王宏宇 張紹志 陳光明 呂維敏 姜紅強

(1浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2浙江省醫(yī)療器械研究所 杭州 310009)

(3浙江省建筑設計研究院 杭州 310006)

1 引言

長期以來中國腫瘤治療以手術切除、放療和化療為主，但是治愈率不高，患病部位不能手術切除的癌癥病人的治療是臨床難題［1］。微創(chuàng)低溫冷凍治療利用尺寸很小的探針做穿刺插入病變組織，具有出血少、反應輕、安全性高、康復時間短等優(yōu)點，一定程度上防止腫瘤擴散，綜合治療療效顯著［2-4］。在肺癌、肝癌、前列腺癌和乳腺癌等多發(fā)性腫瘤的治療中，微創(chuàng)低溫冷凍治療的應用廣泛［5-12］。目前，微創(chuàng)低溫冷凍治療的主要設備是“氬氦刀”，其低溫探針內部包含一個小型J-T節(jié)流制冷器，通過高壓氬氣節(jié)流獲得冷量，為了獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量，如何設計逆流換熱器和節(jié)流噴嘴是關鍵［13］。Chou等人對節(jié)流噴嘴處的膨脹過程進行了理論研究［14］，Chien等人對J-T節(jié)流制冷器的瞬態(tài)過程進行了數(shù)值模擬［15］，Xue等、Ng等、Chua等和 Hong等分別對應用于J-T節(jié)流制冷器的不同尺寸大小的小型逆流換熱器進行了模擬和實驗研究［16-19］，Kylie等和 Nellis等采用ε-NTU法對低溫探針的結構尺寸進行了設計優(yōu)化［20-21］，Yu等人對Endocare公司生產的不同直徑的低溫探針進行了性能測試［22］。鑒于中國國內“氬氦刀”設備仍嚴重依賴進口的現(xiàn)狀，本文作者設計制作了5 mm直徑的低溫探針，并對其性能進行了試驗研究。

2 低溫探針結構

圖1為設計制作的5 mm直徑低溫探針內部結構示意圖，探針主要包括，外管、芯軸、螺旋翅片管逆流換熱器、膨脹空間和節(jié)流噴嘴。

圖1 探針結構示意圖Fig.1 Structure diagram of a cryoprobe

5 mm直徑探針的制作，主要包括:換熱器結構設計、材料選擇、螺旋翅片管換熱器的繞制，節(jié)流噴嘴設計，膨脹空間大小設計等，本研究探針內部結構尺寸如表1所示。

表1 探針內部結構尺寸Table 1 Inner structure dimensions of a cryoprobe

3 實驗測試系統(tǒng)

圖2所示為低溫探針測試系統(tǒng)圖，主要包括進氣部分、真空環(huán)境測試部分，回氣收集測量部分和數(shù)據(jù)采集部分。進氣部分包括氬氣源、減壓閥、預冷換熱器和進氣溫度壓力測點。氬氣最高壓力40 Pa，純度99.999%。減壓閥額定最大入口壓力69 MPa，出口壓力范圍0.35ˉ41 MPa。預冷換熱器的冷源是冷凍酒精，通過加入醫(yī)用冰袋來改變酒精的溫度，進而調節(jié)高壓進氣溫度。壓力傳感器P0、P1的量程是0ˉ50 MPa，精度 ±0.5%FS，分別用來測量預冷換熱器前后的氣體壓力。溫度傳感器T0、T1是T型熱電偶，標定精度為±0.5 K，分別用來測量換熱器前后的氣體溫度。真空環(huán)境測試部分是將低溫探針置于真空環(huán)境中，通過熱平衡法測量探針的制冷量。低溫探針的外管固定于試驗臺上，如圖2中4號裝置所示，探針外管端部布置有壓力傳感器P3(量程－1ˉ5×105Pa，精度±0.3%FS)和溫度傳感器T3(T型熱電偶，標定精度為±0.5 K)，分別用來測量高壓氬氣節(jié)流之后的壓力和溫度，測試時只需將繞制好的內部結構部分插入外管即可組成低溫探針。真空罩中真空環(huán)境通過采用F-100/110分子泵機組(極限壓強:6×10－6ˉ6 ×10－7Pa)抽真空獲得，同時采用 ZDFˉⅢ型系列電阻/電離復合真空計(1×105ˉ1×10－5Pa)對真空壓力進行測量。熱平衡法測量制冷量時，在探針外管上均勻纏繞電加熱絲，通過可控電源控制熱量平衡。電加熱絲采用鎳鉻加熱線，可控電源采用固緯PSP-603型可編程交換式直流電源?；貧馐占瘻y量部分主要包括集氣罩、流量計和溫度壓力傳感器。通過集氣罩將排氣收集起來統(tǒng)一通過流量計排入大氣來測量氬氣的消耗量。流量計的量程是0ˉ50 SLPM，精度為±(1.5+0.2FS)%。集氣罩內布置壓力傳感器 P4(量程 －1ˉ5×105Pa，精度 ±0.3%FS)和溫度傳感器T4(T型熱電偶，標定精度為±0.5K)，分別用來測量回氣的壓力和溫度。數(shù)據(jù)采集部分包括數(shù)據(jù)采集器和計算機。工作中所有的傳感器信號輸出均是電壓信號或電流信號，采用Agilent 34970A Data Acquisition/Switch Unit進行數(shù)據(jù)采集，并連接計算機進行記錄。

