徐志榮 徐 汀 李 晶 張良才 張衛(wèi)東

①成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 云南 昆明市 650032

②云南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 云南 昆明市 650033

1 焦耳-湯姆遜效應(yīng)

氣體通過(guò)多孔塞時(shí)所發(fā)生的溫度變化現(xiàn)象，也可泛指較高壓強(qiáng)氣體經(jīng)過(guò)多孔塞、毛細(xì)管、節(jié)流閥等裝置降為低壓氣體時(shí)發(fā)生的溫度變化現(xiàn)象。

1852年，焦耳和湯姆遜（Joule-Thomson Principle）設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)流膨脹實(shí)驗(yàn)，使溫度為T1的氣體在一個(gè)絕熱的圓筒中由給定的高壓p1經(jīng)過(guò)多孔塞(如棉花、軟木塞等)緩慢地向低壓p2膨脹。多孔塞兩邊的壓差維持恒定。膨脹達(dá)穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量膨脹后氣體的溫度T2。他們發(fā)現(xiàn)，在通常的溫度T1下，許多氣體(氫和氦除外)經(jīng)節(jié)流膨脹后都變冷(T2＜T1)。如果使氣體反復(fù)進(jìn)行節(jié)流膨脹，溫度不斷降低，最后可使氣體液化。人們稱它為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，也稱為節(jié)流效應(yīng)。焦耳-湯姆遜效應(yīng)是一種等焓的絕熱不可逆過(guò)程。它表示氣體在初態(tài)時(shí)的焓H1=U1+p1V1等于在終態(tài)時(shí)的焓H2=U2+p2V2（U1、p1、V1及U2、p2、V2分別為氣體在初態(tài)及終態(tài)時(shí)的內(nèi)能、壓強(qiáng)及體積），但在中間經(jīng)歷的狀態(tài)均不是平衡態(tài)，對(duì)于這些中間狀態(tài)，不能用H=U+pV來(lái)表示。理想氣體在節(jié)流前后的溫度不變，實(shí)際氣體的溫度可升高也可降低，其升溫降溫的范圍隨氣體種類不同而有很大差異，其溫度改變情況通常利用由實(shí)驗(yàn)測(cè)出的在T-p圖中的等焓線求出。圖中一條條接近水平的曲線表示了某種氣體的等焓線。每一條等焓線上的焓值均相同。節(jié)流過(guò)程中只要能定出初態(tài)時(shí)的溫度、壓強(qiáng)及終態(tài)時(shí)的壓強(qiáng)，即可由所對(duì)應(yīng)的等焓線確定終態(tài)的溫度。T-p圖中等焓線的斜率稱為焦耳-湯姆遜系數(shù)，以μ表示：

圖1 等焓線的T-p

圖1中任一條等焓線的最高點(diǎn)處的μ=0，把這些點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)的曲線稱為轉(zhuǎn)換曲線。在轉(zhuǎn)換曲線以內(nèi)的區(qū)域μ＞0，稱為節(jié)流致冷區(qū)；轉(zhuǎn)換曲線以外區(qū)域μ＜0，稱為節(jié)流致熱區(qū)。轉(zhuǎn)換曲線中溫度最高的那一點(diǎn)的溫度稱為轉(zhuǎn)換溫度。節(jié)流膨脹設(shè)備十分簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，節(jié)流膨脹致冷是在致冷流程中廣為使用的一種降溫手段。

2 氬氦刀工作原理

氬氦刀基于物理學(xué)焦耳-湯姆遜原理，當(dāng)氣體通過(guò)一個(gè)狹小的孔路（焦耳-湯姆遜孔），從較高壓力的區(qū)域流入較低壓力的區(qū)域時(shí)，它將被節(jié)流。大多數(shù)氣體遭遇節(jié)流后溫度將下降，而某些氣體，例如氫氣和氦氣，溫度反而上升。

