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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlmittelsystem für einen
Katheter oder einen Behandlungsstab, der für die Kryobehandlung von Gewebe verwendet
wird. Insbesondere ist das Kühlmittelsystem
von dem Typ, der mit einem Katheter verbunden ist und Kühlmittel
durch den Katheter pumpt, um einen Bereich des Katheters, wie beispielsweise
die distale Spitze, zur Behandlung von Gewebe zu kühlen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Es
wurde eine Anzahl von Systemen mit gekühltem Katheter zur Behandlung
von Gewebe in einer Herzumgebung entwickelt, entweder um das Gewebe
ausreichend zu kühlen,
um es zu betäuben
und eine kalte Abbildung des Herzens und/oder eine Bestätigung der
Position des Katheters im Verhältnis
zu lokalisierten Gewebeläsionen
zu ermöglichen
oder um ein höheres
Kälteniveau
anzuwenden, um Gewebe an der Stelle des Katheterendes abzutragen.
Im Allgemeinen ist der Behandlungsbereich, der von einer Kryokatheterung
betroffen ist, mit dem Anwendungsbereich für Hochfrequenz- oder Wärmeabtragungskatheter
vergleichbar und diese Instrumente können insbesondere so konfiguriert
werden, dass entweder kleine lokalisierte kugelförmige Läsionen an der Spitze des Katheters
oder eine oder mehrere längliche
lineare Läsionen
erreicht werden, die sich um eine Länge von mehreren Zentimetern
oder mehr die Spitze entlang erstrecken. Die letztere Form von Läsionen wird
herkömmlicherweise
verwendet, um eine Reizleitungsblockade über einen Bereich der Herzwand
zu erzielen und einen aberrierenden Pfad über eine Länge zu trennen, wobei eine
Konduktion über
den Bereich verhindert wird, um beispielsweise die Topologie des
Herzsignalpfads zu ändern
und einen fehlerhaften Pfad zu beseitigen, der für Vorkammerflimmern oder eine
Tachykardie verantwortlich ist.
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Die
U.S.-Patentschrift Nr. US-A-5,807,391 offenbart einen Kryoabtragungskatheter,
der einen im Allgemeinen röhrenförmigen Körper umfasst,
der ein proximales und ein distales Ende aufweist. Die Internationale
Patentschrift Nr. WO 01/01049 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verwendung eines sekundären
Kältemittels
zum Vorkühlen
und Verflüssigen
eines primären
Kältemittels,
wobei das primäre
Kältemittel
daraufhin verdampft und expandiert wird, um eine kalte Spitze eines
Kryooperationsinstruments zum Abtragen von biologischem Gewebe,
wie beispielsweise von kardiovaskulärem Gewebe, insbesondere von
endokardialem Gewebe und Gewebe innerhalb eines Herzblutgefäßes, zu
kühlen.
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Katheter
dieses Typs müssen,
wenn sie für endovaskulären Zugriff
zur Behandlung der Herzwand verwendet werden, wie die entsprechenden
früher
entwickelten Hochfrequenz- oder elektrothermischen Abtragungskatheter,
im Allgemeinen ziemlich anspruchsvollen Beschränkungen hinsichtlich ihrer
Größe, Elastizität, Faktoren
der Stärke,
der elektrischen Leitfähigkeit
und dergleichen, gerecht werden, die ihre Sicherheit beeinflussen
und bei Gebrauch Fehlermoden entstehen lassen können. Diese Beschränkungen
erfordern im Allgemeinen, dass der Katheter nicht größer als
mehrere Millimeter im Durchmesser ist, damit er durch das Gefäßsystem des
Patienten bis zum Herzen hindurch gelangt. Daher müssen alle
Elektroden (im Fall von abbildenden oder HF- bzw. elektrothermischen
Abtragungskathetern) und alle Kühlmittelkanäle (im Fall
von Kryokathetern) in einen kleinen Katheterkörper passen.
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Es
wurde eine Anzahl unterschiedlicher Fluide für die Kühlmittelkomponente von Kryobehandlungskathetern
des Stands der Technik verwendet, wie beispielsweise eine konzentrierte
Salzlösung oder
eine andere Flüssigkeit
mit einem angemessen niedrigen Gefrierpunkt und einer niedrigen
Viskosität sowie
einer angemessen hohen Wärmeleitfähigkeit und
Wärmeaufnahmefähigkeit
oder ein verflüssigtes Gas,
wie beispielsweise flüssiger
Stickstoff. Bei allen derartigen Konstruktionen muss das Kühlmittel
durch den Katheter zirkulieren, weshalb mehrere Kanäle erforderlich
sind, die von dem Kathetergriff zu dem Kühlbereich der Spitze führen.
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Des
Weiteren müssen
Bedingungen der Patientensicherheit berücksichtigt werden, wodurch zahlreiche
Probleme oder Konstruktionsbeschränkungen für jedes bestimmte System entstehen.
Somit kann beispielsweise ein hoher Druck erforderlich sein, um
eine ausreichende Menge Kühlmittel
durch den Katheterkörper
zu seiner Spitze und zurück
zu leiten, und die Gesamtkonstruktion eines Katheters muss so beschaffen
sein, dass ein Bruch der Katheterwand oder ein Austreten des Kühlmittels
entweder nicht stattfindet oder falls es stattfindet, unschädlich ist.
Des Weiteren dürfen
bei einer endovaskulären Katheterkonstruktion
die Elastizität
oder Manövrierfähigkeit
der Katheterspitze und des Katheterkörpers durch das Vorhandensein
des Kühlmittel-
und Kreislaufsystems nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
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Bis
zu einem gewissen Grad wurde auf diese Anliegen eingegangen, indem
ein Phasenänderungsmaterial
als kryogenisches Fluid verwendet wurde und der Katheter so angeordnet
wurde, dass die Phasenänderung,
z.B. von einer Flüssigkeit
zu einem Gas, in dem Behandlungsbereich der Katheterspitze auftritt.
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Ein
anderer möglicher
Versuch besteht darin, ein unter Druck stehendes Gas zu verwenden und
den Katheter für
eine Kühlung
durch Expansion des Gases in der Spitzenkonstruktion zu konfigurieren.
Aufgrund der geringen Größe, die
ein derartiger Katheter für
eine Einführung
in Gefäße annehmen muss,
oder der Umständlichkeit
der Handhabung einer kryogenischen Behandlungssonde im Allgemeinen
bleibt die Konstruktion eines sicheren und wirksamen Kühlmittelzirkulationssystems,
das dennoch eine ausreichende Kühlkapazität an einer
entfernten Spitze zuverlässig
bereitstellt, jedoch ein schwieriges Ziel.
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Unter
anderen herkömmlichen
Problemen, die angegangen werden müssen, während eine angemessene Wärmekapazität bereitgestellt
wird, können
folgende Probleme genannt werden: das vorgenannte Undichtigkeitsproblem,
das Problem, wirksam zu verhindern, dass der Katheter als Ganzes übermäßig kalt
ist oder Gewebe beschädigt,
das sich entfernt von der beabsichtigten Stelle befindet, und das
Problem einer Leitungs- oder Ventilverstopfung beispielsweise aufgrund
von Eispartikeln und dergleichen.
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Demgemäß wäre es wünschenswert,
ein Kühlmittelsystem
bereitzustellen, das in angemessener Weise an einem Kryokatheter
angebracht wird.
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Es
wäre ebenfalls
wünschenswert,
ein Kühlmittelsystem
bereitzustellen, das das Kühlmittel
einleitet und von dem Katheter zurückführt, um einen kontinuierlichen
Betrieb ohne Austreten in die Umgebung oder andere Verluste von
Kühlmittel
zu ermöglichen.
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Es
wäre des
Weiteren wünschenswert,
ein Behandlungssystem bereitzustellen, das die Abtragungs- und Behandlungsverläufe präzise steuert,
indem die Kühlmittelversorgung
an mehreren Punkten entlang das Fluidpfads konditioniert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein kryogenisches medizinisches System nach Anspruch 1
geschaffen.
