CRYOGENIC APPARATUS
КРИОГЕННЫЙ АППАРАТ

Изобретение относится к области медицины, а именно к криогенной технике, и может быть использовано в медицине и в ветеринарии для криодеструкции патологических тканей и криотерапии.
Совершенствование аппаратуры криовоздействия для лечения паталогических состояний представляет актуальную задачу.
Известен криогенный аппарат (Пат. 114837, РФ, МПК А61В 18/02, 2011), содержащий емкость для хладагента, герметизирующую головку, каналы подачи и отвода хладагента, канал повышения давления, канал подачи рабочего газа, канюлю с аппликатором. В аппарате в качестве хладагента использован сжиженный азот, а в качестве рабочего газа используют атмосферный воздух, или кислород, или озонированный кислород, которые подают от компрессора, баллона со сжатым кислородом. Канал подачи рабочего газа имеет коаксиальное соединение с канюлей и с Г-образной трубкой подачи хладагента. В емкость для хладагента, заполненную сжиженным азотом, подают через канал повышения давления сжатый воздух, который стимулирует подъем сжиженного азота вверх по Г-образной трубке, где происходит криоконденсация рабочего газа. Азот охлаждает трубку канала подачи рабочего газа, до температуры, позволяющей сжижать газообразный кислород, который конденсируется из рабочего газа. К недостаткам известной полезной модели следует отнести низкую хладопроизводительность, большой расход сжиженного азота из-за того, что воздух в канал повышения давления подается без предварительного охлаждения, вызывая кипение азота в течение всей подачи. Кроме того, при использовании в качестве рабочего газа атмосферного воздуха, не очищенного от влаги, происходит образование кристаллов льда, забивающих трубку, что вызывает сбой в работе аппарата.
Известен Криогенный аппарат по доктору В.И. Коченову (Пат. 2445040, РФ, МПК А61В 18/02, 2009), который содержит теплоизолированную емкость для хладагента, герметизирующую крышку, снабженную кожухом, в котором выполнено отверстие, магистраль подачи хладагента из емкости и канал подъема давления в емкости с раструбом для подсоединения герметизирующей пробки. Под кожухом крышки выполнена осушающая полость из теплопроводного материала, соединенная с теплоизолирующей муфтой с раструбом и каналом подъема давления, выступающего в осушающую полость, часть которого снабжена косо срезанным торцом с направлением среза, противоположным герметизирующей пробке. В известном устройстве в качестве хладагента используется жидкий азот, подача которого к аппликатору канюли осуществляется путем нагнетания атмосферного воздуха, пропущенного через осушающую камеру, в емкость для хладагента. Отмечая несомненную полезность таких технических решений как дополнительное осушение воздуха и охлаждение жидкого азота при транспорте к аппликатору канюли, следует отметить, что из описания известного изобретения неясно, каких отрицательных температур достигают на выходе этого аппарата.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по техническому решению является Криогенный распылитель (Пат. 2580167, РФ, МПК А61В 18/02, 2014), в котором авторы предложили конструкцию аппарата, независимую от системы повышения давления. В известном устройстве в качестве хладагента используется жидкий азот, в качестве рабочего газа, контактирующего с биологической тканью, используется сжиженный кислород или озонкислородная сжиженная газовая смесь.
