基于環境設計理論的灼傷瘢痕冷凍治療儀創新設計

陳詩元， 張雨捷， 林海陽， 郭 峰， 張執南

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240；2. 上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院， 上海 200025)

當皮膚組織遭受燒、凍、燙等灼傷后，其增生性瘢痕或瘢痕疙瘩一方面會影響身體的正常機能，如關節無法正常轉動，黏連導致某些部位壞死等，另一方面有損患者容貌，治療后易復發，給患者特別是年輕患者帶來極大的心理負擔，嚴重影響身心健康發展.目前，灼傷瘢痕臨床治療方法雖然較多，但各有優缺點，單一療法的效果也不盡如人意.例如，滾扎敷藥法難以保證藥物與病灶的充分作用，瘢痕韌性大、硬度高，致使醫生刺入困難；單純手術切除法創傷大，易復發，給患者帶來較大痛苦；放射及激光療法對設備條件要求較高，費用昂貴；冷凍療法安全、易行，但多為單點接觸式治療，對瘢痕較大或較厚者效率低下，且溫度難以控制[1].因此，開發一種提高療效、改善醫患體驗、減輕治療費用負擔的新型瘢痕治療儀，將具有很高的社會效益和經濟價值.

臨床上冷凍療法多以液氮為冷源，近年來在淺表結節或增生切除方面應用較廣，對于小面積治療有顯著的療效[2].目前治療儀多為平面接觸式或霧狀、流狀噴射式，其中廣泛應用于美容科等小范圍冷凍需求的液氮治療儀[3]，雖冷凍頭尺寸可隨需求而變，但治療機制為液氮汽化流向前端使冷凍頭降溫，進而通過小面積接觸表皮使低溫擴散，易使冷凍不均勻導致局部過冷.劉華志等[4]發明的新型液氮治療儀，通過簡便機構實現液氮致冷，快速有效，但液氮從前端噴出使表皮降溫實現擴散，難以控制流量及監測溫度.常麥霞[5]發明了可移動液氮治療儀，系統安全地使液氮從尖嘴處噴出，應用較廣，整體結構復雜，成本高，且較適用于體表淺病灶區.孫永人[6]發明電子美容器，利用電源使特殊材料相變吸熱致冷，簡單便攜，因冷凍溫度相對固定，治療靈活性受限.

基于均勻刺入式冷凍這一設計要求，本文開發了一種溫度可控、使用簡便、冷凍均勻的新型冷凍治療儀.創新產品開發需要綜合考慮環境因素、設計者和使用者對產品開發的影響，環境設計(Environment-Based Design, EBD)理論的基本思想是綜合分析設計產品的工作環境、產品結構要求和設計產品的性能要求，識別沖突，進而得出設計解決方案.目前已有成功應用EBD方法的案例，例如，Zeng[7]應用EBD公式化求解鉚釘套裝工具設計問題，Tan等[8]應用EBD高效求解企業應用程序集成問題.本文基于EBD理論，建立了市場需求明確的灼傷瘢痕冷凍治療儀設計模型，根據醫患需求環境進行有針對性的概念設計，而后分模塊進行樣機開發，建立了具有較大市場應用前景的灼傷瘢痕冷凍治療儀模型，同時驗證了EBD理論在生物醫學工程領域產品開發方面的可行性和有效性.

1 EBD理論框架

1.1 EBD理論基礎

環境設計理論是一種根據設計建模公理化理論推導出的基于環境的設計方法學，認為產品系統所隱含的設計問題由三部分組成：產品的工作環境(包括自然、人工和人因環境)，對產品的結構需求和對產品的性能需求.在其理論體系下，結構需求和性能需求都與環境聯系緊密，環境分析是獲取優質設計需求的來源[7].

如圖1所示，在EBD理論體系中，設計者在設計工作中所起的作用是針對產品所處的環境，分析其背后隱藏的需求條件，制定草圖或初步計劃.設計者必須理解并分析其環境需求，從而生成相應的解決方案，更好地為其環境服務[9].

