Результат интеллектуальной деятельности: КРИОХИРУРГИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано не только в хирургии для деструкции патологических тканей с помощью криоаппликаторов, охлаждаемых жидким азотом, кипящим как под избыточным, так и отрицательным атмосферным давлением, но и в криотерапии заболеваний.

Уровень техники.

Известно много криохирургических аппаратов (КХА) и криохирургических инструментов (КХИ), действующих на общепринятом принципе нагнетания жидкого азота в рабочий наконечник КХИ. Известен, например, как один из лучших аналогов в своем классе КХА (SU 1102096 А). Этот аппарат содержит криоинструмент, включающий в себя теплообменник, электронагреватель и датчик температуры, источник хладагента, соединенный с криоинструментом гибкой гидромагистралью, и включающий в себя электромагнитные клапаны жидкого и газообразного хладагента, клапан регулировки давления и датчик давления, терморегулятор, соединенный непосредственно с задатчиком температуры с реле времени через кнопочный переключатель с измерителем температуры. В этом аппарате поставленная цель стабилизации температуры достигается тем, что он снабжен последовательно соединенным компаратором, блоком управления электромагнитными клапанами жидкого и газообразного хладагента и регулятором давления.

Заметим, что этот аппарат особенно полезен в исследовательских задачах практической хирургии, когда регулирование температуры хладагента дает информацию о кинетике процессов замораживания в различных биологических тканях. Однако в криохирургии важнейшим показателем эффективного аппарата является не стабильность задаваемой температуры, а холодопроизводительность процесса замораживания и минимальная температура в наконечнике криоинструмента. По этим показателям аналог превращает изначально жидкий азот в хладагент с худшими свойствами, поскольку подъем давления пара в его герметичной емкости до 4 абсолютных атмосфер повышает равновесную температуру кипения жидкого азота почти на 14 градусов, одновременно снижая скрытую теплоту испарения на 300 джоулей на моль [1] по сравнению с нормальными условиями кипения жидкого азота. Метод нагнетания хладагента в наконечник криоинструмента, принятый в аналоге, является принципиальным ограничением рабочих характеристик практически всех существующих в мире криохирургических аппаратов. К недостаткам аналога относится также недопустимо большая тепловая инерционность подготовки аппарата к работе и его переходных режимов.

Совершенно иной подход к принципу работы КХА предложен в изобретении (RU 2053719 от 03.02.1992 г.): не путем нагнетания жидкого азота в рабочий наконечник криоинструмента, а с помощью откачка пара азота из полой камеры наконечника [2]. Удачным вариантом такого аналога является уже реализованный КХА, выполненный по патенту (RU 2483691 от 11.03.2011 г.). Этот аппарат включает в свой состав резервуар с жидким азотом, теплоизолированные трубки подвода и отвода хладагента, соединенные с рабочим наконечником, систему откачки, установленную на выходе трубки отвода хладагента и выполненную в виде форвакуумного насоса, и внешнюю систему газообеспечения, отличается тем, что на входе теплоизолированной трубки подвода хладагента установлен обратный клапан, на входе форвакуумного насоса установлен электромагнитный двухходовой клапан с дросселем, а рабочий наконечник выполнен в виде съемного криоинструмента. Этот аналог позволяет достичь высокого качества переохлажденного жидкого азота в рабочем наконечнике КХИ за счет откачки его пара и понижения его температуры почти до тройной точки кипения. Такое исполнение аппарата при его почти предельной холодопроизводительности и минимальной достижимой температуре позволяет также сократить общее время операции за счет форсирования режима отогрева рабочего наконечника при сохранении методических возможностей аналогов и прототипа. Однако почти тысячекратное увеличение объема пара хладагента в КХИ приводит к проблеме миниатюризации КХИ, когда диаметр его дистального конца с рабочим наконечником требуется порядка одного миллиметра. Путь решения такой задачи изложен в заявке на изобретение №2013105231, которая выбрана в качестве прототипа. Задачей прототипа было сокращение времени подготовки аппарата к работе и моментальное управление режимами его работы. Прототип включает в себя герметичный резервуар для жидкого азота с дренажным клапаном, теплоизолированные трубку подвода с обратным клапаном на ее входе и трубку отвода хладагента, соединенные со съемным криоинструментом, на дистальном конце которого находится рабочий наконечник, а также внешнюю систему газообеспечения с редуктором и электромагнитным клапаном, и отличается тем, что выход электромагнитного клапана подключен к входу дренажного клапана, а внешняя система газообеспечения содержит баллон высокого давления с гелием, при этом трубки подвода и отвода хладагента подключены параллельно съемному криоинструменту к дополнительному замкнутому контуру циркуляции газа, состоящему последовательно из теплообменника с нагревателем, обратного клапана и компрессора, подключенного своим входом к трубке отвода хладагента с дренажным электромагнитным клапаном и через дополнительный электромагнитный клапан и дополнительный редуктор к тому же баллону с гелием. Совокупность отличительных признаков такого КХА позволяет моментально включать нагнетание жидкого азота в КХИ под нужным избыточным давлением в любые тонкие рабочие наконечники хирургических криоинструментов. А введение в конструкцию КХА дополнительного контура циркуляции горячей газовой смеси гелия с остаточным азотом обеспечивает форсированный отогрев рабочего наконечника сменного КХИ после стадии замораживания биологической ткани.

