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浙江大学硕士学位论文 移动式低温治疗仪研究 雷杰 ( 浙江大学制冷与低温研究所杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要 低温外科是不加任何抗冻剂、利用低温手术器械，使病灶细胞和组织达到低 温损伤以致坏死的- - f - l t 缶床科学，它是肿瘤治疗方面近年来涌现出的一种相当有 效的新的物理疗法。它可代替手术切除、不用缝合，且具有麻醉镇痛、无菌、止 血和减少出血、反应轻、安全性高、无负作用、康复时间短以及能防止肿瘤扩散 等优点。因此，发展至今，低温外科，已被认为是治疗抗药性很强的大块肿瘤的 重要方法。 目前，低温治疗仪广泛应用液氮和氩、二氧化碳、一氧化氮的膨胀获得冷量。 但是液氮和高压的运输，保存等环节上会给低温手术带来一定的不便，尤其是在 一些偏远地区，很难得到它们；与之相比，压缩制冷低温治疗仪的有电源就能连 续制冷、运行，但是现在的压缩制冷低温治疗仪利用两级或多级复叠式制冷，使 用多个压缩机，系统复杂、笨重，移动困难。自复叠循环制冷系统采用单台压缩 机，利用非共沸混合制冷剂作为工质，可获得- 1 0 0 c 左右较大的制冷温区，系统 结构简单，利用它作为低温治疗仪的冷源，可应用于大多数场合，包括在偏远地 区开展低温治疗。 本文提出了将自动复叠制冷系统作为冷源的思路，设计并搭建了自动复叠制 冷低温治疗仪实验装置。该装置使用r 5 0 、r 2 3 、r 6 0 0 a 的混合物作工质。通过 优化实验研究，使探头最低温度达到一1 1 0 ，并在一8 0 获得1 5 w 左右制冷量。 研究结果表明，自复叠制冷系统用于低温治疗仪具有非常好的前景。 关键词：低温外科自复叠混合工质 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o l lm o v a b l ec r y o s u r g e r ya p p a r a t u s l e i j i e i n s t i m wo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c s ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u31 0 0 2 7 ，c h i n a a b s t r a c t c r y o s u r g e r yi sac l i n i c a lt e c h n o l o g yw h i c hd e s t r o y st h ed i s e a s e dc e l l sa n dt i s s u e s b yl o wt e m p e r a t u r ei n j u f i e st h r o u g ht h ec r y o t h e r a p ya p p a r a t u sw i t h o u ta n yu s eo f a n t i f r e e z ea g e n t i ti san e ww a yf o re f f e c t i v e l yc u r i n gt h et a m o u r s i ti sa na l t e r n a t i v e o ft h et r a d i t i o n a la b l a t i o na n dh a sm a n ya d v a n t a g e s ：a n a e s t h e s i a ,s t o p p i n g o r d e c r e a s i n gt h eb l e e d i n g , h i g hs a f e t y , n os i d ee f f e c t s ，q u i c kr e c o v e r ya n dp r e v e n t i n g t h ec a n c 廿f r o md i f f u s i n g s of a r , c r y o s u r g e r yi sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t a n tm e t h o dt o t r e a tt h em a s s i v et u m o u r st h a ta l ed r a g - f a s t t od a t e m o d e r nc r y o s u r g i c a lp r o b e sh a v et e n d e dt 0r e l