圖1 環境設計理論模型Fig.1 Environment-based design model

1.2 EBD應用過程

如圖2所示，EBD認為基于需求的設計主要包括3個環節：環境分析、沖突識別以及解決方案的生成(實線表示順序關系，虛線表示動賓關系).設計者通過這3個環節的相互配合，高效漸進地完善設計細則與方案.其中，環境分析關鍵在于找尋所設計產品的工作環境組成，以及各個環境之間的聯系.在充分獲取客戶需求以及自主補充可能的需求之后，這些需求便可組成EBD求解理論的需求系統，而求解最有效的方法之一為語言分析[10].在建立遞歸對象模型(ROM)后，按照EBD理論的設計準則，設計者容易通過分析環境因素實體之間的矛盾關系發現少數關鍵沖突，進而生成針對性措施，更新ROM，再反復迭代使矛盾數量減少至零，從而得出最終解決方案[11].

圖2 EBD設計過程[8]Fig.2 EBD process[8]

2 基于EBD的創新設計

2.1 設計模型

在本文所要解決的設計問題中，環境分析來源于灼傷瘢痕治療背景.工程師要了解疾病特點，需到醫院(產品工作環境)實地調研，分析得出冷凍治療儀的結構需求和性能需求，并有針對性地對每次迭代設計的主要矛盾加以處理，最后完成冷療儀設計，再通過灼傷瘢痕治療加以驗證.設計過程理念如圖3所示.所有設計模型示意圖中，附點實線表示約束關系，無附點實線表示謂詞關系，無附點虛線表示連接關系.

圖3 基于EBD的冷凍治療儀設計Fig.3 Burn scar cryotherapy device design based on EBD

基于EBD設計邏輯及語言分析方法，本文面向冷凍治療儀設計，設計主旨可用“設計一款冷凍治療儀來提高冷凍療法療效和改善使用者體驗”來概括.建立ROM如圖4所示.因為約束條件最多，所以“冷凍治療儀”“療效”和“體驗”為EBD中的環境關鍵組成部分[8].

對關鍵點進行問題質詢，可進一步更新得到詳細具體的ROM圖.例如，“改善的是哪些人的哪些體驗？”“需要改善的是醫生操作上的體驗以及患者治療時和治療后的感官體驗”.對關鍵的組成部分進行質詢之后，按照設計步驟，對關鍵點之間的聯結進行分析.例如，“如何改善？”“對醫生而言，需要獲得功能為冷針刺入瘢痕時省力和輔助判斷治療進程；對患者而言，需要做到刺入時痛感較低，治療過程簡便省時，后續治療簡單，費用易接受.”經過反復質詢以及修正，完善后的ROM如圖5所示.

圖4 冷凍治療儀設計模型Fig.4 Burn scar cryotherapy device design model

圖5 冷凍治療儀設計ROM最終版Fig.5 ROM of burn scar cryotherapy device

2.2 沖突識別

基于EBD理論，從最終ROM圖中進行重要沖突的識別.沖突識別的多種可能形式如圖6所示.圖6中：A、B1、B2、R1、R2代表不同的對象，A為原始對象，C為可能存在的沖突；B1和B2，R1和R2彼此為平行關系.按照上述方法，列出本文設計項目中的關鍵矛盾，如表1所示.

圖6 ROM圖中3種可能的重要沖突[13]Fig.6 Three key conflicts in burn scar cryotherapy device ROM[13]

矛盾種類序號沖突自然矛盾1提高療效需要人工經驗判斷改善醫生體驗需要減少人工依賴2刺入式相較接觸式冷凍均勻刺入式相比接觸式患者痛感較大3不同病況需控制不同治療時間判斷進程會增加醫生壓力及誤傷正常組織的概率人工矛盾4省力傳動機構放大前端誤差精準下針需要縮小前端誤差人因矛盾5長時間低溫易使組織過冷保持低溫能加快冷凍速度

表2 數值模擬參數設置Tab.2 Input parameters of simulation

2.3 概念設計

在EBD理論中，需要解決的矛盾先后順序為：自然矛盾>人工矛盾>人因矛盾.針對表1中的矛盾，本文按照EBD理論順序依次進行概念設計.

