термоэлектрическое полупроводниковое устройство для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека

Формула изобретения

Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для теплового воздействия на передний отрезок глазного яблока человека, содержащее контактную головку из материала с высокой теплопроводностью, выполненную по форме глазного яблока, пару термоэлектрических модулей с расположенным между ними тепловым демпфером, подключенных к блоку контроля и регулировки, вход которого соединен с резистивными датчиками, отличающееся тем, что тепловой демпфер расположен между горячими спаями воздействующего термоэлектрического модуля и дополнительным термоэлектрическим модулем и выполнен в виде полого металлического цилиндра, наполненного веществом, температура фазового перехода которого равна температуре термостабилизации горячего спая воздействующего термоэлектрического модуля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в офтальмологии.

В офтальмологической практике издавна широко используется влияние низких положительных температур при лечении различных заболеваний (холодные примочки, пузырь со льдом и др.).

Следует отметить, что наряду с положительными низкими температурами в настоящее время широко используется и отрицательная температура. В литературе [1] описан ряд экспериментов с температурой от -20 до -190^oС с экспозицией 5-20 с. Наряду с гистологическими исследованиями установлено, что воздействие холода на ткани глаза в широком температурном диапазоне и кратковременной экспозиции не вызывает стойких изменений в склере, конъюнктиве, стекловидном теле, однако, лучшее действие для возникновения прочной хориоретинальной спайки оказывает более низкая температура с менее длительной экспозицией.

Из анализа большого числа экспериментальных работ выяснилось [1], что применение локальной гипотермии по своему воздействию на ткани глаза изучено в различных аспектах: длительности экспозиции, вида охлаждающего вещества и температурного режима, значения формы, веса, величины рабочей части инструмента, места приложения низкой температуры, воздействия холода на патогенную флору и др. Установлена прямая зависимость между кратковременностью экспозиции действия холода и применением низкой до -79^oС и сверхнизкой до -190^oС температуры. Выявлены терапевтический эффект локальной гипотермии без повреждающего действия холода на окружающие ткани глаза и при некоторых повреждениях роговой оболочки; гипотензивный - в случаях воздействия холода на цилиарное тело; возможность образования хориоретинальной спайки при криоретинопексии. Этими данными, подтвержденными морфологическими исследованиями и клиническими наблюдениями, обосновано внедрение гипотермии в офтальмологию.

Некоторые авторы отмечают перспективу локальной гипотермии в офтальмохирургии в области сосудистой патологии при аневризмах, ретините, гемангиоматозе, болезни Коатса и других, в лечении туберкулеза радужки, сосудистых бельм, для профилактики развития сосудов после кератопластики, в лечении химических ожогов роговицы и др.

К сожалению, следует отметить отсутствие в офтальмологической практике удобного устройства, позволяющего проводить направленное воздействие, как теплом, так и холодом, на оболочки переднего отрезка глазного яблока человека. Существующие на данное время устройства можно разбить на два типа. Первый - это уже отмеченные выше всевозможные холодные примочки, пузыри со льдом, грелки и др. Ко второму типу относится криоинструмент, работающий по принципу предварительного охлаждения рабочей части каким-либо хладагентом (жидкий азот, углекислота) и дальнейшего применения, пока инструмент не изменил свою температуру при контакте с окружающей средой. Недостатками и тех и других устройств являются неточность поддержания температуры и неудобство работы обслуживающего персонала.

Известно устройство для офтальмотермометрии [3], содержащее контактную головку из материала с высокой теплопроводоностью, форма которого повторяет форму глазного яблока пациента, тепловой демпфер в виде металлического цилиндра из материала с высокой теплоемкостью, систему измерения разности температур контактной головки и теплового демпфера в виде присоединенного к ним своими спаями термоэлектрического модуля и микровольтметр, регистрирующий разность потенциалов на термоэлектрическом модуле. Недостатком устройства является то, что оно не предназначено для температурного воздействия на глаз пациента, а также малая точность обеспечения температуры воздействия.

