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CN109803697A - 用于在医疗装置中对液体进行通流调温的装置和方法 - Google Patents

用于在医疗装置中对液体进行通流调温的装置和方法 Download PDF

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CN109803697A CN201780059885.4A CN201780059885A CN109803697A CN 109803697 A CN109803697 A CN 109803697A CN 201780059885 A CN201780059885 A CN 201780059885A CN 109803697 A CN109803697 A CN 109803697A
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Abstract

本发明涉及一种对医用冲洗液进行通流调温的装置以及一种借助这个装置实施的方法。

Description

用于在医疗装置中对液体进行通流调温的装置和方法
已为吾人所知的是，在内窥镜(例如关节镜、(腔内)泌尿外科或者宫腔镜)的各种医疗方法中，需要对体腔进行冲洗。在此情形下，通常借助诸如滚压泵的泵将冲洗液泵送入体腔。事实证明有利的是，在应用中根据体温对冲洗液进行补偿，从而例如在(腔内)泌尿外科和宫腔镜中避免患者身体的局部低温。在现有技术中已为此揭示过各种解决方案(例如US 6,480,257、US 8,790,303、US 7,153,285、US 2003/0216689 A1)，但这些解决方案具有不同的缺点。在关节镜中，有利的方案是通过冲洗液对关节进行冷却，以减小发炎过程、避免出血、以及/或者在手术期间降低局部代谢活性。
本发明的标的是一种新的装置，其旨在克服现有技术的各种缺点。
因此，本发明的标的是一种用于对医用冲洗液进行通流调温的装置，
包含
热交换体，其具有至少一个输入端和输出端，具有相应的软管接头，
其中所述热交换体通过其热交换体壁构成闭合的空腔，
其中至少一个热交换体壁能够实现良好的热传导(传热系数>1W/(cm2K))，
其中所述热交换体具有两个流径，其中一个流径不与调温元件发生热接触(“旁路”)，
其中所述热交换体壁能够至少局部地可逆式变形，故流径能够根据变形得到控制，
此外还包含至少一个与该热交换体匹配的面调温元件，
其中所述面调温元件整合在具有开口的壳体中，
其中根据权利要求1，所述具有良好热传导特性的热交换体壁在工作位置中与面调温元件发生接触。
下面对本发明的有利技术方案进行说明，这些技术方案是从属权利要求的标的。
本发明的装置故而由热交换体和平面式调温元件构成，该热交换体例如采用被待调温液体流过的盒子的形式，且该调温元件与热交换体的形式匹配。
在本发明的优选实施方式中，将待调温液体从室温加热至体温，例如从20℃加热至37℃。在此情形下，所述平面式调温元件建构为面加热元件。
在本发明的一个替代性实施方式中，将待调温液体从室温开始冷却，例如从20℃冷却至3-5℃。在此情形下，所述平面式调温元件建构为面冷却元件。下面对这个备选实施方式进行详细说明。
所述热交换体可以具有不同的几何形状。如附图所示，优选实施方式为扁平长方体的形状。该长方体的内部大体是空心的，并且能够容置冲洗液。长方体在一个位置上具有入口，在另一位置上具有出口。入口和出口可如图2所示设置在长方体面上。通过使液体流入入口为热交换体填充液体，直至液体在出口处重新流出。出口的工作位置优选高于入口，使得原本含有的空气能够更加轻松地逸出。作为替代方案，所述热交换体也可以具有其他几何形状，例如圆形、椭圆形、六边形、八边形等。
所述热交换体优选是用塑料制成，例如采用聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或这些塑料的混合物。其中这些塑料也可以经陶瓷粉末填充。此外，可以用金属、特别是金属箔(例如铝箔)来制造热交换体。热交换体的单个组件也可以由不同的材料构成。在此情形下，至少一个热交换体壁是以确保良好热传导的方式制造。这个壁部(也称作导热壁)的传热系数应至少为1W/(cm2K)，优选大于2.5W/(cm2K)。