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Diese
und andere wünschenswerte
Merkmale werden in einem Kühlmittelsystem
erzielt, das eine medizinische Einrichtung und ein Bedienungspult umfasst,
das an einem Verbindungspunkt mit der medizinischen Einrichtung
verbunden werden kann. Das Bedienungspult steuert die Temperatur
der medizinischen Einrichtung. Das Bedienungspult umfasst ein erstes
Kühlsystem,
das Kühlmittel
mit einer ersten Temperatur entlang einer Kühlmittelzuführleitung zur medizinischen
Einrichtung leitet, und ein zweites Kühlsystem, das das Kühlmittel
in der Kühlmittelzuführleitung
auf eine Temperatur unterhalb der ersten Temperatur kühlt, bevor
das Kühlmittel
den Verbindungspunkt erreicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale der Erfindung werden bei der Lektüre und unter
Bezugnahme auf die unten aufgeführte
Beschreibung im Licht des Stands der Technik zusammen mit veranschaulichenden
Figuren verständlich,
wobei:
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1 und 1A ein
Kryokatheterbehandlungssystem und einen Kryokatheter veranschaulichen;
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2 eine
schematische Darstellung eines Kühlmittelsystems
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit dem Katheter aus 1 ist;
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3 eine
ausführliche
Zeichnung einer anderen Implementierung des Kühlmittelsystems der vorliegenden
Erfindung ist;
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4A eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelsystemkonfiguration
ist;
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4B ein
Enthalpiediagramm hinsichtlich des Systems aus 4A ist;
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5A eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelsystemkonfiguration
ist;
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5B ein
Enthalpiediagramm hinsichtlich des Systems aus 5A ist;
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5C ein
anderes Enthalpiediagramm hinsichtlich des Systems aus 5A ist;
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6 einen
Kältemittelunterkühler schematisch
darstellt, der in den Kühlmittelsystemkonfigurationen
der Erfindung enthalten sein kann;
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7A eine
andere Konfiguration für
einen Unterkühler
veranschaulicht;
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7B ein
Enthalpiediagramm hinsichtlich des Systems aus 7A ist;
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7C eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelsystemkonfiguration
ist;
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7D eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelkonfiguration
ist;
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8A noch
eine andere Konfiguration für einen
Unterkühler
veranschaulicht;
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8B noch
eine andere Konfiguration für einen
Unterkühler
veranschaulicht;
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9A eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelsystemkonfiguration
ist;
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9B ein
beispielhaftes Unterkühlsystem ist,
das in dem Kühlmittelsystem
aus 9A angeordnet ist; und
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10 eine
schematische Veranschaulichung noch einer anderen Kühlmittelsystemkonfiguration
ist;
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein kryogenisches Behandlungssystem 100, das die allgemeinen
Elemente desselben veranschaulicht. Das System 100 umfasst
Folgendes: einen Behandlungskatheter 110, der einen Griff 110a aufweist,
ein Behandlungsbedienungspult 120 sowie eine Anzahl von
Verbindungsleitungen 115, die Signalleitungen für Überwachungs-
und Abbildungsfunktionen sowie eine Kühlmitteleingabeleitung 115a und
eine Kühlmittelrückführleitung 115b umfassen.
Wie veranschaulicht, umfasst das Bedienungspult einen Anzeigebildschirm 120a,
der beispielsweise sowohl elektrische Herzsignale als auch unterschiedliche
Status- und Kontrollbildschirme anzeigen kann, die die Einstellung
oder Berichterstattung der Kühlfunktionen
des Katheters oder der Abtragungsvorgänge, die damit ausgeführt werden,
betreffen.
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1A zeigt
einen Katheter 110, der in einem System gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, etwas ausführlicher. Wie gezeigt, ist
der Griff 110a mit Eingangsanschlüssen für einen elektrischen Anschluss 111,
einen Kühlmitteleinleitrohranschluss 112 und
einen Rückführrohranschluss 113 ausgerüstet. Diese
sind über
verschiedene interne Verbindungen oder Rohre, die durch den Griff
verlaufen, um diese drei Funktionen bereitzustellen, mit der distalen
Spritze des Katheters verbunden. Der Griff kann ebenfalls unterschiedliche
Steuerbaugruppen umfassen, z.B. Schalter oder Ventile sowie Sicherheitserfassungs-
und Abschaltelemente (nicht gezeigt).
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Von
dem Griff 110a erstreckt sich ein länglicher Katheterkörper 110b,
der sich zur Katheterspitze 110c erstreckt, was vergrößert gezeigt
ist, um eine repräsentative
Konstruktion davon zu zeigen. Wie gezeigt, tritt das Kühlmittel
durch ein zentrales Rohr 1 in die Katheterspitze 110c ein
und tritt über
eine Düse 2 am
Ende des Rohrs aus, um sich in einem kleinen eingegrenzten Bereich
auszudehnen, der an der Spitze des Katheters eine Kammer 3 bildet.
Bei der veranschaulichten Konstruktion verläuft das Rohr 1 konzentrisch
innerhalb einen äußeren Rohrs
(nicht nummeriert), wodurch ein ringförmiger Rückkehrraum 4 gebildet
wird, der das Zuführrohr 1 umgibt und
sich zurück
zum Fluidrückführungsanschluss 113 des
Griffs erstreckt. Wie weiter unten weiter erörtert, ist der Rückführungskanal
für verbrauchtes Kühlmittel
ein Vakuumkanal, wodurch sichergestellt wird, dass kein Austreten
in den Blutstrom stattfinden kann.
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Die
Position der Kammer 3 grenzt den Kühlbereich der Katheterspitze
ab, Bei der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich
hierbei um eine kurze Kammer mit einer Länge von weniger als einem Zentimeter,
die sich ganz außen
an der Spitze des Katheters befindet, Ebenfalls ist Folgendes gezeigt:
ein Thermopaar 5, das innerhalb der Spitze angeordnet ist,
um die Temperatur der Spitze zu erfassen, sowie eine Vielzahl von
Elektroden, einschließlich
einer Spitzenelektrode 7a und einer oder mehrerer Ringelektroden 8a, 8b ...,
die zur Verwendung bei der Abbildung und/oder Erfassung von Herzsignalen in
der Nähe
der Spitze angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsformen kann die Kammer 3,
die an der Spitze des Katheters abgegrenzt ist, eine längliche Kammer
sein, die eine Länge
von mehreren Zentimetern aufweist, um eine Kühlmittelkammer abzugrenzen,
die lineare Läsionen
bilden kann, wenn sie mit Gewebe, wie beispielsweise der Herzwand,
in Kontakt gebracht wird. Für
die lineare Ausführungsform können mehrere
Expansionsdüsen,
ein perforiertes Einlassrohrendsegment oder eine andere Konstruktionsvariante
der Kühlmittelzuführleitung
verwendet werden, um eine hohe Kühlrate
entlang der vollen Länge
der Expansionskammer sicherzustellen. Des Weiteren kann die Kammerwand
sehr dünn
sein oder mit einer Metallhülse
oder -kappe geformt sein, um hohe Wärmeübertragungsraten zu erreichen.
Andere Konstruktionen innerhalb des Katheters können Drehmomentdrähte, Steuerdrähte oder
andere Elemente umfassen, die in der Technik herkömmlicherweise
für die
Navigation des Katheters vorbei an Verzweigungspunkten in Gefäßen und
zum Drücken
der Katheterspitze in Kontakt mit einer Wand, sobald ihre Position
bestätigt
ist, verwendet werden.
