 до 3 мм.

Images