沖突1，2，3 刺入式冷凍機制不明

傳統的冷凍療法多采用接觸或噴灑式，易出現過冷或冷凍不均，療效較差.近年來對低溫冷凍組織進行數值仿真研究方法發展較快，其結果對生物醫療器械的設計具有很高的參考價值[12].對皮膚傳熱分析與普通傳熱分析不同在于，由于皮膚組織各層成分不同，熱物性參數也就不同，以及相變會導致這些參數發生改變，所以本文利用MATLAB軟件，對冷針刺入皮膚組織的溫度場變化進行數值模擬分析，探究刺入式冷凍的治療機制，即冷針刺入皮膚的深度與溫度擴散范圍之間的關系.

基于非傅里葉傳熱方程與有限差分方法對皮膚進行數值模擬，其中控制方程(CV本構關系)為

其中：τ代表傳熱弛豫時間，表征溫度在皮膚組織中傳導遲滯的程度；ρ和c分別代表組織的密度與比熱容；ω代表血流灌注率；k代表導熱系數；t代表時間；T代表溫度；Qm代表平均的新陳代謝產熱；X代表位置；下標b代表血液.

有限差分公式為

其中：Δx為空間步長，下標i為網格離散化后的序號.

設置冷針刺入時溫度恒為 —196 ℃，刺入深度為5 mm，冷針直徑為0.6 mm，皮膚初始溫度37 ℃，皮膚表面與空氣存在對流換熱，設置弛豫時間為 2.5 s.相關參數設置如表2所示[13]，得到冷凍20 s后皮膚溫度場如圖7所示，結果顯示皮膚表面冷凍結冰范圍半徑為距冷針壁面 2.32 mm.

圖7 冷針刺入數值模擬結果Fig.7 Simulation results of cryotherapy treatment

沖突4 省力與精準的矛盾

由于灼傷瘢痕一般韌度和硬度較大，所以醫生在臨床上實施滾扎緩釋法時需要花費較大的力氣，這給醫患雙方帶來較大的痛苦；在刺入式冷凍的過程中，醫生需要根據瘢痕的形狀調整針頭的陣列，精準地刺入一定深度.結合實時調整陣列的需求，本文設計了一種多針頭注射輔助裝置——冷凍頭，如圖8所示.通過彈簧以及相互錯開的擋板配合，可以實現當套裝普通針頭或冷針時冷凍頭導通，未套裝時冷凍頭封閉，從而實現根據瘢痕形狀實時調整所需陣列.

圖8 多針頭注射輔助裝置Fig.8 Burn scar cryotherapy device

圖9 刺入式冷凍槍Fig.9 Piercing type freezing gun

同時，本文選擇的液壓傳動機構經驗證具有施力平穩、振動較小、傳動效果良好的特點，適用于文中工況[14].結合上述需求，本文還設計了一種用于刺入式冷凍療法的冷凍槍，如圖9所示[15].其中，大小針筒實現液壓省力傳動，前端的貯液容器螺紋連接若干冷凍頭，可以套裝所需數量及陣列的針頭，在容器后部設有短桿，一方面起復位作用，另一方面有限位功能，輔助醫生判斷刺入深度，一般最多可達 5 mm.

沖突5 控制治療溫度

冷凍治療一般以 —40 ℃為臨界溫度，即當病灶細胞冷凍至 —40 ℃時療效最佳[16].由MATLAB模擬結果可見：當冷源溫度過低時，冷針壁面結冰范圍內在短時間內達到過冷，易造成組織不可逆傷害，故需能控制冷針溫度，對該冷凍槍即為控制流入貯液容器的溫度.