Вместе с тем, выбранный прототип имеет явные недостатки. Во-первых, его резервуар для жидкого азота по условиям работы КХА должен быть герметично закрытым, выдерживать допустимые избыточные давления и, следовательно, иметь всю систему защиты. Во-вторых, недостаток прототипа в том, что он ограничивает температуру кипения жидкого азота в рабочем наконечнике КХИ точкой в 77,3 К.

Целью изобретения является повышение безопасности и расширение технических возможностей криохирургического аппарата.

Раскрытие изобретения.

Поставленная задача достигается тем, что в криохирургическом аппарате, включающем в себя резервуар для жидкого азота, внешнюю систему газообеспечения, состоящую из баллона высокого давления с гелием, двух редукторов, одного запорного и одного двухходового клапанов, гибкие теплоизолированные трубку подвода жидкого азота с обратным клапаном на ее входе и трубку отвода хладагента, соединенные со съемным криоинструментом, на дистальном конце которого находится съемный рабочий наконечник, и подключенные параллельно съемному криоинструменту к линии нагнетания газа, состоящей последовательно из теплообменника с нагревателем, обратного клапана и компрессора, подключенного своим входом к трубке отвода хладагента с дренажным электромагнитным клапаном и через запорный электромагнитный клапан и редуктор к баллону с гелием, резервуар для жидкого азота выполнен негерметичным и постоянно открыт в атмосферу, и в него вставлен дополнительно нетеплоизолированный сосуд, сообщающийся с ванной жидкого азота в резервуаре через клапан на дне этого сосуда, при этом сосуд соединен герметично с теплоизолированной трубкой подвода жидкого азота, а его паровая полость соединена с двухходовым клапаном внешней системы газообеспечения, и дополнительно к входу компрессора подключен через электромагнитный клапан форвакуумный насос.

Краткое описание чертежей.

Общая схема предлагаемого КХА показана на фигуре 1, где

1 - резервуар для жидкого азота (LN2);

2 - теплоизолированная трубка подвода жидкого азота;

3 - обратный клапан на входе в трубку 2;

4 - трубка отвода хладагента (паропровод);

5 - съемный стерилизуемый криохирургический инструмент;

6 - рабочий наконечник КХИ;

7 - нагреватель с теплообменником для газа;

8 - обратный клапан;

9 - компрессор;

10 - дренажный клапан сброса пара хладагента из трубки 4 в атмосферу;

11 - электромагнитный клапан подключения компрессора через редуктор 12 к баллону высокого давления 13;

12 - редуктор;

13 - баллон высокого давления, заполненный гелием;

14 - редуктор, подключенный к баллону 13;

15 - электромагнитный двухходовый клапан 15;

16 - дополнительный сосуд для жидкого азота;

17 - нормально-открытый запорный клапан для сообщения сосуда 16 с ванной жидкого азота в резервуаре 1;

18 - электромагнитный клапан подключения форвакуумного насоса к входу компрессора 9;

19 - форвакуумный насос;

20 - контрольно-измерительная медно-константановая термопара для управления режимами работы КХА с помощью компьютера PC.

