李家鵬，陳曉屏，陳軍，周建，陶星臨

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

微型節(jié)流制冷器在低溫醫(yī)療中的發(fā)展與應(yīng)用

李家鵬，陳曉屏，陳軍，周建，陶星臨

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

微型節(jié)流制冷器廣泛用于冷卻紅外探測(cè)器，是一種比較成熟的技術(shù)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)ENDOCARE公司利用微型節(jié)流制冷器技術(shù)發(fā)明第一代CRYOCARE（氬氦刀）系統(tǒng)。氬氦刀系統(tǒng)原理是利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)，在常溫下高壓氬氣節(jié)流快速降溫，高壓氦氣節(jié)流快速制熱，高低溫快速交替殺死癌變細(xì)胞。該技術(shù)在低溫醫(yī)療中已快速推廣應(yīng)用，并在各種癌癥治療中取得了比較好的治療效果。國(guó)內(nèi)在微型節(jié)流制冷器技術(shù)上已開展了多年研究，積累了豐富的技術(shù)基礎(chǔ)，但在低溫醫(yī)療上的應(yīng)用還處于起步階段。文章提出低溫醫(yī)療在未來有廣闊的發(fā)展前景，倡議國(guó)內(nèi)相關(guān)微型節(jié)流制冷器的研制單位將該技術(shù)應(yīng)用于低溫醫(yī)療。

微型；節(jié)流制冷器；氬氦刀；低溫醫(yī)療

0 引言

微型節(jié)流制冷器長(zhǎng)期用于冷卻紅外探測(cè)器組件，由于啟動(dòng)時(shí)間快、干擾小、成本低廉等原因，在紅外制導(dǎo)等武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如何將軍工高科技轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)，一直是該領(lǐng)域科研人員不斷探索的問題。1993年6月，美國(guó)ENDOCARE公司利用微型節(jié)流制冷器技術(shù)發(fā)明第一代CRYO-CARE（氬氦刀）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多項(xiàng)美國(guó)航天技術(shù)專利研制而成，將微型節(jié)流制冷技術(shù)引入低溫醫(yī)療，該技術(shù)兼具超低溫冷凍、介入治療和免疫治療等多重效能。1999年，我國(guó)張積仁教授引進(jìn)亞洲第一臺(tái)CRYOCARE系統(tǒng)，首次將其命名為“氬氦刀”[1]。

1 原理

氬氦刀的工作原理是利用焦耳-湯姆遜原理，即當(dāng)氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時(shí)，其壓力顯著下降，這種現(xiàn)象叫做節(jié)流。大多數(shù)氣體遭遇節(jié)流后溫度將下降，如氬氣和氧氣。而某些氣體，例如氫氣和氦氣，溫度反而上升。

在紅外制導(dǎo)中，微型節(jié)流制冷器只考慮制冷。但在低溫醫(yī)療系統(tǒng)中，需要高低溫快速交替殺死癌變細(xì)胞，因此在氬氦刀系統(tǒng)中，需要增加制熱系統(tǒng)。氬氦刀系統(tǒng)[2-3]主要由冷刀、制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、溫度檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，有些設(shè)備集成了CT、B超等監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氬氦刀系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)

氬氦刀的工作原理：利用在常溫下氬氣快速節(jié)流制冷原理產(chǎn)生快速降溫，利用在常溫高壓下氦氣節(jié)流制熱原理快速恢復(fù)溫度。氬氣和氦氣儲(chǔ)存于氣瓶中。氬氣的降溫和氦氣的升溫均在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。氬氦刀的工作壓力在31 MPa，采用氬氣作為制冷工質(zhì)，數(shù)十秒（一般小于50 s）內(nèi)即可使針尖溫度降至-175℃，根據(jù)治療需要，冷凍幾分鐘到十幾分鐘之后又采用氦氣作為制冷工質(zhì)，在數(shù)十秒（一般小于50 s）內(nèi)使溫度升至45℃[4]，根據(jù)治療需要，如此往復(fù)治療多次。降溫和升溫速度（通過調(diào)節(jié)氣體壓力和氣體流量實(shí)現(xiàn)）、制冷時(shí)間和溫度，可通過冷-熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)預(yù)先精確設(shè)定或自動(dòng)控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

