阅读说明：本技术 用于提高医疗器械的散热能力的设备和方法 (For improving the device and method of the heat-sinking capability of medical instrument ) 是由 范安琪 T·胡 于 2018-05-08 设计创作，主要内容包括：用于改善散热能力的方法和设备。一种设备包含细长构件、外壳和热泵装置。所述细长构件具有远端和近端。所述外壳被联接到所述细长构件的所述近端。所述热泵装置被联接在所述细长构件与所述外壳之间。所述热泵装置被配置为在所述细长构件与所述外壳之间转移热能。(Method and apparatus for improving heat-sinking capability.A kind of equipment includes slender member, shell and heat pump assembly.The slender member has proximally and distally.The shell is coupled to the proximal end of the slender member.The heat pump assembly is connected between the slender member and the shell.The heat pump assembly is configured as shifting thermal energy between the slender member and the shell.)

用于提高医疗器械的散热能力的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年5月9日提交的美国临时申请62/503,521的权益，所述美国临时申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及医疗器械，并且具体涉及产生热的医疗器械。更具体地，本公开涉及用于提高沿着医疗器械(诸如内窥镜)的散热能力的系统和方法。

背景技术

微创成像器械可以被用于患者的解剖结构内难以到达的或紧凑的空间的视觉检查。内窥镜是可以包括具有能被***患者体内的远侧尖端的轴的微创成像器械的示例。外壳可以被连接到轴的另一端。外壳可以包含例如允许人类操作者观察和/或记录在轴的远侧尖端处捕获的图像的各种光学部件和电子部件。内窥镜可以为所检查的解剖区域提供照明。

可能期望通过将一些光学和电子部件定位在轴的远侧尖端附近来改善成像器械的图像质量和功率效率。在现有系统的情况下，这种改善已受限于对维持远侧尖端解剖接触温度的需要，所述远侧尖端解剖接触温度低于通常由安全规范设置的最大接触温度。最大接触温度可以是例如远侧尖端能够安全地直接接触内部身体部分或患者组织或进入内部身体部分或患者组织的选定范围内的最高温度。因此，可能期望用于使远侧尖端维持在等于或低于最大接触温度的温度的改善的系统和方法。

发明内容

通过下面随附的权利要求概括了本发明的实施例。

在一个图示性实施例中，一种设备包含细长构件、外壳和热泵装置。所述细长构件具有远端和近端。所述外壳被联接/耦合(coupled)到所述细长构件的所述近端。所述热泵装置被联接在所述细长构件与所述外壳之间。所述热泵装置被配置为在所述细长构件与所述外壳之间转移热能。

在另一图示性实施例中，一种设备包含细长构件、外壳和热泵装置。所述细长构件具有远端和近端。所述外壳被联接到所述细长构件的所述近端。所述热泵装置被联接到所述细长构件和所述外壳中的至少一个。所述热泵装置被配置为改变所述细长构件的第一散热能力，并且改变所述外壳的第二散热能力。

在又一图示性实施例中，一种设备包含细长构件、外壳和多个热泵装置。所述细长构件具有远端和近端。所述外壳位于所述细长构件的所述近端附近。所述多个热泵装置中的每一个位于沿着在所述细长构件的所述远端与所述外壳之间形成的热路径的多个位置中的相应位置处。所述多个热泵装置转移热能，以改变所述细长构件的第一散热能力，并且改变所述外壳的第二散热能力。

在又一图示性实施例中，提供了一种方法。在细长构件的远端处产生热能。通过激活被热耦合在所述细长构件与外壳之间的热泵装置，在所述细长构件与所述外壳之间转移所述热能，所述外壳被联接到所述细长构件的近端。

应理解，前面的一般性描述和下面的

具体实施方式

本质上都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。对此，根据下面的具体实施方式，本公开的其他方面、特征和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

当结合附图阅读时，根据下面的具体实施方式，最佳地理解本公开的各方面。需要强调的是，根据工业上的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或构造之间的关系。

图1是根据图示性实施例的成像系统的图示；

图2是根据图示性实施例的成像系统的示意图的图示；

图3是根据图示性实施例的用于改善散热能力的方法的图示；

图4是根据图示性实施例的用于改善散热能力的方法的图示；以及

图5是根据图示性实施例的尖端和外壳散热能力与细长构件和外壳温度相比的曲线图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了描述根据本公开的一些实施例的具体细节。阐述了许多具体细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例是说明性的而非限制性的。本领域技术人员可以实现其他元件，尽管这里没有具体描述，但是其在本公开的范围和精神内。另外，为了避免不必要的重复，结合一个实施例示出和描述的一个或更多个特征可以结合到其他实施例中，除非另外特别描述或者如果一个或更多个特征使得实施例不起作用。在某些情况下，未详细描述公知的方法、程序、部件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。