yo ne i t h e rl i q u i dn i t r o g e n 叫) o rt h ej o u l e - t h o m s o ne x p a n s i o no fa r , c a r b o nd i o x i d eo rn i t r o u so x i d ea st h e m e a n so fc o o l i n g b u ti nm a n yc a s e st h ep r e s e r v a t i o na n dt r a n s p o r to fl i q u i dn i t r o g e n a n dt h eh i g hv a p o ra r en o ts oc o n v e n i e n tf o rc r y o s u r g e r ya n di nr e m o t er e g i o n si ti s v e r yd i f f i c u l tt og e tt h e m c o m p a r e dw i t ht h a t , t h ec r y o s u r g e r ya p p a r a t u ss e r v e db y t h ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a nr u nc o n t i n u o u s l yw i t he l e c t r i c i t ya v a i l a b l e ， b u ts of a rt h ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fw h i c hi ss oc o m p l e xa n dh e a v y w i t ht w oo rm o r ec o m p r e s s o r st h a ti t sd i f f i c u l tt om o v e t h ea u t o c a s c a d e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mu t i l i z i n go n l yo n ec o m p r e s s o rw i t h t h ew o r k i n gf l u i do f z e o t r o p i cr e f r i g e r a n t sc a nr e a c hl o wt e m p e r a t u r ee r al a r g er a n g ea r o u n d - - 1 0 0 c i n t h i sp a p e ra na u t o - c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e da st h ec o o l i n gs o u r c e , a n d a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u si sd e s i g n e da n ds e tu p r s 0 ，r 2 3a n dr 6 0 0 am i x t u r e s c h o s e na st h ew o r k i n gm i x t u r eo f t h es y s t e m t h r o u g ho p t i m i z a t i o ns t u d y , t h el o w e s t t e m p e r a t u r eo nt h ec r y o p r o b er e a c h e s - - 1 1 0 ( 2a n dt h er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t yi sa b o u t 1 5 ww h e nt h et e m p e r a t u r ei s 一8 0 t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ta u t o - c a s c a d e r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sg o o dp r o s p e c t si nc r y o s u r g e r ya p p a r a t u s k e y w o r d s ：c r y o s u r g e r y , a u t o - c a s e n d e ，r e f r i g e r a n tm i x t u r e 浙江大学硕士学位论文 主要符号表 拉丁字母 口 c c o p j d f 希腊字母 口 8 艿 ， 0 r l s 主要符号表 活度 比热 制冷系数 管径 精馏柱顶参数 逸度 主流率 面积 总传热面积 比焓 换热系数 导热系数 总传热系数 汽液平衡常数 相互作用参数 管长 质量流量 精馏柱回流液的抽取率 相对挥发度 对流换热系数 肋化系数 厚度 活度系数 吸气过热度 表面效率 上角标 0 标准态 m x 。 