RU2277934C1

RU2277934C1 - Device for applying ion-beam treatment to medical ware

Info

Publication number: RU2277934C1
Application number: RU2005100978/15A
Authority: RU
Inventors: Владимир Павлович Харитонов (RU); Владимир Павлович Харитонов; Александр Александрович Чиненов (RU); Александр Александрович Чиненов; Александр Иванович Симаков (RU); Александр Иванович Симаков; Александр Васильевич Самков (RU); Александр Васильевич Самков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Роскардиоинвест"
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-06-20

Abstract

FIELD: medical engineering.

SUBSTANCE: device has ion radiation source, mass separator, ion beam former and vacuum chamber. Opening is produced in vacuum chamber wall for letting ion beam in. Receiver for recording ions is available on the opposite side. Disk having odd holders equally spaced over disk periphery to fasten articles under treatment. Each holder is rod mounted in perpendicular to disk surface allowing rotation about the proper axis. Supporting members are available in upper part of the rod for fastening articles under treatment.

EFFECT: enhanced effectiveness in treating a plurality of medical articles at the same time.

7 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при изготовлении корпусов для искусственных клапанов сердца, зубных имплантатов, катетеров, отдельных деталей для протезов суставов и т.д.The invention relates to the field of medical equipment and can be used in the manufacture of cases for artificial heart valves, dental implants, catheters, individual parts for joint prostheses, etc.

Известны устройства для нанесения углеродных (алмазоподобных) покрытий на изделия медицинской техники, изготовленные, в частности, из титана (патенты GB 2287473, 1995 г. и US 5605714, 1997 г.). Нанесение углеродных покрытий происходит в вакуумной камере из газовой среды, содержащей ионы углерода, образовавшиеся при высокой температуре при разложении углеродсодержащих соединений. В указанных устройствах не обеспечивается однородность материала обрабатываемых изделий. Защитные свойства слоя углерода, нанесенного поверх металла, при длительной эксплуатации обработанных изделий снижаются. Кроме того, не исключается механическое разрушение поверхностного слоя при использовании обработанных изделий.Known devices for applying carbon (diamond-like) coatings on medical devices made, in particular, of titanium (patents GB 2287473, 1995 and US 5605714, 1997). Carbon coatings are applied in a vacuum chamber from a gaseous medium containing carbon ions formed at high temperature during the decomposition of carbon-containing compounds. In these devices, the uniformity of the material of the processed products is not ensured. The protective properties of the carbon layer deposited on top of the metal are reduced during prolonged use of the processed products. In addition, mechanical destruction of the surface layer when using processed products is not excluded.

Известно также устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники содержит источник ионов, диафрагму и приемное устройство в виде вакуумной камеры, в торцевой части которой установлен с возможностью вращения диск с расположенными по периферии держателями для обрабатываемых изделий (опубликованная заявка DE 19730296, 1999 г.). Однако эта конструкция не обеспечивает равномерную и оптимальную обработку по всей поверхности одновременно обрабатываемых изделий и характеризуется невысокой производительностью.A device for ion-beam treatment of medical devices is also known. It contains an ion source, a diaphragm and a receiving device in the form of a vacuum chamber, in the end part of which a disk with peripheral holders for the processed products is mounted (published application DE 19730296, 1999) ) However, this design does not provide uniform and optimal processing over the entire surface of simultaneously processed products and is characterized by low productivity.

Предлагаемое изобретение позволяет при более высокой производительности проводить равномерное ионное легирование (ионную имплантацию) поверхностного слоя множества одновременно обрабатываемых изделий с достижением необходимых глубины проникновения и концентрации имплантированных ионов.The present invention allows for higher performance to conduct uniform ionic doping (ion implantation) of the surface layer of many simultaneously processed products to achieve the required penetration depth and concentration of implanted ions.

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники согласно изобретению содержит источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру. В стенке вакуумной камеры выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов. В торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей для обрабатываемых изделий. Каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры (преимущественно наклонные) для обрабатываемых изделий.A device for ion beam treatment of medical devices according to the invention comprises an ion source, a mass separator, an ion beam former and a vacuum chamber. A hole for the entrance of the ion beam is made in the wall of the vacuum chamber, and an ion-receiver is located on the opposite side. A disk with an odd number of holders for workpieces evenly spaced around the periphery of the disk is mounted in the end part of the chamber for rotation. Each holder is a rod mounted perpendicular to the surface of the disk with the possibility of rotation around its own axis, and supports (mainly inclined) for the workpieces are mounted in the upper part of the rod.