图示性实施例意识到并考虑到可能期望具有用于消散由医疗器械(诸如内窥镜)的远端处的部件的操作产生的热的设备和方法。热可以从远端被转移到位于患者的身体外部的外壳。热然后可以散到外壳四周的周围环境中。图示性实施例意识到各种因素可以限制内窥镜的远端处的散热能力。这些因素可以包括例如但不限于远侧尖端的最大接触温度、周围环境的周围温度以及位于远侧尖端与外壳之间的电气和机械零件的热阻。因此，图示性实施例提供了用于在这些限制因素的背景下提高尖端散热能力和外壳散热能力的设备和方法。

下面描述的图示性实施例提供了用于提高沿着医学成像器械(诸如内窥镜)在各种感兴趣区域处的散热能力的方法和设备。在一个图示性实施例中，一种设备包含细长构件、外壳和热泵装置。所述细长构件具有远端和近端。所述外壳被联接到所述细长构件的所述近端。所述热泵装置被联接在所述细长构件与所述外壳之间。所述热泵装置被配置为在所述细长构件与所述外壳之间转移热能。热能的这种转移可以包括远端和外壳的散热能力。具体地，使用热泵装置可以允许来自远端的热通过外壳来消散，而不需要改变周围温度并且不需要增加内窥镜的不期望量的重量或体积。

进一步地，提高远端和外壳处的散热能力可以允许产生热的部件被使用在尖端处或附近，而远端处的温度不超过最大接触温度。例如，一个或更多个照明部件、一个或更多个电子部件或其组合可以被重新定位在内窥镜的远端处的尖端处或附近，以改善内窥镜的图像质量、功率效率和鲁棒性。具体地，朝向尖端移动这些部件可以帮助简化光学器件，由此降低内窥镜的总重量。

参考附图的图1，描绘了根据图示性实施例的成像系统100。成像系统100可以是能够被用来视觉地且医学地检查患者的解剖结构内部的各种内部身体部分和腔室的器械。例如，成像系统100可以采取被用来提供患者的解剖结构的内部部分的视图的内窥镜的形式。

在一个图示性实施例中，成像系统100包括细长构件102、外壳106和热泵装置108。取决于实施方式，细长构件102可以是刚性的、柔性的、铰接的、部分柔性的或其组合。进一步地，细长构件102可以由金属、塑料、两者的组合或某种其他合适的材料构成。作为一个图示性示例，细长构件102可以采取具有一个或更多个内部通道的轴的形式。细长构件102可以具有被选择为帮助改善散热的热阻。

在成像系统100被用来可视化内部患者解剖结构的医疗程序期间，细长构件102的一部分可以被***在患者的解剖结构内部，而细长构件102的另一部分可以被保持在患者的解剖结构外部。例如但不限于，细长构件102的第一部分110可以位于患者的解剖结构内部，而第二部分112可以位于患者的解剖结构外部。

细长构件102具有远端114和近端116。轴的远侧尖端104位于远端114处。在一个图示性实施例中，尖端104可以是细长构件102的一体部分。在另一些图示性实施例中，尖端104可以是被联接到细长构件102的单独部分。

外壳106位于细长构件102的近端116附近。在该图示性实施例中，外壳106可以经由热泵装置108被间接地联接到细长构件102的近端116。外壳106可以包含任何数量的不同部件。例如但不限于，外壳106可以包含允许人类操作者观察在成像系统100的远端114处捕获的图像的一个或更多个光学元件。这些光学部件可以包括例如但不限于一个或更多个反射镜、一个或更多个透镜、一个或更多个其他光学部件或其组合。取决于实施方式，外壳106可以包含额外的部件。

进一步地，外壳106可以由被选择为改善散热的一种或更多种材料构成。在一个图示性实施例中，外壳106由铝构成。

成像系统100还包括位于远端114处的部件117。部件117可以产生引起远端114的温度增加的热能。在一些图示性实施例中，部件117采取发光二极管(LED)或另一类型的产生热能的通电光源或照明源的形式。在另一些图示性实施例中，部件117可以是产生热能的通电电子部件，诸如传感器或信号发射器。在热能产生部件117被省略的替代性实施例中，本文中描述的散热系统还可以被用来消散体热或要不然冷却远端114。

