DE2811974A1

DE2811974A1 - Einpflanzbare bimetallische temperaturfuehlereinrichtung

Info

Publication number: DE2811974A1
Application number: DE19782811974
Authority: DE
Inventors: Edward E Aslan
Original assignee: Narda Microwave Corp
Current assignee: Narda Microwave Corp
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-03-18
Publication date: 1978-12-07
Also published as: CA1093646A; FR2393283A1; JPS5434284A; US4182313A; FR2393283B1; GB1568655A

Description

NACHGEREICHT

THE NARDA MICROWAVE CORPORATION, Plainview, New York, VStA

Einpflanzbare bimetallische Temperaturf ühlereinrichtung

Die Erfindung geht aus von einer einpflanzbaren bimetallischen Temperaturfühlereinrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Temperaturfühlereinrichtung kann man in den Körper von Menschen oder anderen Lebewesen einsetzen.

Es ist erwiesen, daß Gewebe und Tumore in Lebewesen durch selektive Erhöhung der Temperatur zerstört werden können. Um die Zerstörung herbeizuführen, reichen bereits verhältnismäßig geringe Temperaturanhebungen aus. Wenn diese Technik zum Zerstören von Tumoren angewendet wird, ist sorgfältig darauf zu achten, daß eine Zerstörung oder Verletzung des angrenzenden Gewebes vermieden wird. Aus diesem Grunde ist es sehr bedeutend, daß die Temperatur des Tumors und des umgebenden Gewebes genau überwacht wird.

Obgleich die gewünschte Erwärmung in mannigfacher Weise vorgenommen werden kann, soll hier grundsätzlich der Fall betrachtet werden, daß dafür ein elektromagnetisches Feld verwendet wird. In der Gegenwart eines elektromagnetischen Feldes werden viele Temperaturfühlereinrichtungen entweder funktionsunfähig, oder sie stören das elektromagnetische Feld und beeinträchtigen damit nachteilig den Erwärmungsvorgang. In irgendwelchen leitfähigen Werkstoffen, gleichgültig ob geradlinig oder flächenhaft, werden bei Anordnung in einem elektromagnetischen Feld Hochfrequenzströme induziert. Diese Ströme erzeugen ein neues

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elektromagnetisches Feld, das das ursprünglich einfallende Feld ändert. Wenn man in der Temperaturüberwachungseinheit extrem hohe Widerstände verwendet, fließt nur ein vernachlässigbar kleiner Strom, so daß das einfallende Feld keine merkliche Änderung erfährt. Bei Verwendung einer Überwachungseinheit mit hoher Resistanz führen die induzierten vernachlässigbar kleinen Ströme auch lediglich zu einer geringen Verlustleistung, so daß die von der Überwachungseinheit erzeugte Wärmemenge vernachlässigbar isto

Es wurden bereits zahlreiche verschiedenartige Temperatursonden vorgeschlagene, Eine dieser Temperaturfühlereinrichtungen benutzt einen Flüssigkeitskristall, der am Ende eines optischen Faserbündels angeordnet ist und inner= halb eines begrenzten Bereiches Temperaturen messen kann» Da diese Sonde keine metallischen Komponenten aufweist, hat sie kaum einen Effekt auf die elektromagnetische Strahlung. Eine andere Temperaturfühlereinheit benutzt einen Thermistor und hochresistive Kunststoffleitungen. Die Thermistorresistanz wird dadurch abgefühlt, daß einem ersten Paar von Leitungen ein Konstantstrom aufgedrückt wird und die am Thermistor abfallende Spannung mit einem Verstärker hoher Impedanz gemessen wird_p der an ein zweites Leitungspaar angeschlossen ist_o Eine andere Fühlereinheit enthält eine integrierte Mikrovrellenschaltungselektrode mit einem Wandler, der mit Glas eingekapselt ist;, und mit äußerst dünnen Übertragungsleitung zur Hochfrequenz-Entkopplung.

Aufgabe der Erfindung ist es_s zur Temperaturmessung in vivo eine thermoelektrische Anordnung zu schaffen_s die die einfallenden elektromagnetischen Felder, die zur Bestrahlung des Gewebes angewendet werden₉ weder auslöscht noch stört.