氬氦刀冷刀為中空穿刺刀，直徑從1.47～8 mm。翅片管采用螺旋繞制的方式纏繞在芯軸的外表面，構(gòu)成氬氦刀的熱交換器，工作時(shí)高壓氬氣通過翅片管的內(nèi)部進(jìn)入，在氬氦刀的前端節(jié)流噴嘴處發(fā)生節(jié)流制冷，將氬氦刀尖快速冷卻，回流氣體從翅片管外部走，與翅片管內(nèi)的氣體發(fā)生熱交換，預(yù)冷翅片管內(nèi)的入流氣體。刀尖可在幾十秒內(nèi)達(dá)到-175℃。為了保護(hù)穿刺過程中，對(duì)正常組織的保護(hù)，只對(duì)癌變細(xì)胞進(jìn)行治療，氬氦刀的刀柄采用絕熱層，只在刀尖2～3 cm處產(chǎn)生制冷。氬氦刀的頂端有測(cè)溫元件，可實(shí)時(shí)獲取刀尖的溫度。當(dāng)需要快速制熱回溫時(shí)，氬氣關(guān)閉，進(jìn)入的氣體變成高壓氦氣，節(jié)流制熱，將刀尖快速回溫到45℃。

圖2 氬氦刀自測(cè)溫冷刀內(nèi)部解剖圖

2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

2.1 國(guó)外的發(fā)展情況

微型節(jié)流制冷技術(shù)應(yīng)用于低溫醫(yī)療并取得工程化成果是1993年6月，美國(guó)ENDOCARE公司利用微型節(jié)流制冷器技術(shù)發(fā)明第一代CRYOCARE（氬氦刀）系統(tǒng)。目前國(guó)際上發(fā)展的氬氦刀系統(tǒng)主要有美國(guó)的ENDOCARE公司和以色列Cryo-HITTM。

美國(guó)ENDOCARE公司是世界上最早工程化應(yīng)用氬氦刀的公司。目前，美國(guó)的氬氦刀已發(fā)展到第五代。從美國(guó)氬氦刀的網(wǎng)站和相關(guān)報(bào)道可了解，美國(guó)ENDOCARE公司擁有獨(dú)特的專利技術(shù)：冷刀測(cè)溫、真空絕緣、絕熱膨脹、過壓保護(hù)、獨(dú)立控制、可變冰球，其簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 美國(guó)氬氦刀冷刀簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)圖

美國(guó)氬氦刀的直徑有1.7 mm、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm等多種直徑冷刀，特別是可變冰球冷刀的獨(dú)家專利，通過滑鈕改變真空絕緣層長(zhǎng)短，改變冷凍室長(zhǎng)短，產(chǎn)生長(zhǎng)中短、大中小三種冰球。目前該公司發(fā)展了C型冷刀、R型冷刀、V型冷刀。

目前，美國(guó)ENDOCARE公司是全世界氬氦刀應(yīng)用最廣泛的公司，國(guó)內(nèi)“氬氦刀”一詞也是引進(jìn)美國(guó)ENDOCARE公司的產(chǎn)品后翻譯而來。圖4為美國(guó)ENDOCARE公司的產(chǎn)品和冷刀。

圖4 美國(guó)氬氦刀產(chǎn)品和冷刀外形圖

以色列伽利略公司也是利用國(guó)防技術(shù)中的微型節(jié)流制冷技術(shù)，其原理與美國(guó)ENDOCARE公司一樣。產(chǎn)品（如圖5所示）稱為“Cryo-HITTM低溫冷凍手術(shù)系統(tǒng)”。與同類產(chǎn)品相比，Cryo-HITTM低溫冷凍手術(shù)系統(tǒng)具有六大優(yōu)勢(shì)，即唯一可在磁共振引導(dǎo)下進(jìn)行冷凍介入治療、超細(xì)1.47 mm探針、5組25探針組合、具有iThaw升溫技術(shù)無需氦氣升溫、多點(diǎn)立體監(jiān)測(cè)溫度、具有治療計(jì)劃系統(tǒng)等。磁共振兼容型低溫冷凍手術(shù)系統(tǒng)代表了該類產(chǎn)品最高技術(shù)水平，具有較大的創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