Криогенный распылитель содержит емкость для жидкого азота с герметизирующей рабочей крышкой, в которой выполнены канал сброса повышенного давления азота и канал подачи хладагента в виде металлической трубки, начальная горизонтальная часть которой жестко закреплена на наружной поверхности герметизирующей крышки и снабжена клапаном контроля подачи и патрубком подачи кислорода или озонкислородной газовой смеси. Дистальная часть трубки снабжена съемной распыляющей насадкой. Клапан контроля подачи имеет пусковой рычаг. Металлическую трубку из горизонтального положения путем изгиба переводят в вертикальное, погружают в емкость для жидкого азота и выводят наружу, при этом нижнюю часть трубки выполняют в виде петли, диаметр которой меньше диаметра горловой части емкости для жидкого азота. В помещенной в жидкий азот петле трубке происходит процесс сжижения газообразного кислорода и под давлением нового, поступающего в канал газообразного кислорода, сжиженный кислород поднимается в восходящую часть трубки и далее в распыляющую насадку. По такому же принципу происходит сжижение озонкислородной газовой смеси. Несомненным достоинством известного аппарата является предложенный принцип работы без источника повышения давления и без нагнетания жидкого азота в рабочий наконечник. К недостаткам устройства относится то, что известное устройство разработано для использования таких рабочих газов, как газообразный кислород или озонкислородная газовая смесь. Можно предположить, что использование иных газов, например, аргона или атмосферного воздуха, из-за их особенностей потребует конструктивных изменений устройства и в металлической трубке, в виде петли вертикально погруженной в жидкой азот, иной рабочий газ не будет охлаждаться достаточно эффективно. Вероятно, что содержание излишней влаги в рабочем газе будет способствовать намораживанию льда и будет сказываться на стабильности работы аппарата. Кроме того, работа с кислородом требует особой осторожности персонала, поскольку кислород пожароопасен и даже взрывоопасен. Недостатком известного устройства является то, что не предусмотрена термоизоляция металлической трубки, подводящей сжиженный рабочий газ к съемной насадке, что приводит к значительным потерям отрицательных температур.
Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование конструкции аппарата для создания минимально возможной отрицательной температуры на наконечнике криоинструмента при работе с такими рабочими газами, как аргон или атмосферный воздух.
Техническим результатом от решения поставленной задачи является повышение стабильности работы криогенного аппарата благодаря последовательному охлаждению рабочего газа, что является препятствием для образования льда в теплообменнике, погруженном в емкость с жидким азотом. Техническим результатом также является очищение от паров воды и охлаждение атмосферного воздуха, подаваемого от источника.
Заявленный технический результат достигается тем, что предлагается Криогенный аппарат, работающий на жидком азоте с охлаждением рабочего газа, содержащий емкость для жидкого азота с герметизирующей крышкой, в которой размещен канал отвода излишнего давления азота из емкости, а также трубку, погруженную в емкость для жидкого азота, внешние концы которой служат для подвода и отвода рабочего газа соответственно, и съемную насадку на дистальной части трубки отвода рабочего газа. Новизна заключается в том, что канал отвода излишнего давления азота из емкости, дополненный патрубком, размещенным на крышке, имеет соосное соединение с трубкой подвода рабочего газа. Трубку подвода и отвода рабочего газа выполняют из полимерного материала. Внутри емкости на вертикальном осевом стержне, укрепленном с внутренней стороны герметизирующей крышки, дополнительно устанавливают теплообменник, состоящий из одинаковых секций. Каждая секция теплообменника содержит многолучевую крестовину и полимерную трубку, уложенную в однозаходную плоскую спираль Архимеда, а в центре крестовины выполняют сквозное отверстие для соединения со стержнем. Трубку отвода рабочего газа помещают в теплоизолирующую трубку большего диаметра, которую заполняют теплоизоляцией. Кроме того, в качестве рабочего газа применяют аргон или атмосферный воздух. В каждом луче крестовины теплообменника выполняют сквозные отверстия, диаметр которых соответствует диаметру трубки. При работе с аргоном теплообменник состоит из 4 секций, причем одну или две секции размешают над жидким азотом, а остальные погружают в жидкий азот.
Кроме того, в Криогенном аппарате для работы с атмосферным воздухом дополнительно в емкости на стержне устанавливают камеру осушения атмосферного воздуха, заполненную гранулами силикагеля, в которую по вертикальной трубке, не достигающей дна камеры осушения, вводят атмосферный воздух. Трубку, выходящую из камеры осушения, закрепляют на наружной поверхности камеры осушения в виде винтовой цилиндрической спирали. Теплообменник содержит одну секцию, размещенную в жидком азоте на дне емкости. Трубку, по которой подают атмосферный воздух в камеру осушения, и трубку, выходящую из камеры осушения, выполняют из металла.