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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Danach enthält eine einpflanzbare Temperatursonde vorzugsweise ein Dünnschicht-Thermopaar mit einem hohen spezifischen Widerstand auf einem dünnen dielektrischen Substrat, das an oder in einem starren dielektrischen Stab befestigt ist. Bei dem Stab handelt es sich vorzugsweise um eine Nadel. Die metallischen Elemente des Thermopaares werden über das hintere Ende des Stabes hinausgehend von einer flexiblen Verlängerung des Substrats getragen und gelangen dann zu einer Vergleichsstelle, die von einem Proportional-Thermostaten auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer nach der Erfindung ausgebildeten Temperatursonde,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Thermostaten, an den die Eingangs signale von drei Temperatur sonden angeschlossen werden können und der verstärkte Ausgangssignale zur Ansteuerung geeichter Meßinstrumente liefert,

Fig. 3 eine Darstellung eines typischen Meßinstruments mit drei Skalen zur Anzeige der Temperaturen von drei erfindungsgemäßen Sonden,

Fig. 4 und 5 die Halterung eines Thermopaares zur Verwendung als temperaturempfindliches Element in der erfindungsgemäßen Temperatürsonde,

Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der isolierte Stäbe mit halbkreisförmigem Querschnitt zur Bildung des Nadelabschnitts der Sonde verwendet werden,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein hohler, sich verjüngender Stab als Nadelabschnitt der Sonde verwendet wird,

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Fig. 8 eine schematische Darstellung des Nadelabschnitts der Sonde vor dem Zusammenbau zu einer vollständigen Einheit und

Fig. 9 eine Einzeldarstellung des Verbindungsteils am Ende einer erfindungsgemäßen Temperatursonde.

Die in der Fig. 1 gezeigte einpflanzbare Temperatursonde 10 enthält eine Nadel 11, die in das Gewebe eines Lebewesens eingepflanzt werden kann und als Träger für ein hochresistives Dünnfilm- oder Dünnschicht-Thermopaar dientj, das nahe bei der Nadelspitze 12 angeordnet ist„ Das stumpfe Ende der Nadel 11 ist mit einem starren isolierenden Kunst™ Stoffmaterial 13 geschützt, das mit einer flexiblen Kunststoff leitung 15 verbunden ist, die mit einer resistiven Abschirmung überzogen sein kann, um die Ausbildung statischer Ladungen zu verhindern. Die flexible Kunststoffleitung 15 hat eine hinreichende Länge, damit die Temperatursonde bequem verwendet werden kann_o Das nicht mit der Sonde verbundene Ende der Kunststoffleitung 15 ist an ein Maßgerät angeschlossen.

Aus' der Fig. 1 geht auch hervor, daß die von der Nadelspitze 12 aus nach hinten verlaufenden Anschlußdrähte 14 durch eine kapazitive Abschirmung 17 geführt sind, die in der Nähe eines Proportionalofens oder Thermostaten (Fig. 2) angeordnet ist. Von der kapazitiven Abschirmung 17 gelangen die Anschlußdrähte zu einem Steckerverbindungsteil 19, das im einzelnen in der Fig. 9 gezeigt ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Ofen oder Thermostaten 20, dem die Eingangssignale von drei Sonden der in der Fig. 1 dargestellten Art zugeführt werden können. Zu diesem Zweck sind an dem Thermostaten 20 Steckbuchsen 19a, 19b und 19c vorgesehen, in die jeweils ein Steckverbindungsteil 19 gesteckt werden kann» Die zugeführten Eingangssignale werden in Verstärkern 21a, 21b und 21c verstärkt und steuern dann

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Meßinstrumente 22a, 22b und 22c an. Der Proportionalofen oder Thermostat 20 stellt die Vergleichsstellentemperatur für das Thermopaar bereit. Dies wird unter Verwendung eines Thermistors 24 erreicht, der einen Operationsverstärker 25 ansteuert. Die gewünschte Temperatur wird mit Hilfe einer üblichen kalibrierten Temperatursenke 23 hergestellt. Der Verstärker 25 steuert über einen Rückführungstransistor 26 ein Heizelement 27 an, um die Temperatur innerhalb enger Grenzen zu halten. Bei einer typischen Betriebsweise bildet das Steckverbindungsteil 19 die Vergleichsstelle, und es wird auf einer konstanten Temperatur von etwa 41 ⁰C gehalten.

In der Fig. 3 ist eine Instrumententafel 30 dargestellt, die drei Temperatursonden der erfindungsgemäßen Art bedienen kann. Die Steckverbindungsteile 19 jeder Sonde wurden mit der Instrumententafel verbunden werden und dann mit dem in der Fig. 2 dargestellten Thermostaten, und zwar über die Buchsen 19a, 19b und 19c. Die Einstellung der kalibrierten Temperatursenke 23 kann mit Hilfe üblicher Einstellungsmaßnahmen erfolgen, beispielsweise durch Steuerung des Operationsverstärkers 25. Die Instrumententafel enthält einen Ein/Aus-Schalter 33, ein Ein-Signallicht 34 und ein Bereit-Licht 29, das über einen Verstärker 28 (Fig. 2) eingeschaltet wird, wenn der Thermostat seine gewünschte Temperatur erreicht hat. Für die drei Meßinstrumente 22a, 22b und 22c ist jeweils ein Kalibrierelement 32a, 32b oder 32c und ein Skaleneinstellschalter 31a, 31b oder 31c vorgesehen, um gewünschte Instrumentenbereiche auszuwählen. Mit Hilfe des Skaleneinstellschalters kann beispielsweise ausgewählt werden, ob der Vollausschlag 1 ⁰C oder 5 ⁰C entspricht. Die besondere Auslegung der Instrumententafel ist lediglich als Beispiel gedacht.