Резервуар 1 - это сосуд Дьюара или любая теплоизолированная емкость для жидкого азота с широкой горловиной, всегда открытой в атмосферу. Следовательно, резервуар 1 не требует никаких средств защиты, а налитый в него жидкий азот LN2 всегда кипит при постоянной температуре 77,3 К. Дополнительный сосуд для жидкого азота 16 выполнен нетеплоизолированным, выдерживает внутреннее давление до 10 атмосфер, погружен до дна резервуара 1 и герметично соединен с двухходовым клапаном 15 и с трубкой подачи жидкого азота 2. Электромагнитный двухходовой клапан 15 может либо сообщать сосуд 16 с атмосферой через свой дренажный выход 3, либо подключать его через вход 1 к редуктору 14 для нагнетания гелия в сосуд 16 из баллона 13. Поскольку сосуд 16 нетеплоизолированный, то он является изотермическим, т.е. жидкий азот в нем не может быть нагрет или охлажден, пока не будет исчерпан весь жидкий азот из резервуара 1. Следовательно, скрытая теплота испарения жидкого азота является постоянной величиной и не зависит от величины давления в этом сосуде. Удаленная, дистальная часть теплоизолированной трубки подвода жидкого азота 2 как и трубка отвода хладагента 4 выполнены гибкими для удобства соединения их со съемными криохирургическим инструментом 5 и его рабочим наконечником 6. Обе эти трубки 2 и 4 соединены между собой не только криохирургическим инструментом 5, но также дополнительными и последовательно соединенными теплообменником с нагревателем 7, обратным клапаном 8 и компрессором 9. В этом замкнутом контуре (5-6-4-9-8-7-2-5), при закрытом дренажном клапане 10 может циркулировать нагретый сжатый газ гелия с примесью азота для отогрева КХИ 5 с наконечником 6 после окончания режима замораживания ткани. Для создания необходимой компрессии газа в этом контуре вход компрессора 9 подключен через электромагнитный клапан к баллону высокого давления гелия 13. Редуктор 14 и электромагнитный двухходовой клапан 15 служат для подачи гелия под определенным давлением в сосуд 16. Форвакуумный насос 19, подключенный через электромагнитный клапан 18 к входу компрессора 9, предназначен для осуществления замораживания ткани в режиме откачки пара хладагента из рабочего наконечника 6 КХИ 5 при закрытом дренажном клапане 10. Управление всеми режимами работы КХА осуществляется с помощью компьютера PC и медно-константановой термопары 20, установленной внутри входа в трубку отвода хладагента 4. Мониторинг температурных режимов КХА ведется каждую секунду.

Осуществление изобретения.