远端114并且因此尖端104具有对于当远端114直接接触内部身体部分或患者组织或进入内部身体部分或患者组织的选定范围内时被认为是安全的最大接触温度(T_C)。在一个图示性示例中，该选定范围可以在大约2毫米与大约10毫米之间。远端114的最大接触温度可以通过安全标准来调节。作为一个图示性示例，最大接触温度可以是在大约40摄氏度与45摄氏度之间的值。在另一些图示性示例中，最大接触温度可以是在大约40摄氏度与大约50摄氏度之间的值。因此，会需要控制远端114的温度以确保远端114不达到高于最大接触温度的温度。

在该实施例中，远端114的温度可以通过使部件117产生的热能沿着主热路径从尖端104消散并进入外壳106四周的周围环境118来控制。作为一个图示性示例，热可以从远端114处的尖端104沿着细长构件102被转移，然后散布到外壳106，并且最终从外壳106被消散到周围环境118中。

周围环境118可以具有周围温度(T_A)。在一些情况下，周围温度可以是可变的。例如但不限于，周围环境118可以是医院或诊所中的手术室。在一些情况下，手术室可以被维持在被选择为在大约18摄氏度与23摄氏度之间的温度。取决于周围环境118的类型，周围温度可以被维持在大约18摄氏度与大约28摄氏度之间的值。

主热路径具有由远端114的最大接触温度(T_C)和周围环境118的周围温度(T_A)界定的总系统温差(ΔT_O)。例如，当最大接触温度在大约40摄氏度与45摄氏度之间并且周围温度在大约23摄氏度与26摄氏度之间时，总系统温差可以在大约16摄氏度与20摄氏度之间。

热泵装置108加快热沿着主热路径的转移。在该实施例中，热泵装置108被定位在细长构件102与外壳106之间。更具体地，热泵装置108可以在热泵装置108的一侧被联接到细长构件102的近端116，并且在热泵装置108的相对侧被联接到外壳106的远侧107。以此方式，细长构件102可以通过热泵装置108被间接地联接到外壳106。

热泵装置108被用来提高细长构件102的散热能力和外壳106的散热能力。具体地，热泵装置108可以提高细长构件102的散热能力和外壳106的散热能力，以加快沿着主热路径的总散热，并且加快热从远端114的去除。细长构件的散热能力也可以被称为尖端散热能力、远端散热能力或细长构件散热能力。外壳的散热能力也可以被称为外壳散热能力。

图2是成像系统100的示意图。在该图示性实施例中，热泵装置108采取热电冷却器的形式。但是在另一些图示性实施例中，可以使用将热能(即，热)从热源转移到散热片的其他类型的装置。

如所描绘的，热泵装置108具有轴侧200和外壳侧202。在该图示性实施例中，轴侧200被热耦合到细长构件102，并且外壳侧202被热耦合到外壳106。热泵装置108允许细长构件102的近端116的温度(T₁)被控制在比周围环境118的周围温度低的水平。进一步地，热泵装置108允许外壳106的远侧107的温度(T₂)被控制在比远端114的最大接触温度高的水平。

例如，当周围温度被设置为大约25摄氏度时，可以利用热泵装置108的操作将细长构件的温度T₁维持在大约20摄氏度。进一步地，热泵装置108将外壳106的远侧107的温度T₂基本控制在比远端114的最大接触温度高的值。例如但不限于，当最大接触温度被设置为大约42摄氏度时，所造成的温度T₂可以为大约50摄氏度。以此方式，温度T₂与温度T₁(温度T₁可以为大约30摄氏度)之间的差大于大约17摄氏度的总系统温差(T_C-T_A)。

因此，细长构件102的近端116可以具有通过热泵装置108控制的比外壳106的温度低的温度。进一步地，热泵装置108的轴侧200可以具有比热泵装置108的外壳侧202低的温度。热泵装置108允许热从轴侧200处的较冷的细长构件102被转移到外壳侧202处的较暖的外壳106。因此，热泵装置108加快细长构件102与外壳106之间的热转移。

在一个图示性实施例中，为热泵装置108的操作而供应的外部电源产生废热。热泵装置108还可以有能力通过外壳106来消散该废热。当外壳106的散热能力与细长构件102的散热能力之间的差大于废热被产生的速率时，外壳106可以有能力消散来自细长构件102和热泵装置108两者的热。在一个示例中，使用热泵装置实现的外壳106的散热能力可以为大约7瓦。使用热泵装置108实现的细长构件102的散热能力可以为大约3瓦。如果由热泵装置108产生废热的速率小于大约4瓦，那么外壳106可以有效地消散来自远端114和热泵装置108两者的热。

