3D打印液冷型醫(yī)用冰帽冷卻特性實驗研究

蔣魯鳴，張華，黃震

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

0 引言

醫(yī)用冷帽可降低腦部溫度，進而可降低顱內(nèi)壓力、延緩腦細胞在缺氧條件下的功能衰竭，促進神經(jīng)功能恢復，因此在腦血管類疾病的治療中可采用冷帽降溫[1-5]。化療作為應對惡性腫瘤的有效治療方法，治療過程中往往伴隨較強的毒副作用，尤其是化療過程中的脫發(fā)，給患者帶來生理和精神上的雙重痛苦，特別是一些女性患者甚至會放棄化學治療。近年來研究表明冰帽對頭皮降溫可減少化療所引起脫發(fā)。其機理是在化療過程中佩戴冰帽，使毛囊所處的頭皮層溫度下降，減緩頭皮組織細胞的代謝速率，局部化療藥物濃度降低，降低化療藥物的毒副作用，減輕脫發(fā)反應[6-8]。

根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，目前冰帽可分為氣冷型冰帽、相變材料冰帽以及液冷型冰帽3種類型[9-20]。氣冷型冰帽一般采用空氣作為冷卻介質(zhì)，即吸取周圍環(huán)境空氣經(jīng)過制冷裝置冷卻降溫，再將冷空氣通入冰帽中來對頭皮進行冷卻。由于空氣的蓄冷能力有限，導致氣冷型冰帽降溫速率較小，而且進排風時風機的噪音較大，氣冷型冰帽現(xiàn)已使用很少。

相變材料冰帽利用材料的相變潛熱(固液或固氣相變)來吸收頭皮熱量，降低頭皮溫度，常用的相變材料為冰或者干冰。冷帽材料相變釋冷后不能繼續(xù)工作，需將冰帽放置在低溫環(huán)境中重新蓄冷才能再次使用，因此相變材料冰帽的降溫性能與相變材料的充填量及其熱力特性有關。由于冷帽頻繁蓄冷，相變材料冰帽的有效冷卻時間較短，其降溫效果隨著使用次數(shù)的增多而逐漸退化。由于常用相變材料的相變溫度較低，釋冷速度不均勻，患者自身感受差，冷帽可調(diào)節(jié)性差。

本文選擇液冷型冰帽技術路線，按照頭型，設計多路微通道液流回路強化冷卻速度和均勻性，實現(xiàn)輕便、舒適以及換熱性能好的冰帽。為此，搭建了冰帽性能測試實驗系統(tǒng)，通過招募志愿者實際佩戴冰帽，對冰帽降溫性能進行實際測試，研究改變冷卻液的初始溫度和循環(huán)流量，分析了兩者對于頭皮溫度分布的影響。

1 液冷型冰帽的性能測試系統(tǒng)

冷帽經(jīng)3D 塑料打印制成，恒溫裝置與冰帽的連接管路用保溫套管保溫，塑料冰帽外附加保溫套，降低冰帽與外部環(huán)境間的換熱量。冰帽性能測試實驗系統(tǒng)由恒溫裝置、PU 連接管路、冰帽主體、保溫套、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 冰帽性能測試實驗系統(tǒng)原理

實驗采用精度為0.15 ℃的貼片式鉑電阻來測量溫度，在冰帽的進出口各布置一根鉑電阻，以測試冰帽進出口冷卻液的溫度。在實驗者的頭皮上均勻布置7 根貼片式鉑電阻（編號2～8），如圖2所示，以采集受試者頭皮溫度變化情況，2 號為冰帽進口處對應的頭皮測溫點，8 號為冰帽出口對應的頭皮測溫點。鉑電阻接至34970 安捷倫數(shù)據(jù)記錄儀，將測得的數(shù)據(jù)通過安捷倫傳送至電腦，以進行數(shù)據(jù)的存儲和分析。

圖2 測試者頭皮鉑電阻測溫點布置

2 實驗結(jié)果與分析

受試者為成年女性。圖3所示為對應預設的冷卻液進口溫度為8 ℃時，對于不同的冷卻液流量（61.2、90.2 和124.3 mL/min）條件時，測試者的頭皮溫度隨時間的變化情況。冰帽內(nèi)共設置了7 個測溫點，選擇3 個不同位置的測溫點進行比較。其中，T2為靠近管路進口處頭皮上2 號測溫點的溫度，換熱溫差最大，T8為靠近換熱管路出口處8 號測溫點的頭皮溫度，換熱溫差最小，T5為靠近管路中部5 號測溫點的頭皮溫度，其換熱溫差接近中位值。

由圖3 可知，同組實驗中，冰帽內(nèi)3 個溫度采集點在實驗剛開始溫度快速下降，之后降溫逐漸減緩，但3 個采集點的降溫速率以及最終平衡溫度不同。其中，冷卻液進口處的頭皮測點溫度T2降溫速率最快，為3.2 ℃/min；其次為頭頂部測點T5，2.6 ℃/min；降溫速度最慢的是T8，2.45 ℃/min。換熱平衡時，T2溫度最低，為18.6 ℃；其次是T5，19.6 ℃；T8溫度最高，為20.9 ℃。

