微型節流制冷器在低溫醫療中的發展與應用

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）

微型節流制冷器在低溫醫療中的發展與應用

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）

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

微型；節流制冷器；氬氦刀；低溫醫療

0 引言

微型節流制冷器長期用于冷卻紅外探測器組件，由于啟動時間快、干擾小、成本低廉等原因，在紅外制導等武器系統中得到廣泛應用。如何將軍工高科技轉化為民用技術，一直是該領域科研人員不斷探索的問題。1993年6月，美國ENDOCARE公司利用微型節流制冷器技術發明第一代CRYO-CARE（氬氦刀）系統，該系統采用多項美國航天技術專利研制而成，將微型節流制冷技術引入低溫醫療，該技術兼具超低溫冷凍、介入治療和免疫治療等多重效能。1999年，我國張積仁教授引進亞洲第一臺CRYOCARE系統，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，即當氣體在管道中流動時，由于局部阻力，如遇到縮口和調節閥門時，其壓力顯著下降，這種現象叫做節流。大多數氣體遭遇節流后溫度將下降，如氬氣和氧氣。而某些氣體，例如氫氣和氦氣，溫度反而上升。

在紅外制導中，微型節流制冷器只考慮制冷。但在低溫醫療系統中，需要高低溫快速交替殺死癌變細胞，因此在氬氦刀系統中，需要增加制熱系統。氬氦刀系統[2-3]主要由冷刀、制冷系統、制熱系統、溫度檢測系統構成，有些設備集成了CT、B超等監控系統，其系統簡要結構如圖1所示。

圖1 氬氦刀系統簡要結構

氬氦刀的工作原理：利用在常溫下氬氣快速節流制冷原理產生快速降溫，利用在常溫高壓下氦氣節流制熱原理快速恢復溫度。氬氣和氦氣儲存于氣瓶中。氬氣的降溫和氦氣的升溫均在極短時間內發生。氬氦刀的工作壓力在31 MPa，采用氬氣作為制冷工質，數十秒（一般小于50 s）內即可使針尖溫度降至-175℃，根據治療需要，冷凍幾分鐘到十幾分鐘之后又采用氦氣作為制冷工質，在數十秒（一般小于50 s）內使溫度升至45℃[4]，根據治療需要，如此往復治療多次。降溫和升溫速度（通過調節氣體壓力和氣體流量實現）、制冷時間和溫度，可通過冷-熱轉換系統預先精確設定或自動控制，其結構如圖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，構成氬氦刀的熱交換器，工作時高壓氬氣通過翅片管的內部進入，在氬氦刀的前端節流噴嘴處發生節流制冷，將氬氦刀尖快速冷卻，回流氣體從翅片管外部走，與翅片管內的氣體發生熱交換，預冷翅片管內的入流氣體。刀尖可在幾十秒內達到-175℃。為了保護穿刺過程中，對正常組織的保護，只對癌變細胞進行治療，氬氦刀的刀柄采用絕熱層，只在刀尖2～3 cm處產生制冷。氬氦刀的頂端有測溫元件，可實時獲取刀尖的溫度。當需要快速制熱回溫時，氬氣關閉，進入的氣體變成高壓氦氣，節流制熱，將刀尖快速回溫到45℃。

圖2 氬氦刀自測溫冷刀內部解剖圖

2 國內外的發展

2.1 國外的發展情況

微型節流制冷技術應用于低溫醫療并取得工程化成果是1993年6月，美國ENDOCARE公司利用微型節流制冷器技術發明第一代CRYOCARE（氬氦刀）系統。目前國際上發展的氬氦刀系統主要有美國的ENDOCARE公司和以色列Cryo-HITTM。

美國ENDOCARE公司是世界上最早工程化應用氬氦刀的公司。目前，美國的氬氦刀已發展到第五代。從美國氬氦刀的網站和相關報道可了解，美國ENDOCARE公司擁有獨特的專利技術：冷刀測溫、真空絕緣、絕熱膨脹、過壓保護、獨立控制、可變冰球，其簡要結構如圖3所示。

圖3 美國氬氦刀冷刀簡要結構圖

美國氬氦刀的直徑有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家專利，通過滑鈕改變真空絕緣層長短，改變冷凍室長短，產生長中短、大中小三種冰球。目前該公司發展了C型冷刀、R型冷刀、V型冷刀。

目前，美國ENDOCARE公司是全世界氬氦刀應用最廣泛的公司，國內“氬氦刀”一詞也是引進美國ENDOCARE公司的產品后翻譯而來。圖4為美國ENDOCARE公司的產品和冷刀。

圖4 美國氬氦刀產品和冷刀外形圖

以色列伽利略公司也是利用國防技術中的微型節流制冷技術，其原理與美國ENDOCARE公司一樣。產品（如圖5所示）稱為“Cryo-HITTM低溫冷凍手術系統”。與同類產品相比，Cryo-HITTM低溫冷凍手術系統具有六大優勢，即唯一可在磁共振引導下進行冷凍介入治療、超細1.47 mm探針、5組25探針組合、具有iThaw升溫技術無需氦氣升溫、多點立體監測溫度、具有治療計劃系統等。磁共振兼容型低溫冷凍手術系統代表了該類產品最高技術水平，具有較大的創新性和先進性。

圖5 Cryo-HITTM低溫冷凍手術系統產品和冷刀外形圖

Cryo-HITTM低溫冷凍手術系統探針規格有1.47 mm、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm。其最小直徑的探針比美國ENDOCARE公司的小。超細探針對正常組織損傷更小，并發癥發生率低，臨床應用于肺癌，氣胸發生率明顯低于2 mm探針的氣胸發生率。超細探針更便于操作，穿刺更容易、更順暢。不同型號的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 國內的發展情況