y ： 五 p 六 f 摩尔质量 压力 压力 单位热负荷 热负荷 比熵 温度 温度 对数平均温差 速度 比容 压缩机单位功耗 质量流速 液相摩尔成分 干度 干度 汽相摩尔成分 总摩尔成分 导热系数 密度 化学势 临界压缩因子 时间 逸度系数 结合因子 液相 m p 户 g q j f r 出 甜 v w 矿 工 t 髟k 知工g m 浙江大学硕士学位论文主要符号表 下角标 口 c e l e q e x i 、髓2 g | j l l 3 ， 朋 0 空气参数 临界参数 电机参数 当量参数 回热器参数 翅片参数 气相 理论值 组元号 管内侧 组元号 液相 混合工质参数 管外侧 学号2 0 5 0 8 2 4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙姿盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蒋垄 签字日期：f 7 年6 , g t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权迸望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：当杰 导师签名： 琴脚。 - 山- 2 - 、 签字日期：妒0 7 年6 月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期：k 曲芦月日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 低温治疗，又称冷冻治疗，是利用低温冷冻方法破坏病变组织，以达到去除 病变的目的。这是近代医学中发展较快的一门科学，因其不是用药物治疗，而是 用低温器械“冷刀”去除病变或肿瘤，其作用结果与外科手术切除相似，故也称 为低温外科( c r y o s u r g e r y ) 。从制冷与低温的专业角度看，“低温”通常是指1 2 0 k 以下的温度，而低温治疗涉及的温区是生物组织冻结温度以下，也就是2 7 3 k 以 下【l l 。低温治疗与其他疗法，具有以下优点。首先，它操作方便、不出血、反映 轻、安全性高等特点，一些有心、肾，肝疾病和老弱病人，通常都不能承担外科 手术等，此时可对他们进行低温治疗。其次，冷冻肿瘤具有一定的免疫效应，冷 冻肿瘤不仅有麻醉、凝固和破坏组织的作用，而且复温后坏死的肿瘤组织可以产 生免疫物质而抑制肿瘤的生长。最后，对于面部或体表的病损进行冷冻治疗后不 留疤痕，能达到美容效果。 1 1 低温治疗的发展历史 我国古代早在公元前就使用冷水、井水或冰来退高温、消炎去肿和止血等。 唐朝医学家李时珍所著本草纲目中记载有用霜、雪、冰治疗疾病【1 】。国外追 溯到公元前2 5 0 0 年，古埃及人曾发现在损伤处用冷敷可以减轻炎症反应。公元 前5 世纪，希腊圣医h i p p o c r a t e s 指出应用“冷”可缓解外伤时疼痛及某些骨和 关节病。这些都是低温治疗的雏形，应用范围狭窄，效果欠佳。 直到1 6 6 1 年，丹麦b a r t h o l i n 最早写书报道了应用雪和冰作医疗用。在拿破 伦战争时期，外科医生l o r r e yd j 认为“冷”可以降低器官对疼痛的感受，主 要是“冷”对脑和神经系统有镇静作用，所以用雪或冰在手术前覆盖肢体，在截 肢时可减轻痛苦和减少出血。1 8 4 5 年英国的a m o t t 报道冰+ 盐水灌流装置治疗局 部癌，开创了冷冻治疗恶性肿瘤的先例和尝试1 3 】。1 8 8 1 年f r i e d r i c hv o ne s m a r c h 发表系列“低温在外科的应用”文章。1 8 8 3 年o p e n - c h o w s k i 利用冰水灌洗治疗 慢性宫须炎，同时也用乙醚治疗宫须癌，他是一位妇科冷冻治疗的先驱者。1 8 5 5 年g e r h a r d t 第一个用冷冻治疗皮肤结核。1 8 7 7 年法国c a i l l e t e t 和瑞士r a o u l p i c t e t 制成液氧( 一1 8 3 ) ，并提出一l o o 或以下为深低温，遂跨入深低温的时期。