圖5 Cryo-HITTM低溫冷凍手術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)品和冷刀外形圖

Cryo-HITTM低溫冷凍手術(shù)系統(tǒng)探針規(guī)格有1.47 mm、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm。其最小直徑的探針比美國(guó)ENDOCARE公司的小。超細(xì)探針對(duì)正常組織損傷更小，并發(fā)癥發(fā)生率低，臨床應(yīng)用于肺癌，氣胸發(fā)生率明顯低于2 mm探針的氣胸發(fā)生率。超細(xì)探針更便于操作，穿刺更容易、更順暢。不同型號(hào)的1.47 mm探針可形成球形、梨形、橢圓形等多種形狀冰球，便于適形治療。

2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位，早在上世紀(jì)，就開展了很多關(guān)于微型節(jié)流制冷技術(shù)的研究，并取得了可喜的成果[6-8]。但相關(guān)技術(shù)主要應(yīng)用于軍事紅外上，并未實(shí)現(xiàn)民用化。

國(guó)內(nèi)低溫冷刀研制最早主要集中在早期的液氮浸泡式或蒸發(fā)液氮方式，這方面以浙江省醫(yī)療器械研究所章忠敏教授為代表，做了很多有益的工作[9]。

最近幾年，國(guó)內(nèi)相關(guān)院校也開展了氬氦刀方面的研究，上海理工大學(xué)[10]和上海交通大學(xué)[11]與相關(guān)單位合作，采用預(yù)冷方法，用制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量預(yù)冷氮?dú)獾揭欢囟?，制冷工質(zhì)再輸送到冷刀進(jìn)行節(jié)流，進(jìn)一步降低氮?dú)鉁囟?，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其優(yōu)點(diǎn)為：（1）可以增加焓差，從而增大制冷功率；（2）可以縮小冷刀內(nèi)換熱器的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)冷刀的微型化；（3）可以大大降低壓力，確保系統(tǒng)的安全；（4）冷刀內(nèi)的節(jié)流裝置尺寸很小，很容易被污染物堵塞，導(dǎo)致性能下降，預(yù)冷過程可以在這些污染物到達(dá)節(jié)流裝置之前被過濾去除。

圖6 上海理工大學(xué)低溫冷凍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 治療原理與應(yīng)用

3.1 治療原理

氬氦刀系統(tǒng)快速冷凍和快速升溫使冰晶迅速在細(xì)胞內(nèi)外形成并崩解，細(xì)胞線粒體消失，血管基底膜斷裂，細(xì)胞核碎裂或溶解，直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡。冷刀治療迅速引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)損害，腫瘤細(xì)胞膜離子通道障礙，細(xì)胞內(nèi)外電解質(zhì)和滲透壓失衡和蛋白質(zhì)變性，從而殺死癌細(xì)胞。

3.2 應(yīng)用

從美國(guó)氬氦刀和以色列伽利略的網(wǎng)站報(bào)道的數(shù)據(jù)可知，目前美國(guó)已有450多家醫(yī)院，1 500多名醫(yī)生，每年采用氬氦刀進(jìn)行1萬多例腫瘤患者治療。而以色列的伽利略生產(chǎn)的氬氦刀目前在歐美及全球已銷售400多臺(tái)。國(guó)內(nèi)的幾十家著名的腫瘤醫(yī)院也開展了這方面的工作，并進(jìn)行了各類腫瘤手術(shù)治療幾千起。從這些報(bào)道看，進(jìn)行低溫冷刀治療后，都取得了較好的治療效果。

采用氬氦刀治療腫瘤操作簡(jiǎn)單、腫瘤消融效果確切、適應(yīng)癥廣、對(duì)病人損傷小、靶向性強(qiáng)、治療中靶區(qū)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能迅速減輕中晚期癌癥患者的痛苦和提高生存質(zhì)量，已成為目前國(guó)際上低溫靶向治療領(lǐng)域高科技發(fā)展的更新?lián)Q代技術(shù)。