В предпочтительном варианте исполнения устройство содержит источник углеродных ионов, при этом внутренние поверхности источника ионов, масс-сепаратора, формирователя пучка ионов и приемника-регистратора ионов облицованы графитом и имеют внешнее охлаждение. Вакуумная камера обычно имеет цилиндрическую форму и снабжена датчиком бесконтактного контроля температуры.In a preferred embodiment, the device contains a carbon ion source, while the inner surfaces of the ion source, mass separator, ion beam former and ion receiver-recorder are lined with graphite and have external cooling. The vacuum chamber usually has a cylindrical shape and is equipped with a non-contact temperature control sensor.

Диск может быть установлен на валу соединенном с двигателем, находящимся вне вакуумной камеры, при этом держатели для обрабатываемых изделий связаны с валом посредством фрикционной или зубчатой передачи.The disk can be mounted on a shaft connected to an engine located outside the vacuum chamber, while the holders for the processed products are connected to the shaft by means of a friction or gear transmission.

Приемник-регистратор ионов может быть выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец закрыт и имеет коническую форму, при этом снаружи цилиндра расположен постоянный магнит с полюсными наконечниками.The receiver-recorder of ions can be made in the form of a hollow graphite cylinder, one of the ends of which is open and facing the hole for the entrance of the ion beam, and the second end is closed and has a conical shape, while a permanent magnet with pole tips is located outside the cylinder.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематически показана конструкция предлагаемого устройства, на фиг.2 - вакуумная камера в разрезе по оси, вид сбоку, на фиг.3 - вакуумная камера, вид сверху. На фиг.4 изображен в разрезе узел соединения держателя для обрабатываемых изделий с диском вакуумной камеры. На фиг.5 - приемник-регистратор ионов. Фиг.6 демонстрирует два крайних положения, которые принимают в процессе ионно-лучевой обработки обрабатываемые изделия медицинской техники (в данном случае - корпуса искусственных клапанов сердца).The invention is illustrated by the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows the construction of the device according to the invention, in Fig. 2 is a vacuum chamber in section along the axis, a side view, in Fig. 3 is a vacuum chamber, a top view. Figure 4 shows a sectional view of the connection node of the holder for the workpiece with the disk of the vacuum chamber. Figure 5 - receiver-recorder of ions. Fig.6 shows two extreme positions that take in the process of ion-beam treatment of processed products of medical equipment (in this case, the body of artificial heart valves).

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники (Фиг.1) содержит источник 1 ионов, масс-сепаратор 2, формирователь 3 пучка ионов и вакуумную камеру 4. В стенке вакуумной камеры 4 (Фиг.2) имеется отверстие 5 для входа пучка 19 ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор 6 ионов. В торцевой части вакуумной камеры 4 (Фиг.2, 3) установлен с возможностью вращения диск 7 с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей 8 для обрабатываемых изделий. Каждый держатель 8 (Фиг.4) представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска 7 с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части держателя 8 смонтированы опоры 9 (преимущественно наклонные) для обрабатываемых изделий.A device for ion-beam treatment of medical devices (Figure 1) contains an ion source 1, a mass separator 2, an ion beam former 3 and a vacuum chamber 4. There is an opening 5 for the entrance of the beam 19 in the wall of the vacuum chamber 4 (Figure 2) ions, and on the opposite side is a receiver-recorder of 6 ions. In the end part of the vacuum chamber 4 (FIGS. 2, 3), a disk 7 with an odd number of holders 8 for workpieces evenly spaced along the periphery of the disk is mounted for rotation. Each holder 8 (Figure 4) is a rod mounted perpendicular to the surface of the disk 7 with the possibility of rotation around its own axis, and in the upper part of the holder 8 mounted supports 9 (mainly inclined) for the workpiece.