图1和图2中的图示并不意味着暗示对不同图示性实施例可以被实施的方式进行物理或结构限制。可以使用除了所图示的部件之外或代替所图示的部件的其他部件。一些部件可以是可选的。

在一些图示性实施例中，可以沿着成像系统100的主热路径使用包括多个热泵装置的热泵系统。例如，多个热泵装置可以位于沿着主热路径的多个位置处以加快每个位置处的热能转移，由此提高细长构件102的散热能力和外壳106的散热能力。所述多个热泵装置可以在沿着主热路径的多个位置处形成多个选定温差。共同地或个别地，所述多个位置中的相应位置处的所述多个选定温差可以大于总系统温差。因此，增加了在所述多个位置中的每一个位置处转移的热能或热。

图3是根据图示性实施例描绘的用于改善散热能力的方法的图示。在图3中图示的方法300可以被用来改善沿着医疗器械(诸如在之前的图中描述的成像系统100的尖端104与外壳106之间的细长构件102)的散热能力。方法300被图示为一组操作或过程302和304。不是所有图示的过程302和304都会在方法300的所有实施例中执行。此外，未在图3中被明确图示的一个或更多个过程可以被包括在过程302和304之前、之后、之间或作为过程302和304的一部分。在一些实施例中，过程302和304中的一个或更多个可以是可选的，并且因此可以被省略。

方法300可以以过程302开始，过程302包括在细长构件的远端处产生热能。在过程302中，热能可以通过操作远端处或附近的通电部件来产生。例如但不限于，热可以通过远端处或附近的照明源(诸如发光二极管)的操作来产生。在另一示例中，热可以通过远端处或附近的电子部件的操作来产生。

在过程304处，激活热泵装置。热泵可以被热耦合在细长构件与外壳之间。

在过程306处，在细长构件与外壳之间转移热能。因此，与省略热泵装置的类似系统相比，热泵的使用可以提高细长构件的散热能力和外壳的散热能力。因此，与当热泵装置被省略时相比，热泵装置可以允许在远侧尖端处或附近使用更强大的部件。在一个图示性实施例中，热泵装置可以是热电冷却器。取决于实施方式，热能可以从细长构件被转移到外壳，从外壳被转移到细长构件，或两者。

更详细地，热泵装置可以控制在热泵装置的轴侧处的细长构件的温度。在一些图示性实施例中，热泵装置可以将轴侧温度控制在比周围温度低的水平。进一步地，热泵装置可以控制在热泵装置的外壳侧处的外壳的温度。在一些图示性实施例中，热泵装置可以将外壳侧温度控制在比远端114的最大接触温度高的值。

图4是根据图示性实施例描绘的用于改善散热能力的方法的图示。在图4中图示的方法400可以被用来改善成像系统(诸如内窥镜)的散热能力。方法400被图示为一组操作或过程402-410。不是所有图示的过程402-410都会在方法400的所有实施例中执行。此外，未在图4中被明确图示的一个或更多个过程可以被包括在过程402-410之前、之后、之间或作为过程402-410的一部分。在一些实施例中，过程402-410中的一个或更多个可以是可选的，并且因此可以被省略。

该方法可以以过程402开始，过程402包括将内窥镜的远端***在患者解剖结构内部。在过程404处，激活位于内窥镜的远端处的照明源。照明源可以是例如发光二极管。激活发光二极管可以包括例如向发光二极管供应电力。在该示例中，响应于发光二极管的激活而在内窥镜的远端处产生热。

在过程406处，沿着内窥镜的轴输送在内窥镜的远端处产生的热。在过程408处，通过热泵装置将热从轴转移到内窥镜的外壳。热泵装置可以提高轴散热能力和外壳消散能力。在过程408中，外壳位于患者的解剖结构外部。

在过程408中，热泵装置将轴侧温度维持在低于外壳四周的周围环境的周围温度的值。进一步地，热泵装置可以被用来将外壳侧温度维持在高于内窥镜的远端114的最大接触温度的值。因此，热泵装置在轴与外壳之间形成大于远端114与周围环境之间的总系统温差的温差，由此提高轴的散热能力和外壳的散热能力。在另一些图示性实施例中，热泵装置可以被用来将外壳侧温度维持在低于内窥镜的远端114的最大接触温度但高于周围温度的值。