“传热系数α”是指一个系数，其将界面范围内的每个单位面积的热输运(P＝ΔQ/Δt)描述为界面的两侧之间的温差的根据以下方程的函数。
P＝α·ΔA·ΔT
据此，所有导热材料基本上都适用。在此优选使用金属箔，特别优选使用铝箔。作为替代方案，也可以使用经陶瓷粉末填充的塑料。优选将热交换体的最大面用于热传导，例如扁平长方体的顶面或基面。在特殊的实施方式中，也可以有数个面采用这种设计，例如长方体状热交换体的顶面和基面。
根据本发明，所述热交换体包含两个流径。通过加热元件对热交换体的大部分进行加热，而同时能够实现“旁路”，液体能够从输入端经过这个旁路以不受加热的方式直接流动至输出端。可以通过热交换体底部的形式在热交换体内构成该旁路，例如如图2所示。作为替代方案，可以在热交换体外构成该旁路，例如通过平行于热交换体延伸的软管实现。在这个实施方式的任何情形下，均设有诸如阀门(例如采用挤压阀的形式)的调节装置，其将液流或是导入主腔，或是导入旁路。所述旁路优选在热交换体内经过一个不与下文描述的面调温元件发生接触的区域(参阅图2)。特别是在流动非常不均匀的应用中，借助这个实施方式能够快速且高效地对冲洗液的输出温度进行调节。在例如因暂时的流动停止而导致腔室中的流体温度过高的情形下，可通过旁路针对性地添加未经加热的冲洗液，从而将输出温度保持在恒定水平。此外，也可以借助这个实施方式来实现输出温度的足够的调节速度，从而即使是在流率大幅波动的情况下也确保可靠的温度调节。
为了对经过热交换体和旁路的液流进行控制，热交换体的部件可以由弹性材料(例如硅胶)制成，以便(如同挤压阀那样)借助整合至加热装置壳体的致动器对经过热交换体或旁路的液流进行调节。视使用的壁材料而定，通过局部地削弱材料强度或(例如如波纹管那样)进行材料成型，可能便足以在实现可逆的可变形性的情况下确保必要的柔性。所述致动器优选是如此调节，使得在静止状态下，在发生失效或故障时流过旁路，而不流过加热区段。这样便能确保：流体在任何情形下均不会在过热的状态下被输入患者。
根据本发明，将本文开篇所述的热交换体与经对应调整的调温元件(例如加热元件)配合使用。所述加热元件具有特定形状，从而能够对热交换体的至少一个壁部进行平面式加热。此类表面式加热薄膜形式的加热元件在市面上有售，并且由大多为单层且平面式设置的欧姆加热绕组构成，该加热绕组嵌入例如由硅胶或聚酰亚胺(商标名)构成的绝缘塑料薄膜。
作为替代方案，所述加热元件也可以建构为具有被压入陶瓷粉末(＝电绝缘)中的线状发热体的加热面，这个加热面又被压入金属外套筒/壳体。
在与诸如加热薄膜的加热元件发生紧密热接触处，可在一或数个位置上设置温度传感器，用以测量加热薄膜的温度以及实施基于测量的温度调节。
根据一个特殊的实施方式，这个加热薄膜也可以由PTC正温度系数热敏电阻器制成，随着温度升高，该电阻器的电阻增大。这样一来，视情况而定可以不采用温度调节，因为随温度升高而增大的电阻引起热功率降低。这类PTC正温度系数热敏电阻和对应的调节系统是现有技术，在此不再赘述。
所述加热元件优选设置在可具有任意外形的壳体的内部。对于本发明的应用而言的决定性因素是用于容置所述热交换体的壳体开口，其例如采用开缝的形式。理所当然地，所述开口就几何结构而言如此设计，使得热交换体能够插入该开口。在通过所述开口能够到达的空腔的一侧上，例如在底侧上，设有例如为加热薄膜形式的平面式加热元件。必须如此将上述热交换体插入开口，使得确保热传导的一侧与加热元件发生接触。通过调节热功率，能够对冲洗液的温度进行调节。
实践表明，优选自下而上对热交换体进行加热。其中，由于热对流而在热交换体中发生液体的热混合。在下文描述的对流体进行冷却的情形下，所述冷却元件优选设置在上部。原则上也可以采用热交换体的两个壁部(例如底面和顶面)由导热材料构成的方案，故也可以从两侧进行加热或者冷却。
在本发明的另一实施方式中，可以在壳体中既设置加热面也设置冷却面。这样便能视装置的设置而定进行加热或者冷却。
优选以尽可能避免热交换体的错误定位的方式设计述及的插入口的几何形状。为此，辅助符号或者颜色编码可能有帮助。
可以如下操作本发明的装置：