КХА работает следующим образом. В дежурном, стартовом состоянии, когда все электромагнитные клапаны КХА обесточены и двухходовой клапан 15 и дренажный клапан 10 открыты в атмосферу, резервуар 1 заполнен жидким азотом до определенного уровня. До этого же уровня заполнены жидким азотом все сообщающиеся полости трубок, погруженных в резервуар 1, а сосуд 16 заполнен на 100% через нормально-открытый клапан 17. Вентиль на баллоне 13 открыт, на редукторе 14 установлено желаемое выходное давление гелия от одной до нескольких абсолютных атмосфер, а на редукторе 12 - не более 1,5 атмосферы. После подключении КХА к электросети температура в нагревателе с теплообменником 7 стабилизируется на задаваемом уровне, например 95°С. Подключение стерилизованного съемного КХИ к трубке подачи жидкого азота 2 и к трубке отвода хладагента 4 приводит к образованию двух контуров возможной циркуляции хладагента: один - жидкостный для подвода жидкого азота из сосуда 16 по трубке подачи жидкого азота 2 в КХИ с последующим выбросом холодного хладагента через открытый дренажный клапан 10 в атмосферу и другой, газовый, - тоже через КХИ, но без выхода газа в атмосферу при закрытом дренажном клапане 10. При этом КХА позволяет реализовать подачу жидкого азота в рабочий наконечник 6 нагнетанием его под избыточным давлением гелия в сосуде16 и последующего выброса хладагента в атмосферу через клапан 10. Другая методическая возможность заключается в откачке пара хладагента из трубки 4 форвакуумным насосом 19. При работе КХА в режиме нагнетания компьютер PC закрывает нормально-открытый клапан 17, герметизируя сосуд 16, затем переключает электромагнитный двухходовой клапан 15 на подачу сжатого гелия от редуктора 14 прямо внутрь сосуда 16. Теплый газ гелия быстро охлаждается до температуры 77 К, но при этом его давление в образующейся и расширяющейся газовой полости сосуда 16 остается постоянным, заданным редуктором 14. Под действием этого статического давления поток жидкого азота открывает клапан 3 и устремляется по трубке подачи 2 в КХИ 5. В наконечнике 6 жидкий азот кипит, отбирая тепло от контактирующей с ним ткани, и выбрасывается через трубку отвода хладагента 4 и клапан 10 в атмосферу. По истечении заданной экспозиции замораживания ткани компьютер прерывает подачу жидкого азота, открывая двухходовой клапан 15 для сброса сжатого гелия в атмосферу, а запорный клапан 17 для сообщения сосуда 16 с резервуаром 1. Сосуд 16 повторно дозаправляется жидким азотом, и КХА готов к повторению цикла замораживания. Если же требуется отогреть наконечник 6, компьютер PC закрывает дренажный клапан 10, включает компрессор 9 и открывает клапан 11. На входе компрессора 9 сразу же устанавливается давление гелия, задаваемое редуктором 12, а на его выходе давление гелия существенно превосходит входное. Это избыточное давление гелия, попадающего в трубку подачи жидкого азота 2, моментально захлопывает обратный клапан 3. Начинается интенсивный отогрев рабочего наконечника 6 плотным горячим газом гелия, циркулирующего только по контуру (5-6-4-9-8-7-2-5). Как только температура наконечника 6 по показанию контрольно-измерительной медно-константановой термопары 20 достигнет желаемого заданного значения (например, +10°С), компьютер закроет клапан 11, откроет клапан 10 и выключит компрессор 9. Все коммуникации КХА быстро придут в исходное состояние, и аппарат будет снова готов к работе в любом режиме, например к замораживанию пораженной ткани переохлажденной струей жидкого азота путем откачки пара жидкого азота из камеры рабочего наконечника (или полого аппликатора). В этом режиме компьютер закрывает дренажный клапан 10, открывает клапан 18 и включает форвакуумный насос 19. Откачка газа из трубки отвода хладагента 4 приводит к засасыванию жидкого азота из сосуда 16 через открывшийся клапан 3 по трубке подачи жидкого азота 2 в КХИ и в его наконечник 6, в котором жидкий азот резко вскипает, а его температура понижается до значения, определяемого равновесным давлением пара. Этот режим работы КХА может продолжаться до полного исчерпания жидкого азота из резервуара 1.

Промышленная применимость.

Предлагаемый криохирургический аппарат может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

Предложенный криохирургический аппарат наделен широкими техническими и методическими возможностями безопасно выполнять криодеструкцию патологических тканей с помощью самого эффективного хладагента - жидкого азота при сохранении (и даже увеличении) его холодопроизводительности и температурного напора в любых сменных аппликаторах». Наличие в аппарате дополнительного, нетеплоизолированного сосуда для жидкого азота позволяет подавать хладагент высокого качества в самые тонкие криохирургические инструменты и, в общем случае, экономно расходовать дефицитный гелий. Наличие в наборе сменных наконечников и открытых колпачков позволяет хирургу выполнять замораживание тканей непосредственно струей переохлажденного жидкого азота.

Таким образом, за счет того, что резервуар для жидкого азота выполнен негерметичным и постоянно открыт в атмосферу, причем в него вставлен дополнительно нетеплоизолированный сосуд, сообщающийся с ванной жидкого азота в резервуаре через клапан на дне этого сосуда, при этом сосуд соединен герметично с теплоизолированной трубкой подвода жидкого азота, а его паровая полость - соответственно с двухходовым клапаном внешней системы газообеспечения, причем дополнительно к входу компрессора подключен через электромагнитный клапан форвакуумный насос, и достигается заявленный технический результат, а именно: обеспечение высокой холодопроизводительности процесса замораживания и температурного напора в рабочем наконечнике как в режиме нагнетания, так и в режиме откачки хладагента, форсирование режима отогрева сменного криоинструмента и расширение методики безопасного выполнения операций.

Литература

1. В.А. Григорьев, Ю.М. Павлов, Е.В. Аметистов. Кипение криогенных жидкостей, М.: «Энергия», 1977, с. 261.

2. V.N. Pavlov, Development of perspective cryogenic surgery apparatus. Cryogenics 40 (2000) 361-363.