In der Fig. 4 ist das grundsätzliche temperaturempfindliche Thermopaar-Bauteil nach der Erfindung dargestellt.

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Ein flexibles Isoliermaterial 14, beispielsweise Kapton, bildet einen dünnen Film oder eine dünne Schicht in Form eines Substrats für metallische Elemente 41.und 42, die das Thermopaar bilden. Das Element 41 besteht typischerweise aus Antimon und das Element 42 aus Wismut.

Wie es aus der Fig. 5 hervorgeht, überlappen sich die beiden Elemente 41 und 42, die als dünne Schichten ausgebildet sind, an einer'zentralen Stelle 40, um die Meßstelle 43 des Thermopaares zu bilden. Diese Meßstelle befindet sich nahe bei der Spitze der fertiggestellten Anordnung, weil das Isoliermaterial 14, das das Substrat bildet, gefaltet wird, wie es aus der Fig. 4 hervorgeht. Die Anordnung ist so konstruiert, daß der spezifische Widerstand des vorderen Endes des Thermopaares hoch ist, und zwar in der Größenordnung von 50 Ohm pro Quadrat bei Leitungsbreiten von etwa 0,075 mm. Bei einer besonderen Ausführungsförm hatte der Wirkwiderstand oder die Resistanz der ersten 30 cm einen Nennwiderstand von 200000 0hm.

Da das bimetallische Material auf dem Substrat nicht hinreichend starr ist, muß es innerhalb einer Nadel angeordnet werden oder auf andere Weise verfestigt werden, so daß es möglich ist, die Meßstelle in den gewünschten Bereich einzusetzen oder einzupflanzen. In den Fig. 6 und 7 sind verschiedene Nadelkonstruktionen dargestellt. Die Fig. 6 zeigt eine Konstruktion aus zwei getrennten, konischen Bauteilen mit halbkreisförmigem Querschnitt, die einander gegenüberliegende ebene Flächen 61 und 64 aufweisen. Die Fig.. 7 zeigt ein geschlossenes konisches Bauteil 70 mit einer Öffnung 71, die das in der Fig. 4 gezeigte gefaltete Thermopaar aufnehmen kann.

Wenn man irgendeine der beiden in den Fig. 6 und dargestellten Konstruktionen verwendet, wird der flexible gefaltete Thermopaar-Träger innerhalb der Nadelspitze so

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verklebt, daß die Meßstelle 43 sich so dicht wie möglich bei dem spitzen Ende der Nadel befindet. Wenn man die getrennten halbrunden Bauteile nach der Fig. 6 verwendet, kann man die herausragenden Abschnitte des Thermopaar-Streifens abfeilen oder abschleifen, um über die gesamte Länge der Nadel eine gleichförmige Oberfläche vorzusehen. Es hat sich gezeigt, daß ein Saphirstab mit einem Durchmesser im Bereich von 0,25 mm ein guter Nadelwerkstoff ist. Eine geeignete Flexibilität und passende Isoliereigenschaften für das Substrat 14 haben Kapton oder ein Kunststoff.

Wie es aus der Fig. 1 hervorgeht, wird gemäß der Erfindung das flexible Substrat 14 mit den langgestreckten metallischen Elementen 41 und 42, die die resistiven Leitungen bilden, über die gesamte Länge der Sonde unbeeinträchtigt beibehalten. Das stumpfe Ende der Nadel weist vorzugsweise einen starren Schutz aus dem isolierenden Kunststoffmaterial 13 auf oder ist mit einem Rohr aus Teflon überzogen und verklebt. An diesen starren Teil der Sonde schließt sich eine flexiblere Leitung 15 an, die vorzugsweise mit einer resistiven statischen Ladungsabschirmung 16 überzogen ist und sich über die restliche Länge der Sonde erstreckt, beispielsweise mit einer Länge von 120 cm. An dem der Nadel gegenüberliegenden Ende der Sonde befindet sich die kapazitive Abschirmung 17, die beispielsweise aus Aluminium besteht und nahe beim Steckverbindungsteil 19 angeordnet ist.