圖2所示的實驗裝置真空腔可以拆卸。將探針置于大氣環(huán)境中，壁面布置溫度傳感器可以測量低溫探針的降溫特性和壁面溫度分布。將探針置入水浴中可以測量冰球形成大小。

圖2 實驗裝置系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

4 實驗和結果討論

根據(jù)低溫治療冷凍消融原理可知，低溫探針快速的降溫和復溫可以有效的殺傷、殺死病變組織。較低的探針壁面溫度和較大的制冷量可以在臨床上形成較大的冰球。因此降溫特性和可以形成冰球大小是評價低溫探針性能的重要指標，本研究對設計制作的5 mm直徑低溫探針進行了降溫特性、制冷量和形成冰球能力測試。

4.1 低溫探針降溫特性

實驗開始前，首先將制作的微型螺旋翅片管換熱器插入圖2實驗臺上的固定外管中，然后將換熱器進氣端接入實驗臺高壓進氣系統(tǒng)中。低溫探針的降溫特性試驗在空氣中進行，將圖2實驗臺的真空罩撤下，使探針裸露于空氣中。在探針外壁布置溫度測點，溫度傳感器采用銅-康銅熱電偶，布置如圖3所示，圖中測點分別表示距離探針尖端 0.5，1，2，3，4，5，6 cm。

實驗開始，打開安捷倫數(shù)據(jù)采集程序，打開高壓氣體減壓閥調節(jié)出口壓力為20 MPa，持續(xù)運行約5 min。之后輸出數(shù)據(jù)分析。進氣溫度為室內當時溫度296.3 K。

圖3 探針溫度測點分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of probe measuring points

根據(jù)上述外部設定，對5 mm直徑探針降溫特性進行測定，結果如圖4所示。運行時，探針高壓氬氣流量約為0.9 g/s。開機54 s后，探針節(jié)流后膨脹空間溫度降低至112.9 K，距離探針端部2 cm處壁面溫度達到約130 K。探針端部3 cm左右的區(qū)域內壁面溫度在150 K左右。距離探針端部6 cm的探針壁面溫度為230 K?；貧獬隹跍囟确€(wěn)定在約289 K，說明換熱器換熱效果良好，回熱效率達到要求。Yu等人對臨床應用的進口5 mm直徑探針測試發(fā)現(xiàn)，在空氣中運行時，距探針2 cm距離的探針壁面溫度為170 K［22］。對比可以發(fā)現(xiàn)本研究制作低溫探針可以達到更低的壁面溫度。

圖4 5 mm直徑探針不同測點降溫曲線Fig.4 Cooling curves of different measuring point in 5 mm diameter probe

4.2 低溫探針冷量輸出

低溫探針的制冷量采用熱平衡法進行測量。實驗系統(tǒng)安裝如圖2所示。實驗開始，首先打開分子泵系統(tǒng)，給真空腔創(chuàng)造真空環(huán)境，當分子泵電離規(guī)顯示真空穩(wěn)定時開始進行探針制冷量測量。打開安捷倫數(shù)據(jù)采集程序，同時將電加熱絲功率調至0 W。打開高壓氣體減壓閥設定探針進氣壓力和進氣溫度。開機后約1 min，節(jié)流之后溫度達到穩(wěn)定，此時緩慢調節(jié)電加熱功率，使回氣出口溫度緩慢上升至275 K并保持穩(wěn)定，記錄此時電加熱量為當時節(jié)流之后溫度下的測定制冷量。按照此實驗過程，測定不同進氣壓力、不同進氣溫度下探針的流量和制冷量。