Существенные отличительные признаки заявляемого изобретения заключаются в следующем:
- выполнение канала отвода излишнего давления азота из емкости, дополненного выносным патрубком, соосным с трубкой подвода рабочего газа обеспечивает первичное охлаждение рабочего газа для снижения «кипения» азота, уменьшение расхода азота;
- установка внутри емкости с азотом теплообменника, состоящего из одинаковых секций, где каждая секция содержит многолучевую крестовину и трубку из полимерного материала (тефлон, полиэтилен, ПВХ пр.), уложенную в однозаходную плоскую спираль Архимеда позволяет выполнять последовательное поэтапное охлаждение теплообменника и обеспечивает равномерное охлаждение используемого газа в теплообменнике, не вызывая кипения азота, предотвращая его нерациональный выброс в атмосферу в виде испарения;
- установка трубки отвода рабочего газа в теплоизолирующей трубке большего диаметра, которую заполняют теплоизоляцией, уменьшает потери при доставке сжиженного рабочего газа к биологическому объекту;
- конструктивное выполнение Криогенного аппарата для таких рабочих газов как аргон и атмосферный воздух, учитывающего особенности подаваемых газов, повышает эффективность охлаждения. Например, при работе с аргоном, требующем лишь охлаждение, теплообменник состоит из 4 секций, причем 1 или 2 секции, в зависимости от содержания объемной доли водяных паров, размещают над жидким азотом, а остальные погружают в жидкий азот и трубку полностью выполняют из полимерного материала. При работе с атмосферным воздухом, требующем осушение излишних паров воды, конструкцию дополняют камерой осушения, а теплообменник состоит из одной секции, размещенной в жидком азоте на дне емкости, трубку, по которой подают атмосферный воздух в камеру осушения, и трубку, выходящую из камеры осушения, выполняют из металла;
- дополнение емкости при работе с атмосферным воздухом камерой осушения атмосферного воздуха, заполненной гранулами силикагеля, в которую по вертикальной трубке, не достигающей дна камеры осушения, вводят атмосферный воздух, а трубку, выходящую из камеры осушения, закрепляют на наружной поверхности камеры осушения в виде винтовой цилиндрической спирали, позволяет осушить атмосферный воздух от излишних паров, добиться охлаждения воздуха без образования льда на внутренней поверхности теплообменника и уменьшить кипение хладагента при различной скорости и давлении рабочего газа, повысить стабильность, экономичность и длительность работы.
Проведенные патентные исследования по подклассу МПК А61В 18/02 не выявили технических решений, которым присущи все признаки изобретения, выраженные формулой, и это позволяет сделать вывод о новизне. Признаки, которыми заявленное изобретение, охарактеризовано в независимом пункте формулы, отличаются от наиболее близкого аналога, что свидетельствует об изобретательском уровне изобретения. Предлагаемый аппарат применим в области практической медицины и ветеринарии.
Заявляемое изобретение поясняется описанием и иллюстрациями:
Фиг. 1 - схема криогенного аппарата;
Фиг. 2 - сечение секции теплообменника;
Фиг. 3 - схема криогенного аппарата, дополненного камерой осушения атмосферного воздуха.
Предлагаемая конструкция Криогенного аппарата предполагает использование жидкого азота в качестве хладагента, а в качестве рабочего газа, контактирующего с биологической тканью, используют газ аргон, как более лояльный к живым тканям хладагент, одобренный Министерством здравоохранения (Фиг. 1), или атмосферный воздух, как самый доступный и дешевый (Фиг. 3).