В предпочтительном варианте исполнения устройство содержит источник 1 углеродных ионов, при этом внутренние поверхности источника ионов 1, масс-сепаратора 2, формирователя 3 пучка ионов и приемника-регистратора 6 ионов облицованы графитом и имеют внешнее охлаждение (на чертежах не показано). Графитовая облицовка позволяет избежать примесного легирования изделий посторонними ионами, которые могли бы образоваться при ударе ионов углерода о внутренние поверхности устройства в случае их изготовления из материала иного, чем углерод (графит). Ионное легирование углеродом в медицинской технике преимущественно используется для обработки изделий из титана или сплавов на его основе. Однако предлагаемое устройство без изменения его конструкции может применяться для ионно-лучевой обработки изделий из других металлов и другими ионами.In a preferred embodiment, the device comprises a carbon ion source 1, while the inner surfaces of the ion source 1, mass separator 2, ion beam former 3 and the ion detector 6 are lined with graphite and have external cooling (not shown in the drawings). Graphite cladding avoids impurity alloying of products with foreign ions, which could be formed upon impact of carbon ions on the internal surfaces of the device if they were made from a material other than carbon (graphite). Ion doping with carbon in medical technology is mainly used for processing products from titanium or alloys based on it. However, the proposed device without changing its design can be used for ion-beam processing of products from other metals and other ions.

Вакуумная камера 4 обычно снабжена датчиком 10 бесконтактного контроля температуры и в наиболее удобном конструктивном исполнении имеет цилиндрическую форму. Однако форма вакуумной камеры может быть полусферической, сферической или призматической с сечением в виде правильного многоугольника (на чертежах не показано). Датчик 10 бесконтактного контроля температуры обрабатываемых изделий 20 позволяет регулировать процесс обработки, если для достижения требуемых конечных показателей легирования будет необходима весьма длительная обработка, которая может сопровождаться значительным повышением температуры.The vacuum chamber 4 is usually equipped with a sensor 10 for non-contact temperature control and in the most convenient design has a cylindrical shape. However, the shape of the vacuum chamber can be hemispherical, spherical or prismatic with a cross section in the form of a regular polygon (not shown in the drawings). The sensor 10 of the non-contact temperature control of the processed products 20 allows you to adjust the processing process, if to achieve the required final doping indices, a very long treatment will be necessary, which may be accompanied by a significant increase in temperature.

Диск 7 может быть установлен на валу 11, соединенном с двигателем 12, находящимся вне вакуумной камеры 4. Держатели 8 для обрабатываемых изделий связаны с валом 11 посредством фрикционной или зубчатой передачи, то есть получают вращение от того же двигателя 12 (Фиг.2, 4). При этом стержень каждого из держателей 8 установлен на диске 7 в подшипнике 13, размещенном в толще диска 7. Нижний конец держателя 8 снабжен широким тонким роликом 21 (или шестерней). В торце вакуумной камеры 4 в зазоре между стенкой камеры и диском размещено кольцо 22, которое может быть гладким (для фрикционного сцепления с роликом 21) или может иметь внутренние зубцы (для зубчатого соединения с соответствующей шестерней).The disk 7 can be mounted on a shaft 11 connected to an engine 12 located outside the vacuum chamber 4. The holders 8 for the workpieces are connected to the shaft 11 by means of a friction or gear transmission, that is, they receive rotation from the same engine 12 (Figs. 2, 4 ) In this case, the rod of each of the holders 8 is mounted on the disk 7 in the bearing 13 located in the thickness of the disk 7. The lower end of the holder 8 is equipped with a wide thin roller 21 (or gear). At the end of the vacuum chamber 4, a ring 22 is placed in the gap between the chamber wall and the disk, which can be smooth (for friction coupling with the roller 21) or may have internal teeth (for gear connection with the corresponding gear).

Описанный вариант передачи вращения от двигателя 12 на диск 7 и каждый из держателей 8 не является единственно возможным. Допустимо размещение двигателя внутри вакуумной камеры под диском и/или оснащение держателей автономными средствами вращения (на чертежах не показано).The described embodiment of the transmission of rotation from the engine 12 to the disk 7 and each of the holders 8 is not the only possible one. It is permissible to place the engine inside the vacuum chamber under the disk and / or equip the holders with autonomous means of rotation (not shown in the drawings).

В верхней части держателя 8 смонтированы опоры 9 для обрабатываемых изделий. Обычно (в частности, при обработке кольцевых корпусов искусственных сердечных клапанов) на одном держателе 8 устанавливают три наклонных опоры 9. Но при обработке изделий другой конфигурации и других размеров для большего удобства может использоваться и другое количество опор на одном держателе, в том числе установленных без наклона. Угол, под которым устанавливают наклонные опоры 9 относительно держателя 8, зависит от геометрической формы легируемых ионами изделий.In the upper part of the holder 8 mounted supports 9 for the workpiece. Usually (in particular, when processing annular cases of artificial heart valves), three inclined supports 9 are installed on one holder 8. But when processing products of a different configuration and other sizes, for a greater convenience, a different number of supports can be used on one holder, including those installed without tilt. The angle at which the inclined supports 9 are mounted relative to the holder 8 depends on the geometric shape of the ion-doped products.