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Wie
aus dem oben Genannten ersichtlich ist, besteht die Aufgabe des
Bedienungspults darin, Kühlmittel
am Spitzenbereich in ausreichender Menge und lange genug bereitzustellen,
damit die gewünschten
Läsionen
erzeugt werden. Die Beschaffenheit und Tiefe der erzeugten Läsionen hängt von einer
Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Temperatur, die in
dem benachbarten Gewebe erreicht wird, sowie der Beschaffenheit
des Kühlzyklus, mit
dem diese Temperatur erreicht wird. Wenn das Gewebe eine extrem
niedrige Temperatur oder eine Temperatur, bei der Eiskristalle innerhalb
von Gewebezellen erzeugt werden können, erreicht, kann die Beschädigung des
Gewebes im Allgemeinen nicht mehr rückgängig gemacht werden, was eine
effektive Abtragung an der berührten
Stelle zur Folge hat. Die tatsächlichen
Kühlraten,
die an der Spitze erreicht werden, hängen zusätzlich zu der Beschaffenheit
des Kühlmittelflusses,
der durch die Katheterspitze fließt, zum großen Teil von dem Kontaktbereich
mit dem Gewebe sowie von den Leiteigenschaften des benachbarten
Gewebes und der Struktur und Geometrie des Katheters ab. Bei dem
vorliegenden System wird die letztgenannte Menge geregelt, wie weiter
unten ausführlicher
erörtert,
indem ein Kontroller bereitgestellt wird, bei dem die Strömung eines
Phasenänderungskühlmittels,
das der Spitze zugeführt
wird, variiert wird, um das Ausmaß der Kühlleistung, die während des
Abtragungszyklus zur Verfügung
steht, direkt zu regeln. Darüber
hinaus wird der primäre Kühleffekt
durch Expansion von Kühlmittel
an der Einlassdüse 2 erreicht,
wenn es in die Kammer 3 eintritt.
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Ein
oder mehrere elektrische Erfassungselemente, die nicht veranschaulicht
sind, können
zusätzlich
zu dem Thermopaar an verschiedenen Stellen innerhalb des Katheters
bereitgestellt sein, um eine nützliche
Rückmeldung
oder Notsteuerfunktionen bereitzustellen. Für den Zweck der vorliegenden Patentanmeldung
werden derartige Funktionen nicht weiter erörtert. Falls sie jedoch bereitgestellt
werden, können
sie in einem diskreten Kühlsystem
angeordnet werden, das zum Zweck der Veranschaulichung vollständig innerhalb
des Bedienungspults 120 oder außerhalb desselben angeordnet
sein kann, jedoch in jedem Fall in Bezug auf die Kühlmittelzuführelemente
funktioniert, die im Folgenden beschrieben werden.
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2 veranschaulicht
eine Ausführungsform
eines Kühlsystems,
das nicht der vorliegenden Erfindung entspricht und so konfiguriert
ist, dass es mit dem Eingangsanschluss und dem Rückführanschluss 112, 113 des
Katheters 110 (1A) verbunden
ist. Wie gezeigt, umfasst das Kühlmittelsystem 120 eine
Kühlmittelzuführung 30,
eine Kühlmittelkonditionierungsvorrichtung 40,
eine Kühlmittelregelung 50 und
einen Kühlmittelrückführbereich 60.
Der Regelbereich 50 ist mit dem Einlass 112 des
Einleitkatheters, beispielsweise mit Hilfe eines Zuführrohrs, verbunden,
während
das Rückführsystem 60 mit dem
Kühlmittelrückführanschluss 113 verbunden
ist. Diese sind als separate Anschlüsse veranschaulicht, wie jedoch
weiter unten ausführlicher
erörtert
wird, können
sie mit einer einzelnen Vakuum ummantelten Leitung mir einer Schnellverschlusskopplung
oder einer anderen speziellen Verbindung implementiert werden, die
eine einzelne Kopplung mit dem Kathetergriff für alle Kühlmittelfunktionen ermöglicht.
Entsprechend können
elektrische Verbindungen in einer derartigen einzelnen Leitung integriert
sein oder sie können
als separate Signalverkabelung bereitgestellt sein. Der Betrieb
des Kühlmittelsystems 120 wird
aus einer ausführlichen
Erörterung
jeder der Unterbaugruppen 30, 40, 50, 60 am
besten verständlich.
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Im
Allgemeinen weist das Kühlmittelsystem einen
Kühlmittelkonditionierungsabschnitt 40 mit
einem Kompressor auf, der dem Regelbereich 50 ein konditioniertes
Phasenänderungskühlmittel
bei einem erhöhten
Druck bereitstellt, wobei der Regelbereich 50 seinerseits
die Zuführung
von Kühlmittel, das
dem Einlass des Katheters bereitgestellt wird, regelt. Der Rückführbereich 60 umfasst
eine Vakuumpumpe, die verbrauchtes Kühlmittel bei einem niedrigeren
Druck kontinuierlich aus dem Katheter saugt und es bei einem höheren Druck
wieder der Kühlmittelkonditionierungsvorrichtung 40 zuführt, wodurch ein
geschlossener Zirkulationskreis durch den Katheter bereitgestellt
wird, um den erforderlichen Abtragungs- oder Abbildungsverläufen gerecht
zu werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform stellt die Konditionierungsvorrichtung
das Kühlmittel
im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur oder einer kälteren Temperatur
bereit und der Kontroller umfasst einen elektronisch gesteuerten
Druckregler, der die Durchflussmenge des Kühlmittels, das in den Katheter
eingeleitet wird, einstellt, wodurch die Kühlwirkung der Katheterspitze
geregelt wird. Konditioniertes Kühlmittel
wird dem Regelbereich durch die Konditionierungsvorrichtung 40 bereitgestellt,
die Kühlmittel
bei einem niedrigeren Druck entweder von dem Rückführbereich 60 oder
von der Zuführung 30 erhält, das Kühlmittel
auf einen höheren
Druck komprimiert, das Kühlmittel
verflüssigt
und es an ihrer Auslassleitung 42a, die zum Kontroller
führt,
etwa auf Umgebungstemperatur bringt. Wie des Weiteren in 2 gezeigt,
weist der Ausgang von dem Kompressor eine zweite Verzweigung 42b auf
in der übermäßiges Kühlmittel
nicht weiter gekühlt
wird, sondern einfach zur Zuführung 30 zurückgeführt wird.
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Zusätzlich zur
Erhöhung
des Drucks des Kühlmittels,
das dem Regler für
eine gesteuerte Einleitung in den Katheter zugeführt wird, konditioniert der
Konditionierungsabschnitt 40, wie oben angemerkt, ebenfalls
die Temperatur des Hochdruckkühlmittels.
Dies wird vorzugsweise, wie in 2 gezeigt, durch
Wärmeaustausch
zwischen der Einlasszuführleitung 41 und
der Kompressorauslassleitung 42 vorgenommen. Wie in der
Figur gezeigt, steht die Kompressorauslassleitung 42 beispielsweise über einen Kondensator
oder einen Wärmetauscher 45b mit
der Einlassleitung 41 in Wärmeaustauschkommunikation.
Darüber
hinaus steht eine Auslassverzweigung 42a der Auslassleitung 42 beispielsweise über den Wärmetauscher 45a mit
einem stromaufwärts
angeordneten Abschnitt der Einlassleitung 41 in Wärmeaustauschkommunikation.
Der Kompressor 43 komprimiert das Kühlmittel von einem relativ
niedrigen Druck, vorzugsweise unterhalb des atmosphärischen Drucks,
auf einen beträchtlich
höheren
Druck, z.B. 20 bis 30 Atmosphären,
gemessen an seiner Auslassleitung 42. Das Material in der
Leitung 42 wird daher durch Kompression erwärmt und
der Wärmeaustausch
mit der Einlassleitung 41 dient dazu, den Temperaturanstieg,
der durch die Kompression erzeugt wird, zu verringern. Durch Bereitstellen
nur eines Teils der Kompressorausgabe, nämlich der zum Katheter gerichteten
Verzweigung 42a zum stromaufwärts angeordneten kälteren Abschnitt
der Kompressoreinlassleitung 41, wird die Kathetereinleitungszuführung von
Kühlmittel
des Weiteren wirksam auf oder auf nahezu die Umgebungstemperatur
oder auf eine kältere
Temperatur gebracht, während
der stromabwärts
angeordnete Wärmeaustausch,
der in dem Wärmetauscher 45b mit
der gesamten Ausgabe des Kompressors vorgenommen wird, in einem
geringeren Ausmaß gekühlt wird,
was einer traditionelleren Funktion der Verflüssigung der Kühlmittelausgabe
und der Verbesserung der Gesamtkühlkapazität des komprimierten
Fluids dient. Diese geordnete Wärmetauschanordnung
stellt vorzugsweise eine stärkere
Kühlung
für die
zum Katheter gerichtete Versorgungsleitung bereit, was eine stabilisierte
Kathetereingabe über
einen breiteren Bereich von Betriebszyklen zur Folge hat.