圖3 冷卻液進口溫度8 ℃、不同體積流量時頭皮溫度變化

圖4所示為冰帽液體進口溫度相同，流量不同時受試者頭皮溫度分布。由圖4 可知，雖然冷卻液流量不同（61.2～124.3 mL/min），頭皮降溫過程仍然相似。以T2測溫點為例（冷卻液溫度8 ℃，流量124.3 mL/min），降溫開始時，頭皮溫度較高（33.12 ℃），與冷卻液的溫差較大（25.12 ℃），頭皮溫度下降較快（5.34 ℃/min）；之后頭皮溫度降低，冰帽與頭皮的溫差縮小，因此換熱強度也不斷降低，直到頭皮的產(chǎn)熱與冰帽的降溫能力達到平衡，使頭皮溫度穩(wěn)定在一個相對較低的值（18.35 ℃）。

圖4 不同設定溫度下受試者頭皮測溫點溫度隨冷卻液流量變化

由圖3 及圖4 可知，當冰帽冷卻液進口溫度相同時，增大冷卻液流量，能夠提高頭皮各點的降溫速率，并縮短頭皮的冷卻時間。流量增加會提高冰帽與頭皮間的換熱強度，使冰帽溫度均勻性增加，冷卻液與頭皮進行熱量交換的時間縮短，單位質(zhì)量冷卻液所吸收的熱量減少，液體溫升減小，微通道管路內(nèi)冷卻液溫升下降，傳熱溫差增大，因此頭皮溫度快速下降。而且當系統(tǒng)換熱平衡時，冷卻液進口溫度確定了頭皮-冰帽間的極限換熱溫差，因此不同流量條件下同一測溫點的溫度幾乎相同。綜上，想要實現(xiàn)快速降溫，可以在一定程度上增加冷卻液流速，但如果要達到更低的平衡溫度，必須盡可能降低循環(huán)管路中冷卻液的溫度。

圖5所示為不同冷卻液設定流量、不同冷卻液設定溫度對冰帽進出口處頭皮溫度的影響。由圖5可知，在進口流量一定的情況下，設定的冷卻液溫度越低，則對同一位置，頭皮溫度變化曲線的斜率越大，其溫度下降速率越快；而且在頭皮與冰帽之間達到溫度穩(wěn)定平衡后，冷卻液設定的溫度越低，平衡時頭皮所能達到的溫度越低。此外，降低冷卻液的設定溫度，對冰帽降溫效果的影響非常顯著。

圖5 不同冷卻液設定流量和設定溫度對冰帽進出口處頭皮溫度的影響

表1所示為不同流量下冷卻液設定溫度與冰帽進出口處溫差。由表1 可知，當冷卻液進口溫度一定時，流量在一定程度上的增加，可以降低進出口處頭皮表面的溫差，使頭皮整體溫度場的分布更加均勻。但進口流量過大時，過快的降溫速率會引起患者頭皮的不適，產(chǎn)生刺痛，而且冷卻液流量過大會使得微元段內(nèi)的液體未來得及與頭皮進行充分換熱，便回流到制冷系統(tǒng)中，從而降低了冷卻液整體的冷量利用率。此外，流量增大會在一定程度上增加系統(tǒng)運行時的噪音，且對循環(huán)管路產(chǎn)生較大壓力，影響冰帽的使用安全與壽命。因此從患者使用舒適性和節(jié)能的角度考慮，在對患者進行治療時應選擇適當?shù)牧魉伲唧w選擇可以因人而異，根據(jù)實際需求進行調(diào)節(jié)。

表1 不同體積流量下冷卻液設定溫度與冰帽進出口處溫差

考慮到患者佩戴冰帽時的舒適度，進口溫度設定值不是越低越好。對于一定的進口流量，進口溫度設定值較低時,同樣會造成患者頭皮表面在短時間內(nèi)降溫過快，產(chǎn)生刺痛感；而且過低的進口溫度會導致平衡時頭皮溫度過低，從而對頭皮細胞一定程度的不可逆損傷，因而需慎重設定。

3 結(jié)論

本文通過搭建實驗系統(tǒng)對冰帽性能進行了實際測試，分析了冷卻液的不同設定流量和溫度對人體頭皮降溫效果的影響，得出如下結(jié)論：

1）實驗中頭皮溫度最低為18.3 ℃，在30 min內(nèi)換熱達到平衡。相同冷卻液設定溫度下，增大冷卻液流量會縮短換熱平衡時間；體積流量為124.3 mL/min 時頭皮溫度下降最快，但增大流量對換熱平衡溫度影響較小；

2）對于相同的冷卻液流量，降低冷卻液設定溫度會使換熱穩(wěn)定時的頭皮溫度降低。冷卻液的設定溫度為8 ℃時，頭皮平衡溫度最低，為18.3 ℃；

3）冷卻液設定為8 ℃、61.2 mL/min 時，冰帽的進出口溫差最大，為2.4 ℃；設定為17 ℃、124.3 mL/min 時，進出口溫差最小值為1.2 ℃；此外，頭皮所能達到的最低溫度隨冷卻液的設定溫度的升高而減小，但減小的幅度越來越小。