Приемник-регистратор 6 ионов может быть выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов 14 которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец 15 закрыт и предпочтительно имеет коническую форму. Снаружи торец 15 контактирует с водоохлаждаемым основанием 16, а также соединен с прибором 17 для измерения тока пучка ионов. Снаружи цилиндрической поверхности приемника-регистратора 6 ионов расположен постоянный магнит с полюсными наконечниками 18. Магнит служит для подавления медленных вторичных частиц, образующихся при столкновении ионов с внутренними поверхностями приемника-регистратора 6 ионов и вносящих искажения при измерении тока пучка ионов.The receiver-recorder 6 of ions can be made in the form of a hollow graphite cylinder, one of the ends 14 of which is open and facing the hole for the entrance of the ion beam, and the second end 15 is closed and preferably has a conical shape. Outside, the end face 15 is in contact with the water-cooled base 16, and is also connected to the device 17 for measuring the current of the ion beam. A permanent magnet with pole pieces 18 is located outside the cylindrical surface of the receiver-recorder of 6 ions. The magnet is used to suppress the slow secondary particles generated by the collision of ions with the internal surfaces of the receiver-recorder of 6 ions and introducing distortions when measuring the ion beam current.

Работа устройства для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники описывается на примере легирования ионами углерода титановых кольцевых корпусов 20 искусственных сердечных клапанов.The operation of the device for ion-beam processing of medical devices is described by the example of doping with carbon ions of titanium ring bodies 20 of artificial heart valves.

В источнике 1 ионов ионизируется рабочее углеродсодержащее вещество (например, в разрядной камере с помощью эмитируемых с катода электронов). В масс-сепараторе 2 происходит разделение ионов по массе и выделение тех из них, которые будут использоваться для обработки изделий (например, ионов углерода-12). С помощью формирователя 3 пучка ионов осуществляют формирование пучка шириной, достаточной для одновременного облучения всех изделий, размещаемых на одном держателе 8. Отверстие 5 для входа пучка ионов в вакуумную камеру 4 также имеет достаточные размеры. Все указанные операции производят в условиях высокого вакуума.In the ion source 1, a working carbon-containing substance is ionized (for example, in a discharge chamber using electrons emitted from the cathode). In the mass separator 2 there is a separation of ions by mass and the selection of those that will be used to process products (for example, carbon-12 ions). Using an ion beam shaper 3, a beam is formed that is wide enough to simultaneously irradiate all products placed on one holder 8. The hole 5 for the ion beam to enter the vacuum chamber 4 is also of sufficient size. All these operations are carried out under high vacuum.

Пучок 19 ионов поступает в вакуумную камеру 4 через отверстие 5 в ее боковой стенке и проходит в диаметральном направлении над диском 7 на уровне обрабатываемых деталей, размещаемых на опорах 9 по одной или по несколько штук на каждом держателе 8. Расположение держателей 8 по периферии диска 7 должно быть таким, чтобы на одной диаметральной прямой находилось не более одного держателя 8. В противном случае держатель, расположенный ближе к отверстию 5 для входа пучка 19 ионов, будет хотя бы частично перекрывать поток ионов к более удаленному держателю, что приведет к неравномерной обработке ионами размещаемых на держателе изделий. Указанное условие соблюдается при нечетном числе держателей 8 равномерно расположенных по периферии диска 7 (см. Фиг.3). Однако при неравномерном расположении держателей на диске условие «не более одного держателя на одной диаметральной линии» можно выполнить и с четным числом держателей (на чертежах не показано).The ion beam 19 enters the vacuum chamber 4 through an opening 5 in its side wall and passes diametrically above the disk 7 at the level of the workpieces placed on the supports 9 one or more pieces on each holder 8. Arrangement of the holders 8 around the periphery of the disk 7 should be such that no more than one holder 8 is on one diametric line. Otherwise, the holder located closer to the hole 5 for the entrance of the ion beam 19 will at least partially block the ion flow to the more distant Liu, which will lead to uneven treatment of the ions of products placed on the holder. The specified condition is met with an odd number of holders 8 evenly spaced around the periphery of the disk 7 (see Figure 3). However, with an uneven arrangement of the holders on the disk, the condition "no more than one holder on one diametrical line" can be fulfilled with an even number of holders (not shown in the drawings).