在过程410处，将热从外壳消散到外壳四周的周围环境中。这种类型的消散也可以被称为将热散到周围环境中。

图5是根据图示性实施例描绘的尖端和外壳散热能力与细长构件和外壳温度相比的曲线图500。曲线图500图示了如何使用图1中的成像系统100的热泵装置108能够提高细长构件102及因此远端114的散热能力以及图1中的外壳106的外壳散热能力。

曲线图500包括温度轴线502、尖端散热能力轴线504和外壳散热能力轴线506。温度轴线502识别以摄氏度为单位的温度值。尖端散热能力轴线504识别以瓦为单位的远端114处的尖端104的散热能力值。外壳散热能力轴线506识别以瓦为单位的外壳106的散热能力值。

曲线图500还包括线508、线510、线512、线514和线516。在该图示性示例中，第一线508表示当细长构件102具有大约6摄氏度每瓦的热阻时成像系统100的细长构件102的散热能力。第二线510表示当细长构件102具有大约10摄氏度每瓦的热阻时成像系统100的细长构件102的散热能力。第三线512表示当细长构件102具有大约15摄氏度每瓦的热阻时成像系统100的细长构件102的散热能力。

进一步地，第一外壳线514表示当外壳由铝构成时成像系统100的外壳106的散热能力。第二外壳线516表示当外壳由不锈钢构成时成像系统100的外壳106的散热能力。

在该图示性实施例中，外壳106可以具有大约120毫米的长度和大约30瓦每平方米开尔文(W/m²K)的热透射率。外壳106四周的周围环境118的周围温度可以被设置为大约27摄氏度。进一步地，远端114以及因此尖端104的最大接触温度可以为大约42摄氏度。因此，总系统温差可以是最大接触温度与周围温度(周围温度为大约15摄氏度)之间的差。

在细长构件102与外壳106之间使用热泵装置108，细长构件102的温度在热泵装置108处与外壳106的温度分离。例如，热泵装置108可以被用来保持细长构件102处于比周围温度低的温度，并且保持外壳106处于比远端114的最大接触温度高的温度。

如由沿着线510的点518图示的，当外壳106由铝制成并且细长构件具有大约6摄氏度每瓦的热阻时，热泵装置108可以被用来将轴侧温度维持在大约25摄氏度。进一步地，如由沿着线514的点520指示的，热泵装置108可以被用来将外壳侧温度维持在大约50摄氏度。因此，在细长构件102与外壳106之间形成的温差可以为大约25摄氏度，其大于总系统温差。

通过在细长构件102与外壳106之间形成这种较大的温差，热泵装置可以将尖端散热能力提高至大约3瓦，并且将外壳消散能力提高至大约7瓦。如果热泵装置以比外壳与尖端散热能力之间的4瓦差小的速率产生废热，热泵装置可以有能力既消散来自尖端的热又消散来自热泵装置的废热。

如由第一线510和线514的交点522指示的，在没有热泵装置108的情况下，细长构件102和外壳106将会在细长构件102与外壳106之间的接合处具有大约35摄氏度的温度。进一步地，在没有热泵装置108的情况下，尖端消散能力将会仅为大约1.33瓦，并且外壳消散能力将会仅为大约2.37瓦。

因此，图示性实施例提供了用于改善沿着医疗器械(诸如内窥镜)的散热能力的方法和设备。改善尖端和外壳散热能力允许产生更大热量的部件被使用在内窥镜处或附近。例如，更高功率的发光二极管可以被使用在内窥镜的尖端处以提供更好的照明，而不超过尖端的最大接触温度或者不需要重新设计外壳或改变周围温度。

进一步地，使用热电冷却器作为热泵装置不会增加内窥镜的不期望的重量或体积。此外，使用热电冷却器可以确保在内窥镜的操作期间不产生额外的不期望的声学或电噪声。

虽然已经在附图中描述和示出了本发明的某些示例性实施例，但是应当理解，这些实施例仅仅是对广义发明的说明而非限制。此外，应理解，本发明的实施例不限于所示和所述的具体结构和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其他修改。

进一步地，在本发明的实施例的详细描述中，已经阐述了许多具体细节以便提供所公开的实施例的全面理解。然而，将会对本领域技术人员显而易见的是，本公开的实施例可以没有这些具体细节的情况下被实践。在某些情况下，未详细描述公知的方法、程序和部件，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。