國內相關科研單位，早在上世紀，就開展了很多關于微型節流制冷技術的研究，并取得了可喜的成果[6-8]。但相關技術主要應用于軍事紅外上，并未實現民用化。

國內低溫冷刀研制最早主要集中在早期的液氮浸泡式或蒸發液氮方式，這方面以浙江省醫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，國內相關院校也開展了氬氦刀方面的研究，上海理工大學[10]和上海交通大學[11]與相關單位合作，采用預冷方法，用制冷系統產生的冷量預冷氮氣到一定溫度，制冷工質再輸送到冷刀進行節流，進一步降低氮氣溫度，其結構如圖6所示。其優點為：（1）可以增加焓差，從而增大制冷功率；（2）可以縮小冷刀內換熱器的尺寸，從而實現冷刀的微型化；（3）可以大大降低壓力，確保系統的安全；（4）冷刀內的節流裝置尺寸很小，很容易被污染物堵塞，導致性能下降，預冷過程可以在這些污染物到達節流裝置之前被過濾去除。

圖6 上海理工大學低溫冷凍系統結構示意圖

3 治療原理與應用

3.1 治療原理

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

3.2 應用

從美國氬氦刀和以色列伽利略的網站報道的數據可知，目前美國已有450多家醫院，1 500多名醫生，每年采用氬氦刀進行1萬多例腫瘤患者治療。而以色列的伽利略生產的氬氦刀目前在歐美及全球已銷售400多臺。國內的幾十家著名的腫瘤醫院也開展了這方面的工作，并進行了各類腫瘤手術治療幾千起。從這些報道看，進行低溫冷刀治療后，都取得了較好的治療效果。

采用氬氦刀治療腫瘤操作簡單、腫瘤消融效果確切、適應癥廣、對病人損傷小、靶向性強、治療中靶區可實時監測，能迅速減輕中晚期癌癥患者的痛苦和提高生存質量，已成為目前國際上低溫靶向治療領域高科技發展的更新換代技術。

目前，氬氦刀已廣泛應用于各種癌癥、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、轉移性胃腸腫瘤等實體腫瘤、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 優缺點

與傳統的液氮刀采用的液氮浸泡式或蒸發液氮方式相比，氬氦刀的結構要更復雜，設備成本也相對昂貴，但氬氦刀相對于傳統的治療手段有以下優點[12-13]；

（1）手術時間比常規手術大大縮短，冷刀直徑比傳統的液氮刀小，創傷很小，出血極少，有利于保護機體免疫力；（2）氬氦刀插入到病變組織后再啟動，避免在插入的過程中凍傷無病變組織；（3）可以反復做手術，對復發或多器官轉移者尤為適宜；（4）減少擴散機會；（5）手術成功率可達到98%以上；（6）手術并發癥少；（7）適合綜合治療；（8）適應性廣，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，手術費用較低。

5 小結

從國內外的應用和治療效果可見，低溫微型醫療技術有廣闊的應用和發展前景。國內的相關科研單位，早在上世紀，就開展了很多關于微型節流制冷技術的研究，取得了可喜的成果，奠定了該領域研究的堅實基礎，但并未轉化為民用技術。相關院校和單位也進行了這方面的研究，但未形成產品。

基于成熟的技術和廣闊的市場前景，建議從事該領域的科研人員和單位，抓住微型節流制冷低溫冷凍醫療仍然處于起步階段和已掌握的成熟技術，盡快將該技術民用化、產品化，占領這個市場。

[1]張積仁.氬氦靶向腫瘤治療技術[M].香港:Pioneer Biosci-encePublishingCo，2003.

[2]Paul W Mikus，Jay J Eum，Irvine.Cryoprobe system:US，6251105B1[P].June.26，2001.

[3]Alexander Levin，Binyamina.Cryosurgical Instrument and Its AccessorySystem：US，2004/0078033A1[P].Apr.22，2004.

[4]陳永成.以色列國Cryo-HITTM低溫冷凍手術系統在腫瘤治療中的應用[J].醫療裝備，2008（5）:18-21.

[5]徐克成，牛立志.腫瘤冷凍治療學[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2007.

[6]陳曉屏.微型低溫制冷技術的現狀和發展趨勢[J].紅外與激光工程，2007，37（1）:45-49.

[7]李家鵬，陳曉屏，陳軍.微型節流制冷器啟動時間的理論分析[J].紅外與激光工程，2009，38（1）:27-30.

[8]楊家艾，胡穎濤，劉剛.噴射式J-T制冷器的流量比研究[J].激光與紅外，2007，37（8）:750-752.

[9]章忠敏，毛欣欣.心臟房顫低溫治療器械［J］.低溫與超導，1998，26（2）:8-12.

[10]趙慶孝，楊鵬飛，常兆華.新型超低溫冷凍醫療系統的設計與實驗研究[J].制冷學報，2009，30（6）:57-60．

[11]蘇穎穎，常兆華，王成燾.新型多刀腫瘤超低溫冷凍治療設備的研制及性能試驗[J].上海交通大學學報，2009，43 （4）:648-652．

[12]王毅.氬氦刀妙手治腫瘤[J].中國保健營養，2004（7）:20-22．

[13]嚴嘉，童明偉，徐廣才，等.冷凍手術刀的應用與發展近況[J].醫療衛生裝備，2005，26（11）:28-30.

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文獻識別碼：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，高級工程師，在讀博士，從事微型制冷器研究。

E-mail：27285385@qq.com