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники обеспечивает в режиме групповой обработки корпусов 20 сложное движение легируемых изделий внутри вакуумной камеры для максимально равномерного ионного легирования всех частей обрабатываемых изделий за счет более медленного вращения корпусов 20 вместе с диском 7 и за счет более быстрого вращения корпусов 20 вокруг стержня держателя 8 и их наклона по отношению к обеим осям вращения и направлению пучка 19 ионов.The device for ion-beam processing of medical equipment products provides in the batch processing mode of the casings 20 a complex movement of alloyed products inside the vacuum chamber for the most uniform ionic alloying of all parts of the processed products due to the slower rotation of the casings 20 together with the disk 7 and due to faster rotation of the casings 20 around the rod of the holder 8 and their inclination with respect to both axes of rotation and the direction of the ion beam 19.

Так как геометрическая форма корпусов 20 близка к полому цилиндру или короткой трубке, то оптимальным углом (α) их наклона к осям вращения является угол 45°, что проиллюстрировано на Фиг.6, где схематично представлены два крайних положения обрабатываемых корпусов 20. В Положении 1 легируются поверхности, обозначенные позицией А (выделенные более жирной линией). Поверхности Б при этом ионами не облучаются (находятся «в тени»). В Положении 2 легируются поверхности, обозначенные позицией Б, а "в тени" находятся поверхности, обозначенные позицией А.Since the geometric shape of the bodies 20 is close to a hollow cylinder or a short tube, the optimum angle (α) of their inclination to the axes of rotation is an angle of 45 °, as illustrated in FIG. 6, where two extreme positions of the machined bodies 20 are schematically shown. In Position 1 the surfaces indicated by A are alloyed (marked by a thicker line). In this case, surfaces B are not irradiated with ions (they are “in the shade”). In Position 2, the surfaces indicated by B are alloyed, and “marked in the shadow” are surfaces indicated by A.

Все элементы устройства, контактирующие с прямым потоком ионов углерода, выполнены только из титана и графита. Это позволяет избежать при легировании ионами углерода титановых корпусов 20 нежелательных примесей и обеспечивает чистоту процесса.All elements of the device in contact with a direct stream of carbon ions are made only of titanium and graphite. This avoids undesirable impurities when doping with carbon ions of titanium bodies 20 and ensures the purity of the process.

Ионное легирование или имплантация ионов углерода в титановый корпус искусственного клапана сердца повышает тромборезистентность клапана за счет лучшей (по сравнению с титаном) биосовместимости легированной углеродом поверхности с кровью, а также увеличивает его долговечность и КПД за счет снижения трения между корпусом и запирающими элементами клапана.Ion doping or implantation of carbon ions into the titanium body of an artificial heart valve increases the thromboresistance of the valve due to the better (compared to titanium) biocompatibility of the carbon-doped surface with blood, and also increases its durability and efficiency by reducing friction between the body and the valve locking elements.

Claims

1. A device for ion-beam processing of medical devices containing an ion source, a mass separator, an ion beam former and a vacuum chamber, in the wall of which there is a hole for the entrance of the ion beam, and on the opposite side is an ion detector, while the end part of the chamber is mounted with the possibility of rotation of the disk with holders located on the periphery of the disk for the workpiece, and each holder is a rod mounted perpendicular to the surface of the disk with the possibility of rotation around its own axis, and in the upper part of the rod mounted supports for the workpiece.

2. The device according to claim 1, characterized in that the odd number of holders is evenly located on the disk, and the supports for the workpieces are mounted obliquely.

3. The device according to claim 1, characterized in that it contains a carbon ion source, and the inner surfaces of the ion source, mass separator, ion beam former and ion receiver-recorder are lined with graphite.

4. The device according to claim 1, characterized in that the vacuum chamber has a cylindrical shape.

5. The device according to claim 1, characterized in that the receiver-recorder of ions is made in the form of a hollow graphite cylinder, one of the ends of which is open and facing the hole for the entrance of the ion beam, and the second end has a conical shape and is equipped with a water-cooled base, This is a permanent magnet with pole pieces located outside the cylinder.

6. The device according to claim 1, characterized in that the vacuum chamber is equipped with a non-contact temperature control sensor.

7. The device according to claim 1, characterized in that the disk is mounted on a shaft connected to an engine located outside the vacuum chamber, while the holders for the processed products are connected to the shaft by means of a friction or gear transmission.