氬氦刀的每個(gè)通道分配器控制氬氣閥和氦氣閥。分配器將氬氣限壓在大約2800 psi后供給冷刀，在冷刀尖通過(guò)一個(gè)直徑很小的微孔（焦耳-湯姆遜孔），迫使氣壓急劇下降到大約150 psi。如此壓降將造成氬氣溫度下降和在冷刀尖形成冰球（冷凍模式）。當(dāng)1000 psi氦氣通過(guò)焦耳-湯姆遜孔時(shí)，將使氣體溫度上升（加熱模式）。

氬氦刀的結(jié)構(gòu)（如圖）特點(diǎn)：（1）高壓氣體噴射進(jìn)刀尖內(nèi)氣室產(chǎn)生低溫；（2）低壓回氣在刀內(nèi)折返，釋放剩余冷量；（3）刀尖內(nèi)置測(cè)電偶實(shí)時(shí)測(cè)溫，監(jiān)控靶區(qū)溫度；（4）致冷和致熱只發(fā)生在刀頭內(nèi)，刀桿真空絕熱。

針對(duì)各種人體組織的一系列試驗(yàn)證明， 冷凍速率和最終冷凍溫度是影響腫瘤細(xì)胞死亡率的兩個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)冷凍速率達(dá)到25 ℃/min以上，最終溫度達(dá)到-20～-40 ℃時(shí)，才能有效殺滅腫瘤細(xì)胞。

3 臨床應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

氬氦刀屬微創(chuàng)治療，出血也少，5 cm病灶一般要冷凍7 cm直徑，基本上可以達(dá)到手術(shù)切除的效果，但較大且不規(guī)則的病灶，“冷切”效果不如手術(shù)徹底。對(duì)不具備手術(shù)切除條件者，則有獨(dú)到之處。氬氦刀療效確切，屬于物理性治療，治療期限短，一般一次治療，觀察2～3 d即可出院，因而非治療性開(kāi)支少。氬氦刀不是真正意義上的手術(shù)刀，只是一根中空的不銹鋼針，“氬氦刀”實(shí)質(zhì)是冷凍+熱療治療腫瘤，當(dāng)氬氣在針尖內(nèi)急速釋放時(shí)，可在十幾秒內(nèi)冷凍病變組織至-120～-165 ℃；當(dāng)氦氣在針尖急速釋放時(shí)，將產(chǎn)生急速?gòu)?fù)溫和升溫，快速將冰球解凍，消除腫瘤。而且，降溫和升溫的速度、時(shí)間和冰球大小與形狀，都可以精確設(shè)定和控制。另外，該方法能迅速減輕腫瘤負(fù)荷，直徑小于4 cm的腫瘤可減輕負(fù)荷95%以上，直徑大于5 cm的腫瘤可減少80%以上負(fù)荷，較小腫瘤可達(dá)根治效果，延長(zhǎng)患者生存期。氬氦刀沒(méi)有化療和放療帶來(lái)的副作用，可用于肺癌、肝癌、前列腺癌、腎癌、乳腺癌等治療。