一个软管从包含医用冲洗液的储存容器通向热交换体的输入端。另一软管将热交换体的输出端与医用泵(例如滚压泵)的输入端连接。另一软管从泵的输出端出发通向医疗仪器、例如内窥镜。作为替代方案，本发明的设备也可以不采用泵，而是纯粹以重力输送工作；在此情形下，输出侧软管直接从热交换体通向仪器，其中所有其余的本发明的特征保持不变。将热交换体插入加热装置。借助冲洗泵将通过本发明的加热装置预热至期望温度(例如患者的体温)的液体导入患者的身体。
下面对本发明的优选实施方式进行说明：
所述热交换体优选建构为一次性物品，进而在一次性使用后被废弃处理。所述热交换体优选是由塑料(例如聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、醇化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或这些塑料的混合物)构成，该热交换体通过深拉成型。作为替代方案，当然也可以采用其他技术，例如注塑或者3D打印。这样便能通过经粘合或焊接的铝箔(厚度例如为20-90微米，优选为60微米)简单地将热交换体的顶侧覆盖。在一个优选实施方式中，在构成热交换体的内侧的一侧上用塑料层(例如1-5微米，优选2微米的聚丙烯)将所述铝箔覆盖。这样便能防止流体与铝的直接接触，而又不对必要的热传导造成干扰。
为了传递必要的热功率，热交换体的基面通常介于100与1600cm2(例如10乘10cm至40乘40cm)之间。
所述软管接头例如为注塑件或其他塑料成型件，并且优选是用与热交换体的基体相同的材料制成。将软管接头插入经对应准备的开口，并与热交换体焊接或粘合。作为替代方案，所述软管接头也可以通过深拉、挤出或者3D打印直接成型。
所述热交换体优选是扁平的，高度为5-20mm。所述壳体开口采用与此匹配的技术方案。所述壳体开口优选具有一定的尺寸，使得操作人员无法用手指伸入开口，以避免因灼伤引起的事故。
此外，可以通过热交换体和壳体开口的对应成型确保以正确的方式将热交换体置入壳体，例如借助略微偏离长方体形状并且带有对应壳体开口的梯形方案(图6上部)实现，或者通过以成型的方式在热交换体侧面上设置导杆(图6下部)并在壳体中建构对应的导引缝。作为替代或补充方案，施覆至热交换体和壳体的符号或者颜色编码能够避免误操作。
此外，所述调温装置优选包含用于检查冲洗液的输出温度的温度传感器。为此，例如可以将温度传感器整合至热交换体的输出端。
实践表明，在将铝箔用于热传导时，这个薄膜的热传导非常好，使得通过靠近热交换体的输出端定位的接触式温度计便足以足够精确地测量温度。这样一来，温度传感器可以是壳体的组成部分，并且可以重复使用。
在本发明的一个进一步方案中，所述壳体具有负压泵。通过在热传导侧产生负压，能够将热交换体压紧至调温元件，从而改善热传导。泵的吸入管接头位于加热元件的区域内。建议围绕平面式加热元件设置密封材料(例如环绕式密封绳形式的硅胶密封件)，从而轻松地保持负压。在本发明的这个实施方式中，在热交换体与加热或冷却面之间期望实现0.3-0.05bar、优选约0.1bar的压力。在这个压力下，以间距小于1μm的方式使得热交换体的导热壁(例如铝箔)贴近加热或冷却面。同时，在0.3-0.05bar的压力下实现卓越的热输运。
在本发明的另一实施方式中，热交换体内壁的一或数个内侧面包含构型，例如采用波纹状、锯齿状或鱼骨状的构型形式(图4)。实践表明，这种构型有助于经导引的液体的涡旋，进而有助于热交换体的流动和温度的热均匀性。特别优选对与具有热传导特性的壁部相对的内壁进行构型。
视热交换体的尺寸以及热交换体材料的弹性而定，在内部也可以安装有支撑元件(例如采用圆筒形式)，以避免热交换体的塌陷。所述热交换体壁也可以包含加固装置(例如肋部)。
建议采用以下方案：所述加热装置的平面式加热元件达到的最大温度略高于患者的低温(例如39℃)。出于安全性考虑，通过对应的温度传感器对平面式加热元件的温度进行监控。此外，通过温度传感器对冲洗液从热交换体的输出温度进行监控。如上文所述，这个温度传感器可以是热交换体的组成部分。出于成本原因，建议将该温度传感器建构为加热装置的组成部分，例如采用对铝箔表面温度进行测量的接触传感器的形式。