1—液氮罐，2—鋁管，3—增壓控壓裝置4—外管，5—內管，6—溫度控制裝置圖10 液氮供冷裝置示意圖Fig.10 Liquid nitrogen cooling device schematic

本文設計了一種溫度可控的液氮供冷裝置，如圖10所示.1為臨床常用液氮罐；2為輸送液氮的鋁管；3為限壓控制器與充氣泵組合的控壓裝置，通過控制充氣泵的開關，調節液氮罐內的壓力，從而控制輸送液氮的流量；4和5為雙層管設計，內管輸送液氮，外管利用液氮的余溫實現對內層的保溫；6為前端小范圍控溫裝置，通過溫度傳感器信號控制電磁閥的開度從而控制精確控制液氮流量.

該裝置提供液氮流入，套裝針頭受固定在面板上的冷凍頭導通，則液氮流入針頭，使之降溫.針尖為封閉式，防止液氮直接噴出接觸皮膚，使病灶過冷壞死，甚至凍傷正常皮膚.通過增壓穩壓控制向前輸送液氮的壓力即流量，大范圍內調整到達前端的液氮溫度，再通過前端溫度反饋控制分流閥開度來進一步精確控制流入面板的流量，從而控制前端針尖溫度，保證治療效果.本文通過在臨床常用的液氮罐上加裝自主設計的蓋子和配管等，組成一整套供冷裝置，實現一定精度內的溫度控制，保證按需求對病灶區提供適宜的恒低溫.

針對上述關鍵矛盾生成解決方案，樣機的設計開發進程高效有序，經驗證及修正最終完成灼傷瘢痕冷凍治療儀的創新設計，如圖11所示.

圖11 灼傷瘢痕冷凍治療儀Fig.11 Burn scar treatment instrument

圖12 兔耳瘢痕模型冷凍實驗Fig.12 Rabbit ear scar model freezing experiment

2.4 概念評價

為評估上述概念設計方案，本文通過動物實驗對刺入機制進行驗證.使用兔耳瘢痕模型[17]及自主改造的針頭進行刺入式冷凍，實驗過程和實驗結果如圖12所示.實驗采用成年新西蘭長耳兔3只，體重4～5 kg，月齡約3月，并設1組為空白對照.實驗地點為上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院動物實驗中心.實驗結果表明，共5組兔耳瘢痕模型，冷凍 20 s 后平均結冰白斑半徑R為 (2.50±0.08) mm，距冷針壁面 (2.20±0.08) mm與模擬結果一致性良好，驗證了數值模擬方法的可靠性，為冷針面板的設計及冷凍治療時間的把控提供了有力的參考依據.醫生在后續操作中，基于前文闡明的刺入式治療機制，可根據病灶表皮出現的白斑擴展情況輔助判斷治療進程，且刺入式冷凍較接觸式能更好地將冷源溫度在短時間內擴散至整個病灶區，具有易判斷、快治療、精準醫療的優勢.由于時間關系，本文只完成了單針刺入式冷凍動物驗證實驗，對多針陣列下刺入式冷凍的應用仍需進一步的實驗探究.

3 結語

本文通過對灼傷瘢痕冷凍治療儀產品所處的環境(疾病治療背景、產品使用環境等)進行分析，挖掘關鍵矛盾，建立基于EBD理論的治療儀設計ROM，實現了基于嚴謹有序流程的創新方案生成.

基于細化的ROM及主要矛盾表，通過數值模擬探明了刺入式冷凍的治療機制，為冷凍治療儀的設計奠定了理論基礎，進而基于沖突分析法，提出了適用于刺入式冷凍治療的創新設計方案，并進行了初步驗證.研究結果表明，環境設計理論在生物醫學工程領域創新產品開發中具備可行性.后續研究會進一步對整個系統的功能和性能進行實驗驗證，為進入臨床使用以及推廣至其他淺表增生性病變的治療提供參考.