圖2 氬氦刀的結(jié)構(gòu)剖面圖

目前，這項(xiàng)技術(shù)已在50多家醫(yī)院推廣應(yīng)用。由于這項(xiàng)技術(shù)只在刀尖冷凍和加熱治療腫瘤，對(duì)患者損傷小、出血少、并發(fā)癥少、恢復(fù)快、可重復(fù)治療，也可與化療、放療或手術(shù)療法相結(jié)合。它具有操作簡(jiǎn)單、靶向性強(qiáng)、適應(yīng)癥廣、治療中靶區(qū)可以適時(shí)監(jiān)測(cè)，術(shù)后可以立即評(píng)價(jià)，腫瘤消融效果確切等優(yōu)勢(shì)。2～10 cm的腫瘤多數(shù)可一次治療達(dá)到局部消融的目的，它是繼射頻、微波、激光、超聲聚焦刀、伽瑪?shù)丁-刀、中子刀之后又一新的腫瘤局部治療手段，這項(xiàng)新技術(shù)的規(guī)范化治療程序已為腫瘤患者提供了一種新的理想選擇。氬氦刀術(shù)中定位準(zhǔn)確，術(shù)中B超監(jiān)測(cè)方便，實(shí)體腫瘤手術(shù)切除前對(duì)腫瘤組織進(jìn)行超低溫冷凍，瘤組織在冷凍狀態(tài)下被切除是目前較理想的無(wú)瘤手術(shù)方法。同時(shí)有臨床報(bào)告資料顯示，術(shù)前對(duì)肺腫瘤組織實(shí)施冷凍，術(shù)后可以明顯提高病人的免疫功能。與沒(méi)有冷凍切除的對(duì)照組相比，腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)率減低，病人存活期延長(zhǎng)。氬氦刀對(duì)病人的創(chuàng)傷小，恢復(fù)快治療腫瘤多數(shù)不會(huì)對(duì)臟器的正常功能造成嚴(yán)重影響，可以在B超，腹腔鏡，胸腔鏡的引導(dǎo)下開(kāi)展微創(chuàng)外科手術(shù)治療，也可以在B超，CT、MR，X線模擬定位機(jī)及X線透視引導(dǎo)下經(jīng)皮穿刺實(shí)施靶向冷凍治療。氬氦刀可以增強(qiáng)綜合治療的臨床效果，局部治療后亞臨床病灶的處理以及局部治療后全身治療如何選擇是腫瘤臨床的重要問(wèn)題。全身治療療效有賴于局部腫瘤負(fù)荷的消除，局部治療療效的維持也有賴于全身治療的配合。氬氦刀治療能夠快速消除局部腫瘤負(fù)荷，可以極大的提高化療，免疫治療，中藥治療及放射治療的效果，為臨床開(kāi)辟了新的治療和研究途徑。

4 價(jià)值分析

傳統(tǒng)的低溫冷凍治療由于靶向性差、局部復(fù)發(fā)率高，主要用于中晚期腫瘤的姑息性治療。氬氦刀的出現(xiàn)，改變了對(duì)傳統(tǒng)低溫腫瘤治療方法的認(rèn)識(shí)。氬氦刀最佳治療效果：冷凍速率達(dá)到25 ℃/min以上、最終溫度達(dá)到-20～-40 ℃、雙循環(huán)冷凍-復(fù)溫。雙循環(huán)比單循環(huán)增強(qiáng)了冷凍治療效力，極大提高了腫瘤滅活率。

靶區(qū)冷凍消融效應(yīng)（直接殺傷）：快速冷凍時(shí)細(xì)胞內(nèi)冰晶快速生長(zhǎng)并撕裂細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞壁損壞和蛋白質(zhì)變性；慢速冷凍時(shí)細(xì)胞外冰晶生長(zhǎng)導(dǎo)致水滲出細(xì)胞、電解質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，造成細(xì)胞脫水和電解質(zhì)超濃縮。升溫時(shí)，水快速涌入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞漲破。慢速冷凍損毀發(fā)生在-15～-40 ℃，溫度越低，損毀越嚴(yán)重。

血管冷凍栓塞效應(yīng)（間接殺傷）：治療靶區(qū)快速冷熱交替、凍融循環(huán)，可引起微小血管內(nèi)皮細(xì)胞脫水、蛋白質(zhì)變性、脂質(zhì)層融解、微血管內(nèi)膜損傷、冰晶及微血栓在微靜脈及微動(dòng)脈內(nèi)形成，導(dǎo)致治療靶區(qū)血小板聚集、血管阻塞，引致局部缺血和細(xì)胞凋亡。

抗腫瘤免疫激活效應(yīng)（冷凍免疫）治療中腫瘤細(xì)胞爆裂和壞死，促使腫瘤免疫調(diào)節(jié)因子停止分泌，逆轉(zhuǎn)免疫抑制狀態(tài)，引起血清腫瘤標(biāo)志物如CEA，AFP，PSA的水平下降。治療過(guò)程可調(diào)控腫瘤表面抗原，促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖，IL-2、IL-6、腫瘤壞死因子和抗腫瘤免疫抗體分泌增加，提高抗腫瘤免疫能力。

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