实践表明，为了优化调温，优选对经过热交换体的流量进行测量。在将本发明的装置与诸如医用滚压泵的泵相结合的情况下，测定泵的流率通常便已足够。在流率未经另行测定且不可用的情况下，本发明的装置也可适于同时测量流量。例如可以依据文丘里原理进行流量测量。为此，需要例如在液体输入端或液体输出端的区域内将流动横截面缩窄。通过测量(缩窄部中与缩窄部后的)差压，能够测定流量。为了测量压力，需要对应的传感器。其中，压力传感器可以直接整合至热交换体，即整合至其输入端或输出端。作为替代方案，可以在测点上设有柔性膜片，使用因壳体中的对应的压力吸收器引起的膜片偏转来测量压力。
作为替代方案，也可以以热力学方式测量流率：为此，需要在热交换体的适当位置上，例如在液体输入端或液体输出端的区域内设有温度传感器。紧邻温度传感器需要设有加热元件，例如电阻加热装置。加热元件可以持续或间断地进行加热，其中测定热功率。在加热元件的周边实现并且通过温度传感器测得的温度升高是与流率对应的尺度。在流率较高的情况下不会发生显著的温度升高，而在流率较低的情况下则通过温度计测出温度升高。这个流量测量方式的优点在于，加热元件和温度传感器均不必是热交换体的组成部分，而是通过与热交换体的表面的接触引起测量。这样便能以最简单且进而最廉价的方式制造热交换体。
本发明的装置能够将乃至800ml/min的水性冲洗液从室温(20℃)加热至38℃。
与现有技术相比，本发明的装置具有一系列优点。首先，本发明的装置能够简便地整合至现有的医疗设备。可将所述装置用作对现有(例如滚压泵的)泵送系统的补充，该系统通常能够继续工作。作为替代方案，本发明的装置也可以用作“独立”解决方案。在此情形下，液体从安装于高处的储存容器出发仅凭重力作用(“重力输送”)经过热交换体到达医疗仪器、例如内窥镜。
通过使用一次性热交换体，能够以简单的方式确保必要的安全性、特别是无菌性。其中热交换体的制造成本相对较低。
此外，通过本发明的装置仅对冲洗液的即将消耗的部分进行加热。借此，借助本发明的装置例如无需对整个冲洗液储存容器进行加热，而那会对溶液的温度性造成负面影响。
尤其是借助整合有旁路的实施方式，即使是在液流剧烈更迭的情况下也能实现对液温的高精度调节。
如上文所述，本发明的装置也可以用于通流冷却。这类冷却例如优选应用于关节镜，用以将患者的肿胀、出血和痛感减小至最低程度。为此，可以将冲洗液冷却至冰点以上数度(例如1-10℃，优选2-5℃)。在本发明的这个实施方式中，使用平面式冷却元件来替代平面式加热元件。在此，所述冷却元件可以是平面状的、压缩机操作的冷却器。作为替代方案，也可以使用制冷剂来进行冷却。在本发明的另一实施方式中，也可以使用珀尔帖元件。在包含这种珀尔帖元件的实施方式中，可以通过电流反向(极性转换)既实现冷却又实现加热。
如上文所述，热交换体的冷却优选以自上而下的方式进行。当然，也可以对长方体状热交换体的数个侧面、例如基面和顶面进行冷却。在上文中描述的本发明的替代性实施方式(例如温度测量和流量测量)也可以类似地应用于采用冷却的实施方式。“旁路”实施方案也可以以类似的方式实现，用以在必要情形下混入具有室温的冲洗液。
在本发明的另一可行的实施方式中，也可以从不同的两侧(例如基面和顶面)对热交换体进行加热和冷却。据此，例如可以在一侧(例如底侧)为壳体配备加热元件，并且在另一侧(例如顶侧)为壳体配备冷却元件。在使用具有两个导热壁的热交换体的情况下，可以视工作方式而定进行冷却或加热。视情况而定，甚至优选为本发明的设备配备冷却和加热能力，以便更快、更高效和/或精确地调节流体温度。
附图说明
图1为本发明的热交换体(1)的基本形状的俯视图(上)和透视图(下)。其中热交换体壳体大体呈长方体状，其中两个接头被示作流入口(2)或流出口(3)。
图2示出热交换体(1)的一个具有旁路(11)的特殊实施方式。在热交换体内通过间壁(7)将旁路与容积的其余部分隔开。所述热交换体在至少两个位置上具有可变形的元件(8，9)，其如挤压阀那样调节经过主体或旁路的流动。此外设有温度传感器，其测量输入端(6)或输出端(10)的温度。还示出依据文丘里原理的流量计：为此在入流部建构有缩窄部(4)。借助位于狭窄部位中或后的压力传感器(5)，能够通过测定差压计算液流。