1 8 8 3 年奥尔修斯基和左罗斯基稳定地制成液态空气和液氮( 一1 9 5 6 ) 。1 8 9 8 年j a m e s d e w a r 制成液氢( - - 2 5 3 ) ，同时又发明贮藏和运输液态气体的杜瓦瓶，提供优 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 良的制冷剂，奠定了低温治疗的美好基础。1 8 9 9 年w h i t e 应用液态空气作为冷 冻治疗手段的创始人，那时应用的方法仅为棉签法或喷雾法，用在各种皮肤病或 浅表麻醉止痛切开止血或使难治的下腿溃疡促进肉芽生长。自从液态气体乃至固 态气体如二氧化碳雪问世，因此，2 0 世纪初期冷冻治疗已达到满意的深低温阶 段的时代。1 9 0 7 年纽约皮肤科医生设计了一个手持式冷冻外科装置，并用其治 疗1 5 例皮肤癌，取得很好的效果。1 9 2 7 年o v e r v a i n 及m a cd o n a l d 分别以二氧 化碳干冰治疗膀胧肿瘤和弥漫性膀胱粘膜糜烂。1 9 4 0 年w e i t m e r 用二氧化碳干冰 治疗子宫内膜炎获得成功。1 9 6 1 年c o o p e r 及l e e 等研制成能调节温度的液氮冷 冻治疗仪，用于治疗良性及恶性肿瘤，成为冷冻外科的里程碑，从此带动了冷冻 外科的迅速发展【4 j 。l i n c o f f 及m a cl e a n ( 1 9 6 3 ) 应用液氮治疗视网膜剥离获得成 功。1 9 6 4 年m a r c o v e 对1 例放疗失败的肪骨转移瘤进行冷冻治疗，取得了良好 效果。1 9 6 5 年g a g u s 应用冷冻外科治疗口唇及口腔恶性肿瘤。1 9 6 6 年k a p l a n 报 道用冷冻治疗膀胱癌。1 9 6 8 年l y n b r o p h o n l a r 报道应用液氮冷冻与手术治疗肾脏 肿瘤。1 9 6 9 年l e w i s 首次报道用液氮冷冻治疗痔疮获得良好效果。1 9 7 1 年 l u t z e r y e r 使用r a u t e n b a c k 制成的可以切开组织的冷刀( c r y o s c a p e l ) 进行实验性肾 脏切除手术。1 9 7 5 年g o r e n s t e i n 报道经支气管镜内冷冻治疗支气管肿瘤。7 0 年 代低温治疗在一些应用方面，如治疗前列腺肥大，效果不佳；同时在另外一些场 合，如皮肤科和妇产科，不如技术成熟的内科有效。低温治疗的大多应用在人体 外部，这样限制了它的发展。作为一种非主流的疗法，低温治疗只是在某些特殊 情况发挥作用。随着超声监控技术的发展，低温治疗对人体内脏肿瘤的治疗更加 有效，重新引起人们的重视。二维超声成像系统的问世和多冷刀的研制成功，使 冷冻手术有了突破性的进展。二维超声成像系统的引进是现代冷冻治疗史上的一 个里程碑，它能有效解决过去不易判断冷冻范围及深度的难题，准确地对瘤体实 现冷冻覆盖【5 】。对于非常复杂的肿瘤结构，二维成像的缺点就体现出来了，即使 是经验丰富的医师也很难仅凭二维图像想象出正确的三维结构【6 j ，因此。开发出能 够显示三维图像的即时监控超声系统成为该领域的一大研究热点。 我国低温治疗起步于2 0 世纪7 0 年代。1 9 6 5 年上海新华医院发表冷冻摘除 水晶体治疗白内障的报道a1 9 7 2 年上海倡用氧气节流制冷治疗疾病。1 9 7 3 年上 海、杭州、广州等地医院相继应用液氮冷冻治疗疾病，从此冷冻治疗在全国逐步 开展起来，并在很多方面得到应用，如口腔科、皮肤科、耳鼻喉科、眼科、外科、 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 妇科等。在外科领域已应用于颅脑肿瘤、肺癌和肝癌的冷冻治疗，并且取得了较 好的效果。冷冻外科在国内的起步虽然比国外晚，但是发展很快，在8 0 年代已 普及到全国各级医疗单位。3 0 几年的发展，我国低温治疗在i 临床应用的大量病 例中总结了许多有价值的经验，并在低温治疗的基础理论研究方面取得了很多成 果，如冷冻外科对癌细胞的破坏作用，多种组织冷冻后的生物学效应，冷冻破坏 细胞的温度和冷冻次数的关系等，都为冷冻治疗提供了理论依据 7 1 。 1 2 低温治疗器械 低温治疗首先得获取较低的温度，现代科学技术中，可用于制冷的方法很多， 如相变制冷、气体绝热膨胀制冷、半导体制冷、吸收式制冷，固体吸附制冷和气 体涡流制冷等。低温治疗对制冷方法有特殊的要求，即制冷系统要结构紧凑、使 用方便可靠、效率较高、对冷冻温度和冷量及其控制有严格要求、振动小、噪音 低等。因此，在上述的制冷方法中常用于低温治疗的有：( 1 ) 相变制冷；( 2 ) 气体 膨胀制冷；c 3 ) 半导体制冷。