КРИОАППЛИКАТОР
CRYOPROBE

Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться в технологических процессах, а также в криомедицине.
Открытие и научное обоснование паранормальных свойств объектов неживой и живой материи при глубоком охлаждении породили широкое практическое использование этих свойств в различных областях техники. Качественный скачок в развитии электротехники и электроники, ядерной физики и медицины обусловлен введением приема глубокого (ниже 120 К) охлаждения рабочего тела или живой ткани.
Используемой в медицине криогенной технике предписаны жесткие правила безопасности. К ним относятся: управление и контроль дозировки охлаждения, строгая локализация воздействия, доступность и простота работы в условиях лечебного учреждения. Эти требования определили две основные и взаимосвязанные задачи - разработку криосредств медицинского назначения - выбор подходящего криоагента и средства доставки его в зону воздействия.
В качестве криоагента, чаще всего как наиболее доступный и инертный, используют жидкий азот, имеющий температуру кипения -196°C. Теплопередачу и транспорт тепла, в простейшем случае, осуществляют омыванием жидкостью криоагента или обдуванием ее парами. Более эффективны в этой функции технические средства - посредники. В уровне этой техники известны примитивные устройства и приемы: увлажнение охлаждаемого участка смоченным тампоном (Шенталь В.В. и др. Практическая хирургия. М., 1995. с. 19-21), использование капли замерзающей жидкости на поверхности объема (Патент РФ №2237449) и другие, также малосовершенные аналоги.
Существенным сдвигом в уровне техники представляются мобильные предварительно охлажденные медные диски (Снарская Е.С. и др. Базалиома. М.: Медицина, 2003. с. 55) и влагопроницаемое депо. Последние более эффективны, поскольку аккумулируют запас «холода» в тепле депо и в испаряющемся криоагенте. Двойной механизм выделения «холода» делает процесс охлаждения более длительным и равномерным. Из таковых самыми эффективными оказались криоаппликаторы, содержащие депо для жидкого криоагента, выполненное из проницаемо-пористого никелида титана. Данный сплав, кроме весьма полезных для быта, (в частности, для медицинских нужд) физических свойств, обладает значительной теплоемкостью и оптимальной скоростью теплопередачи - определяющими техническими параметрами криоаппликатора.
Известен криоаппликатор, основой которого служит депо для жидкого криоагента (криодепо), которое выполнено из пористо-проницаемого никелида титана. Приспособленный для паллиативного или радикального лечения различных болезней, криоаппликатор оснащен эргономичной теплоизолированной рукоятью, формой и размерами адекватной лечебной ситуации. (Пористо-проницаемые криоаппликуаторы из никелида титана в медицине. Т. 9 монографии «Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы» / под ред. В.Э. Гюнтера. - Томск, 2010. С. 194, 236, 241)
Основная часть монолитного объема криодепо выполнена в виде цилиндра с необработанной поверхностью пористой структуры. Этот участок конусообразным сужением переходит в рабочий отрезок меньшего сечения, с частично завальцованными выходами проницаемых пор. Торцевая поверхность рабочего отрезка отполирована для снижения эффекта примораживания.
Криодепо криоаппликатора погружают в жидкий азот и охлаждают до прекращения кипения. Аппликацию холодом осуществляют приведением в контакт и легким прижатием торцевой поверхности криоаппликатора к заинтересованному участку ткани. Время экспозиции и количество циклов определяются регламентом лечения и тепловыми характеристиками криодепо.
Известный криоаппликатор обладает рядом достоинств, соответствует вышеупомянутым условиям и получает все большее распространение в криомедицине. Без больших конструктивных доработок он может применяться в различных областях техники и научных исследованиях.
По наибольшему сходству с предлагаемым решением этот аналог выбран в качестве прототипа.
К недостаткам прототипа следует отнести жесткую заданность криоконтакта и обусловленную этим ограниченность применения в обслуживаемых объектах с нерегулярной формой.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение области применения к объектам нерегулярной формы.
Указанный технический результат достигается тем, что в криоаппликаторе, содержащем эргономичной формы депо для жидкого криоагента, выполненное из никелид-титанового материала с влагопроницаемой структурой, депо для жидкого криоагента (криодепо) выполнено в виде объема гранул никелида титана, сформованного и зафиксированного тканевой оболочкой из никелида титана.
Совокупность перечисленных свойств, предлагаемого криоаппликатора, позволяет реализовать технический результат, а ее оригинальность свидетельствует о соответствии предложения критерию «изобретательский уровень».
Предпочтительно использование гранул никелида титана с пористо-проницаемой структурой.
Предпочтителен выбор поперечных размеров гранул в интервале 0,5-3,0 мм.
Предпочтительна выпуклая форма рабочего участка криодепо, с размерами выпуклости, адекватными размерам охлаждаемого участка объекта.
Современной технологии обработки мартенситного сплава никелида титана доступно волочильное производство тонкой (до 30 мкм) нити, механическая прочность которой позволяет изготовить из нее текстильную или трикотажную ткань. Благодаря эластичности самой нити, усиленной деформационной эластичностью гнуто сформованной в структуре, последняя обладает эластичностью, превышающей известные ткани из природных или синтетических материалов. Изготовленная из такой ткани замкнутая форма легко и обратимо деформируема.