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In 2 kann
die Hochdruckrückführung 42b zum
Behälter
mit einem Druckregler implementiert werden, der leitungsintegriert
vor dem Behältereinlass
angeordnet ist, um sicherzustellen, dass Kühlmittel nur dann zum Behälter zurückgeführt wird, wenn
dessen Verwendung sonst nirgendwo im Kreislauf erforderlich ist,
und sich der Druck in der Leitung zuerst auf einen Pegel aufbaut,
der höher
als der gegenwärtige
Behälterdruck
ist.
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Somit
stellt das System der vorliegenden Erfindung ein Kühlmittelkreislaufsystem
mit geschlossenem Regelkreis bereit, wobei Kühlmittel für die Bereitstellung an den
Einlass eines Steuermoduls, das das Kühlmittel in einen Katheter
einleitet, konditioniert wird und das Kühlmittel in einem geschlossenen Regelkreis
zurückkehrt,
um eine kontinuierliche Zirkulation von Fluid bei Umgebungstemperatur
oder einer kälteren
Temperatur in den Katheter bereitzustellen.
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3 zeigt
eine Prototypausführungsform ausführlicher
und veranschaulicht repräsentative Ventile
und Regler zur Implementierung einer bevorzugten Kühlmittelzuführung 200 mit
geschlossenem Regelkreis. Die Kühlmittelzuführung, der
Kompressor, der Regelabschnitt und der Rückführungsabschnitt des Systems 200 sind
mit den Nummern 230, 240, 250 und 260 nummeriert,
die den verwandten Unterbaugruppen 30, 40, 50 und 60 des
Systems 20 entsprechen. Wie in dieser Ausführungsform
gezeigt, führt
ein Kältemittelbehälter 231,
der mit einem Magnetschauglas 231a zur Anzeige des Füllpegels
ausgerüstet
ist, Kältemittel
durch ein Nadelventil 232 entlang der Leitung 233 zu
einem stromabwärts
angeordneten Druckregler 235. Der Druckregler 235 wandelt
den Nennbehälterdruck
von mehreren hundert Pfund pro Quadratzoll in einen festen Pegel
von 96,53 kPa (14 psi) um, um an die Einlassleitung 241 des
Kompressors einen konstanten Versorgungsdruck anzulegen. Bei dieser
Stufe kocht das Kältemittel
bei einer Temperatur von etwa –60° Fahrenheit. Die
Vakuumwiederherstellungsrückführleitung 262 schließt sich
dem Kältemitteleinlass 241 an
diesem Punkt an.
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Die
Kompressoreinlassleitung 241 verläuft durch den Wärmetauscher 245 auf
dem Weg zum Kompressor 243 und verläuft ebenfalls durch einen Kondensator 244,
so dass die Niederdruckflüssigkeit in
der Einlassleitung 241 von dem heißen Dampf, der aus dem Kompressor
kommt, erwärmt
wird, wodurch verursacht wird, dass sie verdampft wird. Der Kompressor 243 nimmt
den Dampf auf und komprimiert ihn auf etwa 2757,9 kPa (400 psi).
Die komprimierte Ausgabe wird entlang der Leitung 242 durch
die Trockner D und das Schauglas SG geleitet, woraufhin sich die
Hochdruckauslassleitung in zwei Verzweigungen 242b und 242a verzweigt.
Ein stromaufwärts
angeordneter Druckregler 246 in der Leitung 242b baut
in der Hochdruckauslassleitung Druck auf und hält diesen aufrecht, wodurch
dem Regler ermöglicht
wird, sich zu öffnen
und übermäßiges Kältemittel
zum Behälter 231 zurückzuführen, wenn
der Druck einen voreingestellten Pegel von etwa 2757,9 kPa (400
psi) erreicht, der höher
als der Nennbehälterdruck,
z.B. 1378,9 kPa (200 psi), ist.
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Die
zweite Verzweigung 242a der Auslassleitung 242 verläuft durch
den Wärmetauscher 245,
der in dem stromaufwärts
angeordneten Abschnitt der Einlassleitung 241 angeordnet
ist, wo sie weiter abgekühlt
wird, um dem Kontroller 250 eine konditionierte Ausgabe
bereitzustellen, wobei der Kontroller, wie gezeigt, einen motorisierten
Druckregler 254 umfasst. Der Druckregler 254 regelt
die Durchflussmenge des Kühlmittels,
die entlang der Leitung 251 an den Eingangsanschluss des
Katheters (schematisch veranschaulicht) angelegt wird. Der Druckregler 254 kann
beispielsweise durch einen Steuermikroprozessor in dem Bedienungspult
gesteuert werden, um Kühlmittel
mit einem Druck von 1723,7 kPa (250 psi) für ein Zeitintervall von 2,5
Minuten bereitzustellen. Die Steuerung erfolgt im Allgemeinen dadurch,
dass der Motor des Reglers 254 betätigt wird, um einen gewünschten
Sollwert zu erreichen, und der Regler für die angezeigte Zeitperiode
bei dieser Einstellung belassen wird. Ein Druckwandler 255 für Drücke von Null
bis 3447,4 kPa (500 psi) ist in der Leitung 251 angeordnet,
um Rückmeldungssignale
zur Implementierung der Steuerung des Reglers 254 bereitzustellen,
der des Weiteren eine Rückmeldung
von dem Thermopaar in dem Katheter verwenden kann.
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Die
vorgenannten Druck- und Zeitdauerwerte sind nur als Beispiel angegeben
und es ist ersichtlich, dass typische Kühlabläufe, die von dem Steuerbedienungspult 120 (1)
implementiert werden, mehrere Sekunden bis zu fünf Minuten oder länger dauern
können
und dass die Kühlmitteldrücke, die variiert
werden, um eine gewünschte
Rate der Wärmeübertragung
oder eine effektive Läsionstiefe
zu erzielen, von dem Kühlmitteldruck
in dem Behälter
bis zu etwa dem Druck der Kompressorauslassleitung 242a variieren
können.
Vorteilhafterweise bleibt der Druck in der Leitung 251 höher als
der Sättigungsdruck
des verwendeten Kältemittels,
so dass es nicht zu kochen beginnt, bevor es die Spitze erreicht.
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Wie
des Weiteren in 3 gezeigt, ist die Rückführleitung 115b vom
Katheter an dem Vakuumabschnitt 260 befestigt, während sich
ein Solenoid betätigtes
Ablassventil 257 zwischen der Kathetereinlassleitung 251 und
der Niederdruckrückführleitung 262 von
dem Vakuumausspülsystem 260 erstreckt.
Es versteht sich, dass das Ablassventil 257 typischerweise
so betätigt
wird, dass es die Einlassleitung ablässt, wenn der Katheter erstmalig
angebracht wird und jeweils der Zuführungskompressor oder die Rückführpumpe
betätigt
werden.
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Die
Rückführleitung 115b von
dem Katheter verläuft über das
Solenoid betätigte
Vakuumschutzventil 261 zu einer Vakuumpumpe 265,
die ein Vakuum im Bereich von 2 bis 40 Millibar in der Rückführleitung
aufrechterhält
und den Druck des verbrauchten Kühlmitteldampfes
auf etwa 103,4 kPa (15 psi) erhöht.