Криогенный аппарат (Фиг. 1) состоит из теплоизолированной емкости 1 для жидкого азота с герметизирующей и теплоизолированной крышкой 2. В крышке 2 выполнен канал отвода излишнего давления азота 3 из емкости 1, дополненный выносным Г-образным патрубком 4, размещенным на крышке 2, а также вывод охлажденного рабочего газа из емкости 1 через штуцер 5. Подвод рабочего газа от источника осуществляют через гибкую трубку 6, которая имеет соосное соединение с патрубком 4. Трубку 6 выполняют из полимерного материала например, тефлона, полиэтилена, ПВХ, устойчивого к действию низких температур для обеспечивания как можно более низких хладопотерь. В емкости 1 трубка 6 поступает на теплообменник 7, который размещен на вертикальном осевом резьбовом стержне 8, жестко укрепленном с внутренней стороны герметизирующей крышки 2. Теплообменник 7 состоит из одинаковых секций. Каждая секция теплообменника 7 (Фиг. 2) состоит из многолучевой крестовины, например, 6-лучевой крестовины 9, и гибкой полимерной трубки 6, уложенной в однозаходную плоскую спираль Архимеда. Для этого в каждом луче крестовины 9 выполняют сквозные отверстия, диаметр которых соответствует диаметру трубки 6. В центре крестовины 9 выполнено сквозное отверстие 10 для соединения со стержнем 8. Вход трубки 6 в секцию теплообменника 7 выполняют на внешнем радиусе спирали Архимеда, а выход трубки 6 из секции теплообменника 7 выполняют из центра спирали Архимеда, таким образом рабочий газ, подаваемый по трубке 6, последовательно проходит все секции теплообменника 7, постепенно охлаждаясь до сжиженного состояния. Затем трубка 6 выходит из емкости 1 через штуцер 5 в хладопровод 11, который состоит из теплоизолирующей гибкой трубки большего диаметра, заполненной теплоизоляцией, например, пенополистирольными шариками с термоизоляционным покрытием, которые имеют широкий диапазон эксплуатационных температур -190°С÷+87°С. По хладопроводу 11 поток рабочего газа через наконечник криоинструмента в виде быстросъемной насадки 12 подается к биологической ткани. При использовании хладопровода 11 длиной 1÷2 м подается газокапельный поток с постоянной температурой -185°С. При использовании хладопровода 11 не более 40 см, подается жидкий аргон в виде непрерывной струи.
Быстросъемная насадка 12 со сменными криохирургическими наконечниками может быть выполнена как криораспылитель (пары и капельки рабочего газа выбрасываются на замораживаемый объект), и как аппарат для аппликационного замораживания (рабочий газ попадает на замораживаемый участок через канюлю). Комплект криозондов и криоаппликаторов, которые можно быстро заменять, обеспечивает наилучшее соответствие форме и местоположению биологической ткани.
Криогенный аппарат, где в качестве рабочего газа используют аргон, работает следующим образом. Теплоизолированную емкость 1 заполняют на 2/3 жидким азотом и закрывают крышкой 2. Рабочий газ - аргон - подают от баллона со сжатым аргоном с содержанием объемной доли водяных паров не более 0,0009% (высший сорт) или 0,001% (первый сорт) через понижающий редуктор и камеру предварительного осушения (не показаны) по трубке 6. Далее трубка 6 входит в патрубок 4 канала отвода излишнего давления азота 3, получая первичное охлаждение аргона до +4°С выходящими парами азота, т.к. поступление более теплого аргона в емкость 1 вызывает «кипение» азота. Аргон по трубке 6 поступает на теплообменник 7, где происходит постепенное его охлаждение на каждой секции теплообменника. Эксперименты, проведенные автором, показали, что для эффективного охлаждения аргона до минимальных температур достаточно использовать 4 одинаковых секций теплообменника 7, причем верхние секции теплообменника 7 размещают над жидким азотом, а остальные погружают в жидкий азот. При прохождении аргона по первой секции происходит понижение температуры газообразного аргона в парах азота и на конце Архимедовой спирали температура аргона составляла -10°С. Затем трубка 6 с аргоном переходит на вторую секцию теплообменника 7 и, после прохождения Архимедовой спирали, происходит понижение температуры аргона до -40°С. После прохождения третьей секции понижение температуры аргона составляло до -95°С в парах аргона, и -140°С при первичном погружении в толщу азота. На четвертой секции, которая располагается на самом дне емкости 1 в толще жидкого азота, аргон охлаждается до -196°С, достигая устойчивой жидкой фазы. Аргон, охлаждаемый постепенно, практически не вызывает «кипения» азота и уменьшается расход азота. Далее сжиженный аргон поднимается по трубке 6 из емкости 1, через штуцерное соединение 5 поступает в хладопровод 11 и поступает в быстросъемную насадку 12, например, канюлю на дистальном конце, где прогревается до -185°С и используется в виде рабочего газопотока. Даже при постепенном использовании жидкого азота в емкости и обнажении второй и третьей секции теплообменника температура сжиженного рабочего газа в емкости 1 оставалась неизменной -196 градусов.