Объем гранул никелида титана, подобно любым сыпучим объектам, принимает форму содержащего его сосуда с возможностью ее изменения. Таким образом, комплекс, образованный объемом гранул никелида титана, ограниченный оболочкой из никелид-титановой ткани под действием внешней силы может изменять свою форму с последующим принудительным возвратом к первоначальной.
Рациональная, с точки зрения доступности и удобства ручной манипуляции, форма такого комплекса позволяет создать заданное и вариабельное пятно контакта с объектом взаимодействия. В частности, выпуклая поверхность, например торцевая поверхность 5 криодепо 6, выполненного в виде продолговатого цилиндра (фиг. 2), позволяет силой прижатия менять площадь соприкосновения от малой (касания в точке) до максимальной, определяемой возможностью деформации задействованного участка (фиг. 3).
Консолидированный объем гранул, ограниченный тканью, влагопроницаем. Теплоемкость («холодоемкость») такой структуры, пропитанной жидким криоагентом, определяется суммарной теплоемкостью отдельных гранул и объемом криоагента в пустотах. Из простых физических представлений процесса теплопередачи очевидно, что «холодоемкость» зависит от размеров гранул, т.е. от соотношения их суммарного объема и суммарной поверхности. Для медицинских целей опытным путем определен оптимальный для величины и скорости теплопередачи интервал размеров используемых гранул. Он составил 2÷100 мкм.
Проницаемые поры в гранулах увеличивают суммарную поверхность, омываемую криоагентом при охлаждении криодепо, и потому являются дополнительным приемом вариации его технических характеристик.
На фиг. 4 представлены временные температурные характеристики нагрева модельной структуры предлагаемого устройства. Значительное увеличение времени нагрева (кривая 7, фиг. 4) по сравнению с равным объемом чистого жидкого азота (кривая 8, фиг. 4) дает возможность варьировать экспозицию действия криоаппликатора, обеспечивая сопутствующий технический результат.
Досмотренный уровень техники свидетельствует о соответствии предложения критерию «изобретательский уровень».
На иллюстрациях представлено:
Фиг. 1 - криоаппликатор-прототип: 1 - криодепо; 2 - конусообразное сужение; 3 - рабочий отрезок; 4 - рукоять.
Фиг. 2. - предлагаемый криоаппликатор: 5 - торцевая поверхность; 6 - криодепо.
Фиг. 3 - проекции пятна криоконтакта с изменением силы прижатия криоаппликатора.
Фиг. 4- временные температурные зависимости нагрева модели (кривая 7) и чистого жидкого азота (кривая 8).
Фиг. 5 - формоизменения криодепо.
Пример. Конкретная реализация предлагаемого изобретения, иллюстрирующая достижимость технического результата, выполнена в виде лабораторного макета криоаппликатора с проведением тепловых измерений и натурной апробации его работы.
Изготовленная модель криодепо устройства оформлена в виде композиции объема гранул никелида титана и облегающей его оболочки из никелид-титановой сетчатой ткани. Форма криодепо представлена на фиг. 2 - для корректного сопоставления максимального схода с формой устройства-прототипа (фиг. 1). Продолговатое цилиндрообразное тело криодепо имеет размеры: длина 80 мм, диаметр 18 мм. Для безопасной активации устройства и эргономных рабочих манипуляций оно снабжено термоизолированной рукоятью из никелида титана с пластиковой деформацией.
Рабочий конец криодепо имеет выпуклую форму с уменьшением радиуса кривизны к центру выпуклости.
Гранулы никелида титана с преимущественными поперечными размерами из интервала 0,5-2 мм помещены в сетчатую тканевую оболочку и умерено уплотнены. Сетчатая ткань оболочки изготовлена по текстильной технологии из никелид-титановой нити толщиной 40 мкм. Расстояние в ткани между соседними нитями 60 мкм.
Устройство работает, а его натуральные испытания, адекватные функциональному действию, проведены следующим образом.
В качестве лабораторной модели охлаждаемого объекта для наглядной визуализации процесса выбран слой, толщиной 5 мм, тонковолокнистого фетра, увлажненного подкрашенной водой и наложенный на пластиковую подложку.
Криодепо устройства активировано погружением в жидкий азот и выдержкой его в погруженном состоянии до прекращения кипения жидкости в окрестности устройства.
После извлечения из криостата, незамедлительно, устройство вводится в соприкосновение с охлажденной моделью и последовательно, начиная с касания вершиной выпуклого рабочего участка криодепо (фиг. 3), и дискретно увеличивая силу прижатия. Деформация рабочего участка приводит к увеличению пятна соприкосновения с моделью и расширению зоны промораживания (фиг. 3).
Манипуляционные возможности, подтверждающие технический результат, кроме вариации зоны промораживания, расширены также управляемым формоизменением тела криодепо, позволяющим угловую вариацию доступа в рабочую зону (фиг. 5).
Готовность устройства к широкой реализации, доступность комплектующих деталей и технологии изготовления соответствуют критерию изобретения «промышленная применимость».