An der Auslassseite der Vakuumpumpe ist Folgendes bereitgestellt:
ein ähnliches
Solenoid betätigtes
Schutzventil 261a zusammen mit einem Kugelrückschlag
sowie ein Ölfilter
OF, das verhindert, dass Pumpenöl
das zirkulierende Kühlmittel
kontaminiert oder sich in den Kühlmittelventilen,
den Katheterkanälen
oder anderen Komponenten ablagert. Ein Filter, z.B. 0,5 μm, ist in
der Kathetereinlassleitung 251 angeordnet. Das gesamte
Vakuumsystem kann während
des Einschaltens, eines erfassten Überdrucks oder eines Blutaustritts
mit Hilfe der Solenoid betätigten
Schutzventile 261, 261a isoliert werden und ein
Absperrventil 265 verhindert einen Druckanstieg an der
Vakuumdruckseite des Katheters im Fall eines Pumpen- oder Kompressorausfalls,
wodurch dem Kühlmittel
ermöglicht
wird, direkt in die Rückführleitung 262 und
den Kompressoreinlass 241 zurückzufließen. Zu diesem Zweck sind der
Kompressorausgang oder verschiedene Umgehungs- oder Absperrventile 257, 264 auf
einen etwas höheren Druck
eingestellt als die Ausgangseinstellung des Behälterkonditionierungsreglers 235,
so dass das Kühlmittel
normalerweise in einem geschlossenen Regelkreis in den Katheter
und durch das Vakuumsystem zurück
in den Kompressor zirkuliert.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform ist
an einem Solenoid betätigten
Ventil 277 in der Kompressoreinlassleitung 241 ein
Kühlmittelauffüllanschluss 275 bereitgestellt,
wodurch eine Kältemittelflasche,
die an diesem Punkt angebracht ist, denselben Kompressor 243 des
Systems verwenden kann, um den Zuführungsbehälter 231 aufzufüllen. Zu
diesem Zweck ist ebenfalls ein Solenoid betätigtes Umgehungsventil 237 bereitgestellt,
um den stromaufwärts
angeordneten Hochdruckrückführregler 246 zwischen
der Kompressorauslassleitung 242b und dem Behälter zu
umgehen und das Auffüllen
des Behälters 231 zu
beschleunigen. Vorzugsweise ist über
dem Behälter
ein Solenoid betätigtes Ventil 238 mit
einer Entlüftungsöffnung verbunden, um
das Ablassen von etwaiger Luft, die sich aufgrund von Ausströmen durch
den Katheter oder die Verrohrung in dem Kältemittelbehälter gesammelt
haben kann, zu ermöglichen.
Diese Entlüftung
wird vorzugsweise von einem geeigneten Steuerprogramm in dem Bedienungspult 120 automatisch
gesteuert. Die Entlüftung
kann beispielsweise durch Bereitstellen eines Temperatursensors
in dem Kältemittelbehälter und
eines Drucksensors an seiner Oberseite implementiert werden. Wenn
die Temperatur des flüssigen Kältemittels
in dem Behälter
bekannt ist, kann die Entlüftung
betätigt
werden, bis der gesättigte
Druck für
das gegebene Kältemittel
bei der angezeigten Behältertemperatur
erreicht ist. Ein derartiger Entlüftungsschritt muss jedesmal
durchgeführt werden, wenn
das Bedienungspult eingeschaltet wird. Zusätzlich zu den vorgenannten
Elementen können
verschiedene Druckanzeiger oder Temperatursensoren den unterschiedlichen
Leitungen entlang angeordnet sein, um Betriebsparameter des darin
befindlichen Fluids anzuzeigen. Dabei handelt es sich vorzugsweise
um Sensoren oder Anzeigeelemente des Verfahrenssteuerungstyps, wobei
diese anstelle einer Skalenscheibenausgabe eine elektrische Ausgabe bereitstellen,
die mit einem Mikroprozessor verbunden ist, der so programmiert
ist, dass er die unterschiedlichen Zustände kontinuierlich überwacht,
um relevante Sicherheits-, Steuerungs- oder Wartungszustände zu erfassen.
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Unter
Bezugnahme auf 4A ist eine andere Ausführungsform
eines Systems mit geschlossenem Regelkreis schematisch gezeigt,
wobei die Buchstaben A bis F Punkten eines Systementhalpiediagramms
entsprechen, das in 4B gezeigt ist. In dem Diagramm
aus 4B sind die Bereiche von besonderem Interesse,
die ein Kältemittel
in einem flüssigen
Zustand, einem Gaszustand und einem gemischten Zustand, der unterschiedliche
Prozentanteile einer Flüssigkeit
und eines Gases umfasst, darstellen.
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Das
System aus 4A umfasst einen Kompressor 300,
der Kältemittel
in einen Gaszustand komprimiert und es durch einen ersten Kühler oder Kondensator 302 leitet.
In dem Kondensator 302 geht das Kältemittel von einem Gaszustand
in einen Übergangszustand
oder eine Kombination aus einem flüssigen Zustand und einem Gaszustand über, wobei fast
das gesamte Kältemittel
flüssig
ist oder, falls es flüssig
ist, sich sehr nahe an dem Punkt befindet, bei dem das Kältemittel
den Zustand zu einem Gas ändert.
Das Kältemittel
wird durch ein Filter oder einen Verunreinigungsentferner 304 und
daraufhin zu einem sekundären
Kühler,
der hierin als Unterkühler 306 bezeichnet
wird, geleitet. Der Unterkühler 306 kühlt das
Kältemittel
auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur, die von dem Kompressor
erreicht wird, damit das Kältemittel
vollständig
im flüssigen Zustand
ist, bevor es zum Katheter 310 geleitet wird. Bei einem
beispielhaften System kühlt
der Unterkühler 306 das
Kältemittel
auf eine Temperatur von weniger als 10° C, damit die Katheterspitze
auf Temperaturen von bis zu –90° C gekühlt werden
kann.
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Dadurch,
dass sichergestellt wird, dass sich das Kältemittel in einem flüssigen Zustand
befindet, bevor es in den Katheter eingeleitet wird, werden gegenüber bekannten
Systemen bedeutende Leistungsvorteile bereitgestellt. Um beispielsweise
eine maximale Kühlleistung
zu erreichen und eine vorhersagbare und gesteuerte Spitzentemperatur
für ein Kühlmitteleinleitsystem,
wie oben beschrieben, aufrechtzuerhalten, sollte das Kältemittel
oder das Kühlmittel
aus dem Einleitrohr 1 (siehe 1A) als
Flüssigkeit
austreten. Ohne Unterkühler
befindet sich das Kühlmittel
jedoch bei oder nahe dem Punkt „C", wie in 4B (an
der Flüssigkeit-Gas-Grenze)
gezeigt. Wenn es in den Katheter eintritt, beginnt es somit, sich
zu erwärmen,
es bilden sich Blasen in dem Kühlmittel
und das Kühlmittel
tritt in das Einleitrohr 1 in Spritzern anstatt als Strömung aus.
In manchen Fällen
tritt ohne Unterkühler
nur etwa 40% des Kühlmittels
als Flüssigkeit
aus dem Einleitrohr 1 aus, da etwa 60% des Kühlmittels
bereits in einen Gaszustand übergegangen
ist. Da weniger Fluid vorhanden ist, das in einen Gaszustand übergehen
kann, ist die Kühlleistung
der Vorrichtung verringert. Des Weiteren verursachen die Flüssigkeit-Gas-Spritzer
bedeutende Temperaturschwankungen, die die ausgewählte Kryobehandlung
nachteilig beeinflussen können.
Sowohl das Phänomen
der verringerten Kühlleistung als
auch das Phänomen
der Temperaturschwankungen werden zunehmend verstärkt und
problematisch, je mehr der Durchmesser des Katheters und des Einleitrohrs
verringert wird.
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Wie
gezeigt befindet sich der Unterkühler 306 innerhalb
des Bedienungspults 120 oder eines seiner Zubehörgeräte 115c.