不同進氣壓力下的制冷量測量實驗共6組，各組進氣壓力在15ˉ20 MPa的范圍內按1 MPa間隔設定。各組實驗進氣溫度為當時室內溫度約290 K，真空腔真空壓力均為3.2×10－2Pa，實驗結果如表2所示?？梢钥闯?，隨著進氣壓力的增大，流量呈線性增加。這符合流體流動的一般規(guī)律，在流體通道一定的情況下，入口壓力增大會使流體流速增大，因此流量會增加。制冷量也隨進氣壓力的增大而增大，但是增幅存在差異，隨著進氣壓力的增大制冷量的增幅也是逐漸增大的。這是因為，隨著制冷量的增大，進氣節(jié)流前被預冷的溫度更低，氬氣的節(jié)節(jié)流制冷效率更高。

表2 進氣壓力對探針制冷量的影響Table 2 Influence of inlet gas pressure to probe refrigeration process

不同進氣溫度下的制冷量測量共有3組實驗。通過調節(jié)酒精預冷換熱器中酒精的溫度，改變進氣溫度。進氣壓力設定為19 MPa，真空壓力為3.2×10－2Pa。實驗結果如表3所示?？梢钥闯觯M氣溫度的變化對氬氣流量的影響可以忽略。但是，進氣溫度變化對制冷量的影響是十分顯著的。當進氣溫度從290.4 K降低到279.4 K時，制冷量可以增加約14%;當進氣溫度從290.4 K降低到274.3 K時，制冷量可以增加約24%。這是因為，進氣入口溫度降低，可以使節(jié)流前氣體溫度降低，此時節(jié)流制冷量更大，同時節(jié)流效率也更高。

表3 進氣溫度對探針制冷過程的影響Table 3 Influence of inlet gas temperature to probe refrigeration process

4.3 低溫探針形成冰球能力

實驗將5 mm低溫探針放入291 K水中。開機進氣溫度設定為當時室內溫度290.4 K，進氣壓力設定為18 MPa。開機5 min之后冰球增長速度變慢，直徑變化不明顯。取出冰球采用游標卡尺測量冰球的軸向長度和直徑，如圖5所示。測量的冰球的軸向長度為4.9 cm，直徑為2.8 cm。采用融化方法測冰水質量，通過密度換算能夠得到冰球的體積。將探針連同冰塊取出后放入清潔干燥小燒杯，當冰塊融化后，通過電子天平(梅特勒ˉ托利AL104型電子天平，精度0.1 mg)稱取燒杯內的冰水質量為12.852 g，按照冰的密度為0.9×103kg/m3，可知冰球的體積為14.28 cm3。

圖5 冰球直徑測量Fig.5 Ice ball diameter measuring

Yu對臨床應用5mm直徑低溫探針測試發(fā)現(xiàn)，最大可形成冰球尺寸為5 cm×4 cm［22］。本研究制作5 mm直徑低溫探針在18 MPa進氣壓力下即可形成尺寸為4.9 cm×2.8 cm的冰球，說明探針的制冷性能已基本達到臨床應用探針的水平。

5 結論

設計制作了5 mm直徑的氬氦刀低溫探針，并通過實驗研究了自制探針的降溫特性和冰球形成能力，得到了以下結果:

(1)在進氣壓力20 MPa時，探針處于296.3 K空氣中，其最低制冷溫度可以達到112.9 K;

(2)進氣壓力18 MPa時，5 min內探針能夠在291 K的水中形成尺寸4.9 cm×2.8 cm大的橢圓冰球;

(3)降低進氣溫度可以有效提高探針的制冷量，進氣溫度從18℃降低至0℃，制冷量同比提高約24%。

上述結果表明，自制低溫探針的制冷性能良好。

1 王立波.適形放療與調強適形放療技術的劑量學比較研究［D］.吉林:吉林大學，2010:4-6.Wang Libo.Dosimetric study of intensity-modulated radiotherapy compared withconventionalthree-dimensional conformal radiotherapy［D］.Jilin:Jilin University，2010:4-6.