Криогенный аппарат, в котором в качестве рабочего газа используют атмосферный воздух (Фиг. 3), дополняют камерой осушения 13 атмосферного воздуха в виде вертикально расположенного замкнутого цилиндрического сосуда, погруженного в жидкий азот. Камеру осушения 13, выполненную из медного или алюминиевого сплава, заполняют влагопоглощающим адсорбентом, например, гранулами силикагеля, и жестко укрепляют на стержне 8. Трубка 6 до быстроразъемного соединения 14 выполнена из полимерного материала (тефлона, полиэтилена, ПВХ или др. полимеров), а после быстроразъемного соединения 14 применяют металлическую трубку 15, которая входит вертикально в камеру осушения 13, не достигая дна камеры осушения. Осушенный атмосферный воздух из камеры осушения 13 поступает в металлическую трубку 16, уложенную в винтовую цилиндрическую спираль по наружной поверхности камеры осушения 13. Спираль, образованная трубкой 16, имеет жесткое соединение с наружной поверхностью камеры осушения 13. Затем трубка 16, которую после быстроразъемного соединения 17 заменяют на полимерную гибкую трубку, поступает на теплообменник 7, состоящий из одной секции, размещенной в жидком азоте на дне емкости. Экспериментальные исследования, проведенные автором, показали, что для эффективного охлаждения атмосферного воздуха, достаточно использовать одну секцию теплообменника 7 в виде 6-лучевой крестовины 9 и полимерной трубки 6, уложенной в однозаходную плоскую спираль Архимеда. После теплообменника 7, как и в криогенном аппарате работающим с аргоном, трубку 6 выводят из емкости 1 через штуцер 5 в виде хладопровода 8. В нижней части камеры осушения 13 размещают порт 18 с крышкой для загрузки камеры осушения силикагелем.
Криогенный аппарат, в котором в качестве рабочего газа используют атмосферный воздух, работает следующим образом. Атмосферный воздух, используемый для создания рабочего давления, инициирующего работу аппарата, имеет высокую влажность, которая, попадая в охлаждающую емкость конденсируется и замерзает, полностью забивая инеем, замерзшей конденсирующейся влагой. Поэтому атмосферный воздух, подаваемый от компрессора с давлением от 0.5 до 10 атм., поступает в камеру предварительного осушения, состоящую из масловодного фильтра и камеры с силикагелем (на Фиг. 3 не показаны) и после первой ступени водопоглощения и осушения по трубке 6 входит в патрубок 4 канала отвода излишнего давления азота 3, получая первичное охлаждение атмосферного воздуха выходящими парами азота до температуры +4°С. По металлической трубке 15 атмосферный воздух поступает в камеру осушения 13, заполненную крупно-фракционным скалистым силикагелем. После фазы вымораживания (-50°С) и сорбции, очищенный от влаги в камере осушения 13 воздух попадает в металлическую трубку 16, образующую винтовую цилиндрическую спираль на наружной поверхности камеры осушения 13, где очищенный от влаги воздух охлаждается до -100°С. Затем воздух подается на теплообменник 7 охлаждаясь до жидкого состояния, и по восходящей полимерной трубке поступает на выход из емкости 1 к хладопроводу 11, поступая к наконечнику 12 с температурой не менее -185°С.