Dies hilft bei der Gewichstverringerung und Kostensenkung eines
Einweggriffs und/oder von Katheterkomponenten und ermöglicht,
dass der Katheter einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweist
als ein Katheter mit einem sekundären oder Unterkühler im
Griff oder im Katheter. Zusätzlich
wird durch Anordnung des Unterkühlers 306 innerhalb
des Bedienungspults und/oder seiner Zubehörgeräte der Raum minimiert, der
von einer Kühlausrüstung innerhalb
des Katheters eingenommen wird oder der für dieselbe erforderlich ist,
wodurch die Verwendung von Kathetern mit sehr kleinem Durchmesser
(z.B. 3 Fr bis 7 Fr) für Kryobehandlungen
ermöglicht
wird.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 4A und 4B wird
dem Kältemittel
ermöglicht,
wenn es aus der Leitung, die von dem Unterkühler 306 kommt, ausströmt, die
Phase von einer Flüssigkeit
zu einem Gas zu wechseln und sich in einer Umgebung mit einem niedrigen
Druck oder nahezu einem Vakuum, das von einer Vakuumpumpe 312 erzeugt
wird, an der Katheterspitze auszudehnen. 4B veranschaulicht
den plötzlichen Übergang
von einer Flüssigkeit
zu einem Gas, wie durch die Punkte „D" bis „E" bis „F" und bis „A" auf dem Enthalpiediagramm dargestellt
ist. Die Vakuumpumpe 312 veranlasst, dass das ausgedehnte
Gas zum Kompressor 300 zurückgeführt wird, so dass der Zyklus
wiederholt werden kann.
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5A und 5B veranschaulichen
eine Kühlsystemkonfiguration
gemäß der Erfindung,
die dem System mit geschlossenem Regelkreis entspricht, das in 4A gezeigt
ist. Bei dieser Ausführungsform
gibt es keinen Kompressor 300 und keinen Kondensator 304.
Kältemittel
wird dem System von einem Behälter
oder einer Kartusche 316 in im Wesentlichen flüssigem Zustand
oder sehr nahe an dem Punkt, bei dem das Kältemittel den Zustand von einer Flüssigkeit
zu einem Gas wechselt (Punkt „C" auf dem Diagramm
aus 5B), zugeführt.
Das Kältemittel
läuft durch
ein Filter oder einen Verunreinigungsentferner 318 und
daraufhin zu einem Unterkühler 320.
Der Unterkühler 320 kühlt das
Kältemittel vor
der Weiterleitung zu einem Katheter 322 auf eine Temperatur,
bei der das Kältemittel
vollständig
im flüssigen
Zustand ist (Punkt „D" auf dem Diagramm aus 5B).
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Wenn
das Kältemittel
aus der Leitung, die von dem Unterkühler 320 kommt, ausströmt, wechselt
es seine Phase von flüssig
zu gasförmig
und dehnt sich an der Katheterspitze 322 in einer Umgebung
mit niedrigem Druck oder mit nahezu einem Vakuum, das von einer
Vakuumpumpe 324 erzeugt wird, aus. 5B veranschaulicht
den plötzlichen Übergang
von flüssig
zu gasförmig,
wie durch die Punkte „D" bis „E" bis „F" und bis „G" auf dem Enthalpiediagramm
dargestellt. Die Vakuumpumpe befördert
das ausgedehnte Gas zu einem Sammelbehälter oder einem anderen Ausspülsystem 326.
Die Kryobehandlung kann fortfahren, bis die Kältemittelzuführflasche 316 nicht
mehr in der Lage ist, flüssiges Kältemittel
bereitzustellen. Ausfallzeiten können
jedoch minimiert werden, wenn der Zuführflasche 316 ein
Schnellkopplungs/Schnellentkopplungsmechanismus 328 zugeordnet
wird. Bei einer anderen Konfiguration wird keine Vakuumpumpe verwendet
und das ausgedehnte Gas wird direkt zum Sammelbehälter oder
einem anderen Ausspülsystem 326 geleitet. Bei
noch einer anderen Konfiguration wird das ausgedehnte Gas in die
Atmosphäre,
die das System umgibt, freigelassen, wobei kein Ausspül- oder Sammelsystem
verwendet wird. Basierend auf den Offenbarungen der vorliegenden
Erfindung sind Fachleuten verschiedene andere Konfigurationen ersichtlich.
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Unter
Bezugnahme auf 5A und 5C ist
eine andere Anordnung einer Kühlsystemkonfiguration
veranschaulicht. Hier wird dem System Kältemittel von dem Behälter oder
der Kartusche 316 im Wesentlichen im Gaszustand (Punkt „B" in dem Diagramm
aus 5C) zugeführt.
Das Kältemittel
wird durch das Filter oder den Verunreinigungsentferner 318 (optional)
und daraufhin zum Unterkühler 320 geleitet.
Der Unterkühler 320 kühlt das
Kältemittel
vor der Weiterleitung zum Katheter 322 auf eine Temperatur,
die das Kältemittel
veranlasst, in den flüssigen Zustand überzugehen
(Punkt „D" in dem Diagramm aus 5C).
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Wenn
das Kältemittel
aus der Leitung, die vom Unterkühler 320 kommt,
austritt, wechselt es seine Phase von einem ersten flüssigen Zustand
in einen zweiten flüssigen
Zustand (Punkte „D" bis „E"), daraufhin in ein
Gas und expandiert an der Katheterspitze 322 in einer Umgebung
mit niedrigem Druck oder nahezu einem Vakuum, die von einer Vakuumpumpe 324 erzeugt
wird. 5C veranschaulicht den plötzlichen Übergang
von dem zweiten flüssigen Zustand
in den Gaszustand, wie durch die Punkte „E" bis „F" und bis „G" in dem Enthalpiediagramm dargestellt.
Die Vakuumpumpe befördert
das ausgedehnte Gas zu einem Sammelbehälter oder einem anderen Ausspülsystem 326.
Die Kryobehandlung kann fortfahren, bis die Kältemittelzuführflasche 316 nicht mehr
in der Lage ist, flüssiges
Kältemittel
bereitzustellen. Auch hier können
Ausfallzeiten minimiert werden, wenn der Zuführflasche 316 ein
Schnellkopplungs/Schnellentkopplungsmechanismus 328 zugeordnet
wird. Es wird in Betracht gezogen, dass die Phasenzustände, die
durch 5C dargestellt sind, in jeder
beliebigen Konstruktionsausführungsform
verwendet werden können,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist.
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Die
Zuführung
des Kältemittels
zur Kammer 360 in einem Gaszustand hat den zusätzlichen
Vorteil der Bereitstellung einer konsistenten Steuerung der Durchfluss-
und Temperatureigenschaften des Kältemittels. Kältemittel
ist in der Gasphase weniger für
Schwankungen anfällig,
die aufgrund der inhärent instabilen
Beschaffenheit des Kältemittels
in der Gas-Flüssigkeit-Übergangsphase
auftreten können.
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Obwohl
in Bezug auf die Systeme aus 4A und 5A ein
Unterkühler
gezeigt ist, kann eine derartige Vorrichtung ebenfalls in den Systemen inbegriffen
sein, die in 2 und 3 veranschaulicht
sind. Ein Unterkühler
oder ein Unterkühlungssystem,
das mit diesen Systemen kompatibel ist, kann einen Peltier-Kühler, eine
Joule-Thompson-Vorrichtung, eine Stirling-Maschine oder ein unabhängiges Kühlsystem
mit geschlossenem Regelkreis umfassen. Obwohl die Steuerung des
Verhältnisses
von Gas und Flüssigkeit
in einem Kühlmittel
mit Hilfe einer Temperaturregelung erfolgen kann, zieht die Erfindung
darüber
hinaus ebenfalls die Verwendung einer Druckregelung in dem Bedienungspult
und dem Unterkühler
zur Steuerung des Verhältnisses
in Betracht.
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6 offenbart
einen beispielhaften unabhängigen
Unterkühler
mit geschlossenem Regelkreis in schematischer Form. Wie gezeigt,
umfasst der Unterkühler
eine Kammer 330, durch die eine spiralförmige Kältemittelübertragungsleitung 332 verläuft. Ein Kompressor 334 und
ein Kondensator 336 stellen flüssiges Kältemittel bereit, das in die
Kammer 330 weitergeleitet wird, wie durch den Pfeil gezeigt,
der mit „Kältem. hinein" gekennzeichnet ist.