2 Sharon M W ，F(xiàn)red T L.Cryoablation:history，mechanism of action，and guidance modalities［M］.New York:Springer，2005:250-265.

3 Rubinsk Y B .Cryosurgery［J］.Annual review of biomedical engineering，2000(2):157-187.

4 張積仁.Cryocare氬氦靶向腫瘤治療技術［J］.生物醫(yī)學工程研究，2005，24(2):128-133.Zhang Jiren.Endocare Targeted Cryoablation Therapy［J］.Journal of Biomedical Engineering Research，2005，24(2):128-133.

5 Wang Hongwu，Littrup P J，Yunyou Duan，et al.Thoracic masses treated with percutaneous cryotherapy:initial experience with more than 200 procedures［J］.Radiology，2005，235:289-298.

6 Mathur P N，Edell E，Suted JA T，et al.Treament of early stage nonsmall cell lung cancer［J］.Chest Journal，2003，123(1):176-180.

7 Fang W，Teng G J，He SC，et a1.Percutaneous cryoablation combined with TACE for liver carcinoma［J］.Modern Medical Journal，2004，32(6):382-385.

8 Lau W Y ，Thomas L W T ，Simon C H Y，et al.Percutaneous Local Ablative Therapy for Hepatocellular Carcinoma:A Review and Look into the Future［J］.Annals of Surgery，2003，237(2):171-179.

9 Jorge R，Matvey T，Vladimir M，Masaki K，et al.Complications and postoperative events after cryosurgery for prostate cancer［J］.BJU International，2012，109(6):840-845.

10 Pisters L L，Eschenbach A C V，Scott S M，et al.The efficacy and complications of salvage cryotherapy of the prostate［J］.The Journal of Urology，1997，157(3):921-925.

11 Zhang Aili，Lisa X，Georga A S，Zhang Jiayao.A microscale model for prediction of breast cancer cell damage during cryosurgery［J］，Cryobiology，2003，47(2):143-154.

12 Junichi h，Kazuko D，Masutak A F.Combination cryosurgery with hyperthermia in the management of skin metastasis from breast cancer:A case report［J］.International Journal of Surgery Case Reports，2012，3(2):68-69.

13 Liu J.Fundamentals of Cryogenic Biomedical Engineering［M］.Peking:Science Press，2007:32-36.

14 Chou F C，Wu SM，Pai CF.Prediction of final temperature following Joule-Thomson expansion of nitrogen gas［J］.Cryogenics，1992，33(9):857-862.

15 Chien SB，Chen L T，Chou F C.A study on the transient characteristics of a self-regulation Joule-Thomson cryocooler［J］.Cryogenics，1996，36(12):979-984.

16 Xue H，NG K C，Wang JB.Performance evaluation of the recuperative heat exchanger in a miniature Joule-Thomson cooler［J］.Applied Thermal Engineering，2001，21(18):1829-1844.

17 Ng K C，Xue H，Wang JB.Experimental and numerical study on a miniature Joule-Thomson cooler for steady-state characteristics［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002 ，45(3):609-618.

18 Chua H T，Wang Xiaolin，Hwee Y T.A numerical study of the Hampson-type miniature Joule-Thomson cryocooler［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2006，49(3-4):582-593.

19 Hong Y J ，Park S J，Kim H B.The cool-down characteristics of a miniature Joule-Thomson refrigerator［J］.Cryogenics，2006，46(5):391-395.

20 Kylie F，Gregory N，Sanford K.A design method for mixed gas Joule-Thomson refrigeration cryosurgical probes［J］.International Journal of Refrigeration，2006，29(5):700-715.

21 Nellis G F，Klein SA，Keppler F，et al.Design data for optimization of cryosurgical probes Ashrae1246-TRP［EB/OL］.http://sel.me.student%20pages/fredrickson/website/progressreport3.pdf.

22 于天驊，王洪武，周一欣，等.Endocare型氬氦冷刀凍結與復溫性能的實驗研究［J］.航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2003，16(1):60-63.Yu Tianhua，Wang Hongwu，Zhou Yixin，et al.Measurement and analysis of operation performance of the Endocare Cryoprobe System［J］.Space Medicine＆ Medical Engineering，2003，16(1):60-63.