图3示意性示出本发明的装置的使用：借助软管将贮液器导入热交换体，该加热体位于具有表面加热装置的壳体中。在热交换体的输出端上连接有另一通向滚压泵的软管。在该滚压泵的输出端上设有通向患者的仪器。该图明确地示出：本发明的装置适于以简单的方式充当对现有医疗设备的补充。
图4为具有锯齿形顶面(上)或波浪形底部(下)的热交换体的横截面图。通过流经这种热交换体，能够产生液体的涡旋，进而改善热传导。
图5为具有梯形形状(上)或以成型的方式设置的导杆(14)(下)的热交换体的横截面图。通过与采用互补设计的壳体开口相结合，能够可靠地避免误插入。
图6示出具有其他几何结构的热交换体，例如圆形(上)或六边形(下)。

Claims (12)

1.一种用于对医用冲洗液进行通流调温的装置，包含
热交换体，其具有至少一个输入端和输出端，具有相应的软管接头，
其中所述热交换体通过其热交换体壁构成闭合的空腔，
其中至少一个热交换体壁能够实现良好的热传导(传热系数>1W/(cm2K))，
其中所述热交换体具有两个流径，其中一个流径不与调温元件发生热接触(“旁路”)，其中所述热交换体壁能够至少局部地可逆式变形，故流径能够根据变形得到控制，
此外还包含至少一个与该热交换体匹配的面调温元件，
其中所述面调温元件整合在具有开口的壳体中，其中所述热交换体壁在工作位置中以实现良好热传导的方式与面调温元件发生接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述热交换体的大体呈长方体状的形状。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述确保热传导的壁部由铝箔构成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面式调温元件由加热薄膜构成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体具有至少一个接触式温度计，其在所述装置的工作位置中贴靠在所述确保热传导的壁部上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体具有真空泵，其在热交换体壁与调温元件之间产生负压。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，热交换体壁与调温元件之间的所述负压为0.05至0.3bar，较佳为0.1bar。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个热交换体壁具有表面构型。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述热交换体的内部通过热交换体底部的形式构成所述两个流径。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热交换体在输入端和/或输出端的区域内具有通流截面的缩窄部，其中在所述缩窄部中以及在该缩窄部前和/或后设有各一用于压力测量的测点。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体在处于工作位置中的热交换体的输入端和/或输出端的区域内具有至少一个用于以热力学方式测量流量的传感器，其中所述用于以热力学方式测量流量的传感器包含加热元件和温度传感器。
12.一种对医用冲洗液的液流进行通流调温的方法，其特征在于，以经过包含热交换体的装置的方式对医用冲洗液进行导引，所述热交换体具有至少一个输入端和输出端，具有相应的软管接头，
其中所述热交换体通过其热交换体壁构成闭合的空腔，
其中至少一个热交换体壁能够实现良好的热传导(传热系数>1W/(cm2K))，
其中所述热交换体具有两个流径，其中一个流径不与调温元件发生热接触(“旁路”)，其中所述热交换体壁能够至少局部地可逆式变形，故流径能够根据变形得到控制，
其中所述装置还包含至少一个与该热交换体匹配的面调温元件，
其中所述面调温元件整合在具有开口的壳体中，其中所述具有良好热传导特性的热交换体壁在工作位置中与面调温元件发生接触，
从而在通流期间对医用冲洗液进行调温。
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