Das Kühlmittel
dehnt sich aus, wenn es ein komprimiertes Gas ist, oder ändert seinen
Zustand zu einem Gas, wenn es flüssig
ist, wodurch die Übertragungsleitung 332 und
ihr Inhalt gekühlt
werden. Das ausgedehnte Kühlmittel
im Gaszustand wird aus der Kammer 330 abgelassen, wie durch
den Pfeil gezeigt, der mit „Kältem. hinaus" gekennzeichnet ist,
und wird zum Kompressor 334 zurückgeleitet. Ein Kapillarrohr 338 kann zwischen
dem Kondensator 336 und der Kammer 330 angeordnet
sein, um den Durchfluss zu verringern, der in den Wärmetauscher 330 eingeleitet
wird.
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Obwohl
das Unterkühlersystem
aus 6 eine effektive Kühlleistung bereitstellen kann,
kann es verglichen mit dem Unterkühlsystem aus 7 ebenfalls
voluminös
und laut sein und Wärme
abstrahlen. Unter Bezugnahme auf 7A umschließt ein isoliertes
Gehäuse 340 (wie
die Kammer 330) einen spiralförmigen Abschnitt einer Kühlmittelzuführleitung 342,
die, wie oben beschrieben, zu einem medizinischen Instrument (nicht
gezeigt) führt.
Die Kühlmittelzuführleitung 342 steht
mit einem Kühlmittelbehälter 348 (wie
beispielsweise in Flaschen abgefülltes
flüssiges
N2O) in Kommunikation, damit Kühlmittel
in das Gehäuse 340 geleitet
werden kann. Es ist ein Auslass 350 bereitgestellt, der
in Kommunikation mit einer Vakuumquelle 351 steht, um Kühlmittel
aus dem Behälter 340 abzulassen,
woraufhin es zu einem Ausspülsystem
geleitet wird. Die Kühlleistung kann
mit einem Kühlmitteldurchflussregler 352 gesteuert
werden, der auf einen Temperatursensor 354 innerhalb des
Gehäuses 340 ansprechen
kann, der ein Signal an einen Temperaturregler 355 ausgibt, der
den Durchflussregler 352 steuert. Wie oben erörtert, kann
Kühlmittel
oder Kältemittel
in einer flüssigen
Phase oder einer gasförmigen
Phase bereitgestellt werden, wobei 7B beispielsweise
ein Enthalpiediagramm (bei dem dargestellt wird, dass Kältemittel
in der flüssigen
Phase bereitgestellt wird) für das
System ist, das in 7A veranschaulicht ist. Alternativ
stellt das in 5C gezeigte Enthalpiediagramm
(bei dem dargestellt wird, dass Kältemittel in der gasförmigen Phase
bereitgestellt wird) die Phasen des Kühlmittels entlang des Strömungspfades dar.
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Es
wird auf 7C Bezug genommen, die eine
schematische Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Unterkühlers gemäß der Erfindung ist.
Die Kammer 360 ist mit einem Auslass 364 dargestellt.
In der Kammer 360 ist eine Leitung 366 mit einem
ersten Ende 367 und einem zweiten Ende 369 vorgesehen,
die einen Fluidströmungspfad
für ein Kühlmittel
oder Kältemittel
abgrenzt. Die Leitung 366 grenzt einen Einlass 362 ab.
In der Praxis wird ein Kältemittel
dem ersten Ende 367 zugeführt, das daraufhin durch den
Körper
der Leitung 366 zu dem zweiten Ende 369 fließt. Nachdem
das Kältemittel
in die Leitung 366 eingetreten ist, wird über den
Einlass 362 ein Teil des Kältemittels in die Kammer 360 geleitet,
wobei sich das Kältemittel
daraufhin ausdehnt, um dadurch die Kammer 360 und wiederum
die Leitung 366 zu kühlen.
Das ausgedehnte Kältemittel wird
daraufhin über
den Auslass 364 aus der Kammer 360 abgelassen.
Die Durchflussmenge durch den Einlass 362 kann, wie hierin
erörtert,
durch die Größe des Einlasses 362 sowie
durch Strömungssteuerventile
(nicht gezeigt) geregelt werden. Der Durchmesser des Einlasses 362 kann
von 2,54 × 10–4 bis
762,0 × 10–4 cm
(0,0001 bis 0,03 Zoll) reichen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
betätigt
der Durchmesser des Einlasses 362 50,8 × 10–4 cm (0,002
Zoll). Die Unterkühlungsrate,
die in der Kammer 360 ausgeübt wird, kann geregelt werden,
indem die Durchflussmenge des Auslasses 364 eingestellt wird.
Durch Verringern der Durchflussmenge am Auslass 364 wird
die Menge des Kältemittels,
das über
den Einlass 362 in die Kammer 360 eintritt, verringert
und die Unterkühlung
reduziert. Des Weiteren wird in Betracht gezogen, dass die Position
des Einlasses 362 entlang der Leitung 366 variiert
werden kann, beispielsweise kann der Einlass 362 näher am zweiten
Ende 369 als in 7C gezeigt
bereitgestellt werden. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, dass die
Position des Auslasses 364 entlang der Leitung 360 variiert
werden kann, beispielsweise kann der Auslass 364 näher am ersten
Ende 367 als in 7C gezeigt
bereitgestellt werden. Bei einer alternativen Konfiguration, bei
der ein Kältemittel
dem Unterkühler
in einer flüssigen
Phase bereitgestellt wird, ist es vorteilhaft, den Einlass 362 nahe
am ersten Ende 367 und den Auslass 364 nahe am
zweiten Ende 369 anzuordnen. Wenn das Kältemittel alternativ dem Unterkühler in
einer Gasphase zugeführt
wird, ist es vorteilhaft, den Einlass 362 nahe am zweiten
Ende 369 und den Auslass 364 nahe am ersten Ende 367 bereitzustellen.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Unterkühler, der in 7C gezeigt
ist, in Systemen, die in 4A, 5A, 7A, 9 und 10 gezeigt sind,
sowie in anderen derartigen Systemen verwendet werden kann.
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Es
wird auf 7D Bezug genommen, die eine
schematische Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform
eines Unterkühlers
ist, der ausführlicher
gezeigt ist. 7D veranschaulicht eine andere
Kühlsystemkonfiguration,
die dem System mit geschlossenem Regelkreis entspricht, das in 5A gezeigt
ist, mit einer anderen Unterkühlerposition,
wobei sie des Weiteren die beispielhafte Unterkühleranordnung aus 7C umfasst.
Kältemittel wird
dem System von einem Behälter
oder einer Kartusche 516 in im Wesentlichen flüssigem Zustand oder
in im Wesentlichen gasförmigem
Zustand zugeführt,
wie oben ausführlich
erörtert.
Das Kältemittel wird
durch ein Filter oder einen Verunreinigungsentferner 518 (optional)
und daraufhin zu einer Verbindung 519 geleitet. Eine Verzweigung
der Verbindung verläuft
durch ein Belüftungssystem 521 und
die andere Verzweigung verläuft
durch den Unterkühler 520.
Der Unterkühler 520 kühlt das
Kältemittel
auf eine Temperatur, die veranlasst, dass das Kältemittel im flüssigen Zustand
vorliegt, bevor es zu einem Katheter 522 weitergeleitet
wird. Die Anordnung, die in 7D gezeigt
ist, hat den zusätzlichen
Vorteil, dass eine Anordnung des Unterkühlers innerhalb der Zubehörgeräte, die
sich extern von dem Bedienungspult befinden, ermöglicht wird, wie beispielsweise
in einem Anschlusskasten, wie in 10 unten
gezeigt, in einer Kathetergriffbaugruppe oder in einer anderen derartigen
Vorrichtung, die sich zwischen dem Katheter und dem Bedienungspult
befindet.
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Die
Funktion des Systems, das in 7D gezeigt
ist, entspricht der, die oben beschrieben ist. Es wird in Betracht
gezogen, dass die Ausführungsform
des Unterkühlers,
die in 7C gezeigt ist, in jedem der
anderen Systeme verwendet werden kann, die hierin erörtert werden.