Dem Steckverbindungsteil 19 kommt die grundsätzliche Funktion zu, die Signaleingabe zu dem in der Fig. 2 dargestellten Thermostaten vorzusehen. Dies muß so geschehen, daß der hohe Widerstand der Sonde selbst aufrechterhalten bleibt. Die Änderung des spezifischen Widerstands jeder der metallischen Elemente 41 und 42 muß so klein wie möglich sein. Eine bevorzugte Maßnahme zum Erreichen dieses

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Zwecks besteht darin, das metalltragende flexible Substrat 14 zwischen zwei halbkreisförmigen Bauteilen anzuordnen. Dazu wird auf die Fig. 9 Bezug genommen, in der diese Bauteile 91 und 92 dargestellt sind. Sie bestehen aus dem gleichen Material wie die metallischen Elemente 41 und 42, an denen sie anliegen. Wenn somit das metallische Element 41 aus Antimon besteht, ist auch das Bauteil 91 aus Antimon hergestellt. Gleichermaßen bestehen das metallische Element 42-und das Bauteil 92 aus Wismut.

Anstelle des flexiblen Substrats 14 als Träger bei der Spitze der Nadel 11 kann man nach der Erfindung die Konstruktion auch so treffen, daß die Metalle, die das Thermopaar bilden, auf den ebenen Oberflächen 62 und 64 der in der Fig. 6 dargestellten geteilten Saphirstäben im Vakuum niedergeschlagen oder auf eine andere Weise aufgebracht werden. Bei Anwendung dieser Herstellungstechnik wird dann vor dem Verkleben eine Isolierschicht zwischen den beiden Hälften angeordnet.

Die erläuterten Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen bezüglich der Abmessungen und der Materialien sind innerhalb der erfxndungsgemäßen Lehre möglich.

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Leerseife

Claims

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THE NARDA MICROWAVE CORPORATION, Plainview, New York, VStA

Patentansprüche

Einpflanzbare bimetallische Temperaturfühlereinrichtung mit einem Thermopaar, einer das Thermopaar tragenden starren Nadel, die zum Einsetzen in das Gewebe von Lebewesen dient, einer Meßvorrichtung und einer flexiblen Leitungsanordnung, die sich vom nicht spitzen Ende der Nadel aus erstreckt und einen Signalverbindungsweg zwischen dem Thermopaar und der Meßvorrichtung bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermopaar (41, 42) und die Nadel (11) Bauelemente hoher Resistanz darstellen und daß die Leitungsanordnung (15) ein resistives Material mit Eigenschaften enthält, die den Eigenschaften der Metalle des bimetallischen Thermopaares ähnlich sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel ein etwa konisches Bauteil darstellt, das aus einander gegenüberliegenden Hälften (61, 63) gebildet ist, und daß das Thermopaar (41, 42) zwei auf einem flexiblen Substrat (14) ausgebildete metallische Schichten (41,42) aufweist, die sich an der Spitze der Nadel überlappen und zwischen den beiden Hälften (61, 63) eingebettet sind.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) langgestreckt ausgebildet ist und daß die metallischen Schichten (41, 42) mit der einen Seite des Substrats (14) etwa entlang der Längsachse des Substrats verklebt sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch geken-n zeichnet, daß die Nadel ein hohles, etwa konisches Bauteil (70) darstellt, daß das Thermopaar zwei sich überlappende metallische Schichten (41, 42) aufweist, die mit der einen Seite eines langgestreckten Substrats (14) etwa entlang der Längsachse des Substrats verklebt sind und daß das Substrat (14) an der Stelle (40), wo sich die beiden metallischen Schichten (41, 42) überlappen, umgefaltet ist und so in das konische Bauteil eingeschoben ist, daß der Überlappungsbereich (43) in nächster Nähe der Spitze (72) des konischen Bauteils (70) angeordnet ist„
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Leitungsanordnung (15) eine resistive Abschirmung (16) für statische Ladungen aufweist»
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Leitungsanordnung (15) in einem starren Verbindungsteil (19) mit Kontakten (91, 92) endet, die aus dem gleichen Material wie das bimetallische Thermopaar (41, 42) hergestellt sind.

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7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportional-Thermostat (20), eine in dem Thermostaten angeordnete Verstärkereinrichtung (21a, b, c), eine Einrichtung (19a, b, c) zum Verbinden der flexiblen Leitungsanordnung (15) mit der Verstärkereinrichtung und eine Einrichtung zum Verbinden des Ausgangs der Verstärkereinrichtung mit der Meßvorrichtung (22a, b, c) vorhanden sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Proportional-Thermostat (20) die Temperatur der Vergleichsstelle des Thermopaares festlegt, und zwar an einer Stelle, bei der die flexible Leitungsanordnung mit der Verstärkereinrichtung verbunden ist.

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