Проведенные испытания показали, что Криогенный аппарат выходит На рабочую температуру потока -185°С на наконечнике в течение 1.5 секунд и поддерживает эту температуру в течение 9,5 мин. непрерывной работы на каждые 100 мл жидкого азота в виде непрерывного потока, затем температура потока снижается до -100°С и стабильна в течение 20 мин. независимо от первичного объема жидкого азота в рабочей камере, затем каждые 3 мин. снижается на 20°С до температуры потока.
Пример применения заявляемого Криогенного аппарата у кошки при удалении опухолевидного одонтогенного очага в ротовой полости.
12.06.2020 г. ветеринарную клинику БИОН г. Севастополь обратился владелец с жалобами на постоянное слюнотечение и наличие зловонного запаха из ротовой полости у своего питомца, при этом жевательная функция затруднена. Кошка в возрасте 9 лет. При клиническом осмотре ротовой полости установлено: отсутствие премоляров с правой стороны нижней челюсти, при этом в данной области обнаружено опухолевидное разрастание, расположенное как с наружной, так и внутренней стороны нижней челюсти. Размер образования в фаринго-ростральном направлении составлял 35 мм, в латеро-медиальном направлении 45 мм, в дорсо-вентральном направлении 12 мм. Опухолевидное разрастание с тенденцией инфильтрирующего роста в десну и десневой карман и с наличием гнилостного разложения верхнего участка центральной ее части. При надавливании опухоль кровоточит. При рентгенологическом обследовании не отмечено изменений со стороны подлежащей костной основы ветви нижней челюсти. С согласия владельца кошка была наркотизирована. Опухолевидное разрастание было подвергнуто криодеструкции с применением предлагаемого аппарата. Емкость аппарата заполняли на 2/3 жидким азотам, закрывали герметичной крышкой, подсоединяли съемную насадку, трубку подвода рабочего газа соединяли через редуктор с баллоном со сжатым аргоном. Для криодеструкции использовалась насадка в виде зонда 0.6 мм длиной 70 мм. В качестве рабочего газа использовали поток аргона с выходным давлением 5 атм. с газокапельной подачей в криозонд. При проведении манипуляции криозонд вводили в толщу опухоли, после чего подавали поток охлажденного аргона с температурой -185°С. Процедура проводилась в течение 1,5 мин. После образования ледяного шара с пограничной температурой -35°С на уровне 1-3 мм от опухоли (данные с термопары) процедуру прекращали. Работе аппарата в течение 15 мин. ничего не препятствовало, канал подачи сжиженного аргона к обрабатываемой зоне оставался проходимым. Затем проводили отогревание опухоли с последующим повтором процедуры. После повторного охлаждения верхняя часть опухоли была удалена скальпелем без размораживания участка, но с отогреванием окололежащих тканей. После проведения процедуры кровотечение из области операции не отмечали. Ротовая полость после процедуры орошалась масляным раствором хлорофиллипта в течение 7 дней. Назначен курс антибиотиков. Клиническая оценка проводилась на 10-й день. Отмечено углубление в сторону нижней челюсти серо-белого цвета с поверхности, десна вокруг очага с изъязвлениями, резкий запах изо рта не исходит. Оценка на 21 день: отмечено рубцевание участка, участок розового цвета центром 1.5×2 см бело-серого цвета. На 45 день картина та же, центр при этом примерно 0.5×1 см. Период оценки отдаленной ремиссии 7 мес.: углубление оперированного участка вплоть до кости нижней челюсти, участок розового цвета. Далее животное не наблюдали. Применение криогенного аппарата продемонстрировало стабильную способность производить низкие температуры рабочего газа и поддерживать их в ходе проведения криовоздействия.