Des Weiteren wird in Betracht gezogen, dass die physikalische Anordnung der
einzelnen Komponenten der Auslegung, die in 7D gezeigt
ist, sowie anderen Anordnungen, die hierin offenbart werden, entsprechen
kann.
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Unter
Bezugnahme auf 8A ist noch eine andere Konfiguration
eines Unterkühlers,
die nicht der Erfindung entspricht, zusammen mit einem Steuersystem
für den
Unterkühler
veranschaulicht. Wie bei den oben beschriebenen Konfigurationen
zeigt diese Veranschaulichung eine Kammer 360 mit einem
Einlass 362 und einem Auslass 364 und stellt einen
Strömungspfad
für Kältemittel,
wie beispielsweise Distickstoffoxid oder ein anderes Fluid, bereit. Eine
Leitung 366, die einen zweiten Fluidströmungspfad für dasselbe Kältemittel
abgrenzt, führt
durch die Kammer 360 und steht mit einer Kältemittelzuführung, die
stromaufwärts
von der Kammer angeordnet ist, und einer medizinischen Einrichtung,
die stromabwärts
von der Kammer angeordnet ist, in Fluidkommunikation. Wie gezeigt,
kann ein Fluidströmungsteiler 368 ermöglichen,
dass eine gemeinsame Kältemittelquelle
für die
Versorgung der Kammer 360 und der Leitung 366 verwendet
wird.
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Ein
programmierbarer Kontroller 370 steht mit einem oder mehreren
Ventilen, wie beispielsweise einem ersten Ventil 372, in
Kommunikation und steuert diese, um die Strömung von Kühlmittel durch die Leitung 366 und
in die medizinische Einrichtung als Reaktion auf ein programmiertes
Kühlprofil
und als Reaktion auf Sensorausgaben von dem Katheter zu regeln.
Zusätzlich
kann der Kontroller 370 dazu verwendet werden, ein zweites
Ventil 374 zu steuern, um die Strömung von Kühlmittel durch die Kammer 360 als
Reaktion auf eine erfasste Temperatur innerhalb der Kammer zu regeln.
Beispielsweise kann der Kontroller 370 einen Arbeitszyklus
einrichten, der das zweite Ventil 374 im Verlauf der Zeit
wiederholt öffnet und
schließt.
Wenn die Temperatur in der Kammer 360 ansteigt, kann das
zweite Ventil 374 öfter
geöffnet
und geschlossen werden. Wenn die Temperatur in der Kammer im Gegensatz
dazu zu stark abfällt, kann
das zweite Ventil 374 seltener zyklisch betätigt werden.
Ein anderes Beispiel umfasst das Einrichten eines Arbeitszyklus,
um die Temperaturanstiege und -abfälle an der Behandlungsstelle
spezifisch zu regeln. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt,
die Gefrier- und Tauraten präzise
steuern zu können, wenn
ein Verfahren, wie oben beschrieben, durchgeführt wird. Durch Erfassen der
tatsächlichen
Temperaturen und Einstellen des Öffnens
und Schließens der
Systemventile kann die Anwendung spezifischer Temperaturverläufe erreicht
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 8B ist noch eine andere Konfiguration
für einen
Unterkühler,
der nicht der Erfindung entspricht, zusammen mit einem Steuersystem
für den
Unterkühler
veranschaulicht. Die Funktion des Unterkühlers wird durch einen thermoelektrischen
Kühler 400,
wie beispielsweise einen Peltier-Kühler, bereitgestellt, dessen
Betrieb in der Technik bekannt ist. Der thermoelektrische Kühler weist
eine warme Seite 420 und eine kalte Seite 440 auf.
Benachbart zur kalten Seite 440 des thermoelektrischen
Kühlers 400 und
in wärmeleitfähiger Kommunikation
mit derselben ist eine Leitung 466 bereitgestellt. Ein
Zusatzkühler 460 ist
benachbart und in wärmeleitfähiger Kommunikation
mit der warmen Seite 420 des thermoelektrischen Kühlers 400 bereitgestellt.
Die Leitung 466, der thermoelektrische Kühler 400 und
der Zusatzkühler 460 sind
von einem Gehäuse 480 umgeben.
Der Zusatzkühler 460 ist
mit einer externen Kühlquelle 500 verbunden,
die jede der hierin offenbarten Kühlanordnungen sein kann, oder es
können
andere derartige Vorrichtungen, wie beispielsweise ein Kompressorsystem,
wie in 6 gezeigt, verwendet werden.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung erörtert, die in 8B gezeigt
ist. Wenn der thermoelektrische Kühler aktiviert wird, wird die
Temperatur der kalten Seite 440 verringert, wodurch die Temperatur
der benachbarten Leitung 466 verringert wird, wodurch wiederum
die Temperatur des Kältemittels
verringert wird, das durch die Leitung 466 strömt. Des
Weiteren steigt die Temperatur der warmen Seite 420. Die
Kühlquelle 500 stellt
dem Zusatzkühler 460 Kälteenergie
bereit, der dadurch die benachbarte warme Seite 420 kühlt. Durch
Kühlen
der warmen Seite 420 wird von dem Gehäuse 480 Wärme abgeleitet
und die Kühleffizienz
des Zusatzkühlers 460 erhöht. Wie
oben beschrieben, ist es wünschenswert,
der Leitung 466 eine verringerte Temperatur bereitzustellen,
um dadurch jegliches Kältemittel
oder Kühlmittel,
das durch die Leitung 466 fließt, zu verflüssigen.
Des Weiteren wird in Betracht gezogen, dass die warme Seite 420 durch
herkömmlichere
Mittel, wie beispielsweise Luftbewegungen an der warmen Seite 420 vorbei,
gekühlt
werden kann. Zusätzlich
kann ein Kühlkörper in
Wärmekommunikation
mit der warmen Seite 420 bereitgestellt werden, um die
Kühleffizienz
zu steigern. Basierend auf der Offenbarung der vorliegenden Erfindung
ist Fachleuten der Betrieb derartiger Vorrichtungen leicht ersichtlich.
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Wie
oben erörtert,
besteht ein bedeutender Vorteil, den die vorliegende Erfindung bereitstellt,
darin, dass Unterkühlsysteme
innerhalb des Bedienungspults 120 oder seiner Zubehörgeräte 115c anstatt
im Katheter oder im Kathetergriff (der Teil, der von dem Chirurgen
gehalten wird, um den Katheter zu manövrieren) angeordnet werden
können.
Somit soll der Begriff „Bedienungspult", wie er vom Anmelder
verwendet wird, jede beliebige Komponente bezeichnen, die nicht
Bestandteil des wirksamen Geräts
ist. Bei den gezeigten Systemen kann das „Bedienungspult" beispielsweise als
all das angesehen werden, was verschieden vom Katheter oder vom Griff
ist. Veranschaulichungen dieses Merkmals sind in 9A, 9B und 10 gezeigt,
wobei 9B beispielhafte Unterkühlsystemkomponenten 380 veranschaulicht,
die in ihrer Gesamtheit innerhalb des Bedienungspults 120 angeordnet
sind. 10 veranschaulicht ein System,
bei dem ein Unterkühler 382 innerhalb
eines ECG-Anschlusskastens 384 angeordnet ist. Obwohl der
Unterkühler 382 für eine Kühlung, wie
sie oben beschrieben ist, konfiguriert werden kann, kann er jede
andere bekannte Kühlvorrichtung
umfassen, die innerhalb eines Zubehörgeräts, wie beispielsweise eines
ECG-Anschlusskastens, angeordnet werden kann.
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Die
Erfindung wurde somit in veranschaulichenden Ausführungsformen
hierin offenbart und beschrieben und Veränderungen und Modifikationen sowie
Anpassungen der Erfindung an andere Systeme sind Fachleuten ersichtlich,
wobei alle derartigen Veränderungen,
Modifikationen und Anpassungen innerhalb des Bereichs der Erfindung
liegen, wie sie hierin beschrieben wurde und in den hieran angehängten Ansprüchen definiert
ist.