目前，氬氦刀已廣泛應(yīng)用于各種癌癥、腫瘤治療。適用于肝癌、肺癌、腦瘤、胰腺癌、甲狀腺癌、前列腺癌、腎及腎上腺腫瘤、腹腔及盆腔腫瘤、骨腫瘤、軟組織腫瘤、頭頸及皮膚腫瘤、轉(zhuǎn)移性胃腸腫瘤等實(shí)體腫瘤、良性腫瘤及良性增生病變、前列腺增生、乳腺腫瘤、血管瘤、肉瘤、子宮肌瘤、囊腫、疣、痔瘡、癌前病變、口腔白斑病等。是一種多用途、有效的治療手段。

4 優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)的液氮刀采用的液氮浸泡式或蒸發(fā)液氮方式相比，氬氦刀的結(jié)構(gòu)要更復(fù)雜，設(shè)備成本也相對(duì)昂貴，但氬氦刀相對(duì)于傳統(tǒng)的治療手段有以下優(yōu)點(diǎn)[12-13]；

（1）手術(shù)時(shí)間比常規(guī)手術(shù)大大縮短，冷刀直徑比傳統(tǒng)的液氮刀小，創(chuàng)傷很小，出血極少，有利于保護(hù)機(jī)體免疫力；（2）氬氦刀插入到病變組織后再啟動(dòng)，避免在插入的過程中凍傷無病變組織；（3）可以反復(fù)做手術(shù)，對(duì)復(fù)發(fā)或多器官轉(zhuǎn)移者尤為適宜；（4）減少擴(kuò)散機(jī)會(huì)；（5）手術(shù)成功率可達(dá)到98%以上；（6）手術(shù)并發(fā)癥少；（7）適合綜合治療；（8）適應(yīng)性廣，可用于多種腫瘤癌癥的治療；（9）采用氬氣、氦氣作為制冷工質(zhì)，手術(shù)費(fèi)用較低。

5 小結(jié)

從國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用和治療效果可見，低溫微型醫(yī)療技術(shù)有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)的相關(guān)科研單位，早在上世紀(jì)，就開展了很多關(guān)于微型節(jié)流制冷技術(shù)的研究，取得了可喜的成果，奠定了該領(lǐng)域研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但并未轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)。相關(guān)院校和單位也進(jìn)行了這方面的研究，但未形成產(chǎn)品。

基于成熟的技術(shù)和廣闊的市場(chǎng)前景，建議從事該領(lǐng)域的科研人員和單位，抓住微型節(jié)流制冷低溫冷凍醫(yī)療仍然處于起步階段和已掌握的成熟技術(shù)，盡快將該技術(shù)民用化、產(chǎn)品化，占領(lǐng)這個(gè)市場(chǎng)。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF A MINIATURE JOULE-THOMSON COOLER IN CRYOSURGICAL

LI Jia-peng，CHEN Xiao-ping，CHEN Jun，ZHOU Jian，TAO Xing-lin
（The Institute of Kunming Physics，KunmingYunnan650223，China）

Miniature Joule-Thomson cooler is widely applied for cooling infrared detector，it is a mature technology. The American company of ENDOCARE has invented the first generation of cryocare（Ar-He knife）systems in the 1990s. The cryocare（Ar-He knife）systems utilizes the Joule-Thomson effect.Its temperature will be rapidly cooled down by the high pressure argon expand from high pressure to low pressure at room temperature，and its temperature will be rapidly warmed up by the high pressure He expand from high pressure to low pressure at room temperature.Cancerous cells will be killed by the temperature exchange of cryocare（Ar-He knife）systems.The technology has been widely applied on cryosurgical and has achieved good therapeutic effect in the treatment of various cancers.Domestic miniature Joule Thomson cooler technology has been carried out for many years and has accumulated a wealth of technical basis，but cryosurgical is still in its initial stage.This paper presents low temperature medical has a broad development prospects in the future and gives an advocation to domestic companies to do more research on miniature Joule-Thomson cooler to promote the application of the cryosurgical technology in medical field.

miniature；Joule-Thomson cooler；cryocare surgical system；cryosurgical

TB69文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1006-7086（2014）06-0311-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.001

2014-06-26

李家鵬（1980-），男，云南大理人，高級(jí)工程師，在讀博士，從事微型制冷器研究。

E-mail：27285385@qq.com