Для повышения точности и надежности локального температурного воздействия предлагается устройство, содержащее контактную головку из материала с высокой теплопроводностью, форма которого повторяет форму глазного яблока пациента, воздействующего и дополнительного термоэлектрических модулей с расположенным между ними тепловым демпфером, представляющим собой полый металлический цилиндр, наполненный веществом, температура фазового перехода которого равна температуре термостабилизации горячего спая воздействующего термоэлектрического модуля, подключенных к блоку контроля и регулировки, вход которого соединен с резистивными датчиками.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Устройство состоит из контактной головки 1, выполненной из инертных высокотеплопроводных материалов, допускающих общепринятые способы ее стерилизации, воздействующего термоэлектрического модуля 2, опорного теплового демпфера 3 в виде полого металлического цилиндра, наполненного веществом, температура фазового перехода которого равняется температуре термостабилизации горячего спая воздействующего термоэлектрического модуля 2, дополнительного термоэлектрического модуля 4, назначение которого состоит в отводе избытка тепла от теплового демпфера 3. Для отвода тепла от вторых спаев дополнительного термоэлектрического модуля 4 используется воздушный радиатор 5, который крепится к ручке 6. С конца ручки при помощи электрического разъема 7 выводятся проводные соединения с датчиков 8 на вход блока контроля и регулировки 9, а с его выхода - на термоэлектрические модули 2 и 4. Для электроизоляции термоэлектрических модулей 2 и 4 от контактной головки, теплового демпфера и радиатора проложены теплопроводящие керамические прокладки 10. Для термоизоляции от окружающей среды термоэлектрические модули 2 и 4 по бокам окружены термоизолирующей прокладкой 11.

Принцип работы предлагаемого устройства следующий. После предварительной анестезии передней поверхности глазного яблока закапыванием 0,5-1,0% раствора дикаина в конъюнктивальную полость, контактная головка 1 вводится в плотный контакт с глазным яблоком пациента. Лечащий врач задает на блоке контроля и регулировки 9 температуру, которой осуществляется воздействие на глаз. Подачей тока питания с блока контроля и регулировки 9 на воздействующий термоэлектрический модуль 2 осуществляется регулировка температуры контактной головки 1. Тепловой демпфер 3 и дополнительный термоэлектрический модуль 4 служат для точной регулировки температуры вторых спаев воздействующего термоэлектрического модуля 2, что необходимо для достижения точности поддержания температуры контактной головки 1. Суть использования подобного теплового демпфера состоит в следующем [2]. Известно, что фазовый переход кристаллических веществ происходит при строго определенном значении температуры. Это значение у некоторых кристаллических материалов находится в диапазоне 30-50^oС (например, у галлия 30^o). Если поместить в непосредственный тепловой контакт с таким материалом, находящимся в состоянии фазового перехода, тепловыделяющий элемент, то можно осуществить его термостабилизацию с очень высокой точностью. При этом возникает проблема отвода тепла, выделяемого элементом, от термостабилизирующего вещества, находящегося в состоянии фазового перехода. В предлагаемом решении такой отвод избытка тепловыделений осуществляется посредством дополнительного термоэлектрического модуля 4.

Термостабилизация горячих спаев воздействующего термоэлектрического модуля 2, осуществляемая в предлагаемом устройстве, позволяет повысить точность теплового воздействия. Это обусловлено характером зависимости температуры холодных спаев термоэлектрического модуля от температуры горячих спаев. Выражение для определения температуры холодных спаев Т₀ при заданной температуре горячих спаев Т выглядит следующим образом:



где Q₀ - холодопроизводительность термоэлектрического модуля, k - теплопроводность термоэлементов, R - электрическое сопротивление термоэлементов, I - ток питания, - коэффициент термоЭДС, n - число термоэлементов.

Из этого соотношения следует, что в частности, для области температур Т= (30050) К изменение температуры холодных спаев термоэлектрического модуля составляет примерно половину отклонения температуры горячих спаев, то есть T₀0,5T. Таким образом, если температура горячих спаев поддерживается с точностью до 1%, то температура холодных до 0,5%.

Введение в устройство демпфера 3 позволяет в значительной степени повысить точность термостабилизации горячих спаев воздействующего термоэлектрического модуля 2 и, соответственно, точность локального теплового воздействия на глаз.

Поддержание вещества в состоянии фазового перехода контролируется с помощью резистивных датчиков 8.

Отвод тепла со вторых спаев дополнительного термоэлектрического модуля 4 осуществляется при помощи воздушного радиатора 5. Датчики температуры 8 служат для контроля над процессом теплового воздействия на глаз и поддержания температуры в заданных пределах. В случае аварийного выхода температуры за границы заданного диапазона блок контроля и регулировки 9 выключает ток питания и подает звуковой сигнал.

Для удобства хранения и эксплуатации, соединение устройства с блоком контроля и регулировки 9 выполнено разъемным.

Применение ЭВМ совместно с блоком контроля и регулировки 9 позволит проводить процесс воздействия по заданной программе, чередовать воздействие теплом и холодом, использовать данное устройство для диагностики различных офтальмологических заболеваний и т.д.

Источники информации

1. Золотарева М.М., Чвялева К.И., Василевич А.И. Гипотермия глазных заболеваний. /Минск: "Беларусь" 1979, 112 с.

2. Алексеев В.А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. М.: Энергия, 1975.

3. Патент RU 2157081 "Термоэлектрическое полупроводниковое устройство для офтальмометрии" Исмаилов Т.А. и др.