基于这些制冷方法研制出了不同类型的低温治疗器 械。 1 2 1 利用相变制冷的低温治疗器械 相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的融化或升华过 程从被冷却物体吸取热量以制取冷量【8 】。可用于制冷的物质很多，现列举一些如 下： 表i 1 一些物质的制冷温度 制冷物质 温度( ) 盐水混合物一2 0 固体二氧化碳 氟利昂1 2 2 9 氟利昂2 2 4 0 8 氧化氮 一8 9 液氧 1 8 3 液空 一1 9 5 液氮1 9 6 液氦一2 6 8 9 可以用于制冷的物质虽多，但由于制冷温度、制造、贮存、操作、价格、安 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 全等原因，不都适用于冷冻外科的治疗，要根据具体的需要选择适当的制冷物质。 医用制冷设备中常用的制冷剂有液氮、固体二氧化碳( 干冰) 和氟利昂等，其中利 用氟利昂的医疗器械和利用液氮、干冰的有着本质的区别，前者是闭式的循环系 统，通常是一个压缩制冷系统，氟利昂充灌其中，系统运行时利用低压下氟利昂 的蒸发获得冷量；后者则是开式的系统，根据需要可将液氮、干冰存储于大型或 小型可便携得保温容器中，治疗时直接从容器中提取，液氮和干冰在释放冷量后 变成氮气和二氧化碳直接排到大气中，有些液氮治疗仪中会设置一个回收氮气的 装置。下面我们将详细介绍这几种低温治疗仪： ( 1 ) 液氮低温治疗仪 液氮低温治疗仪是用液氮作冷源的低温治疗器械，是目前应用最广，发展最 迅速的低温治疗器械。氮在空气中含量最多，占空气重量的7 5 6 ，占空气体积 的7 8 0 5 ，且液氮是生产氧气的副产品，因此来源丰富，价格低廉；液氮是无 色、无味，无毒、不助燃也不自燃的液体，它的沸点是一1 9 6 0 ，低于液体氧气 和液体空气，气化潜热高，气化时可吸收大量热而使组织迅速致冷。因此，液氮 被广泛应用于低温治疗当中。应用于体表治疗的液氮治疗仪的体积一般较小，可 便携，将液氮直接喷射在组织上，可使表面组织更迅速降温而受到破坏。如图 1 1 所示。 图1 1 便携式液氮治疗仪 应用于人体内肿瘤治疗的设备较复杂，主要由贮液系统、输液系统和冷刀三个部 分组成嘲，大致结构如图1 2 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 t l ： 图1 2 液氮治疗设备图 将液氮装在液氮杜瓦内，通过连接导管输送到治疗器探头，探头通常能达到 一1 6 5 - - 1 9 5 ，具体要根据探头尺寸。一般利用液氮作冷源的低温探头由3 个同 心管组成。内管中输送液氮到低温探头尖端，内管与中间管的环隙流通回流的气 态氮，中间管与外管的环隙是真空绝热的，用来减少液氮传输过程中冷量的损失， 同时在用于治疗人体内组织时，可防止液氮对人体正常组织的破坏。探头的尖端 根据治疗的具体需求可设计成不同形状，如图1 3 所示。探头温度越低，当低温 探头其接触组织时，传热过程效率越高【l 。】。 图1 3 各种类型的探头结构 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 干冰低温治疗仪l 固态二氧化碳在低温治疗中应用也较为广泛，主要应用在美容、骨折、烧伤、 风湿和手术后康复中。如图1 4 所示，c r y o - t ( n r - 2 ) 是一种二氧化碳冷疗系统 图1 4c r y o - t ( n r - 2 ) 冷疗设备 ( 3 ) 压缩制冷型冷冻治疗仪 蒸气压缩式制冷机应用广泛，设备紧凑，可以制成大、中、小型，能达到的 制冷温度范围比较宽广，可以低于环 境温度至一1 5 0 ，且在普通制冷范 围内具有较高的循环效率，因此可以 作为低温治疗的冷源。但由于温度较 低时冷量不足，应用受到限制，主要 用于冷冻治疗眼科和皮肤科的一些 疾病。为了达到较低的温区，蒸气压 缩制冷主要采用复叠制冷。图1 4 是 由辽宁医疗器械研究所研制的眼科 低温治疗仪的制冷系统原理图 2 】 2 0 0 5 年报道称c o l e m a n 和r i c h a r d s o n 研制的封闭式低温治疗仪采用两级 复叠制冷系统作冷源【1 2 l ，高温级采用 r 4 0 4 a 为制冷工质，低温级采用r 2 3 一辩抟藏治疗机麓挎蓉娆器曩霸 i 瓣爽2 ，穰期霄i1 蒸发冷誓赫i 进嚣赫 氛瘩冷姆赫簟蓐窖嚣l 分冀嚣 压力衷电黛辩i1 0 。i t - n 罐争h i i i i - i i l 残囊毓 翻i 5 暖科冷；薯；治疗仪制冷系统嚣理醋 为制冷工质，在新型设计的用r 2 3 作为工质的低温探头达到一8 0 的低温，并获 得2 0 w 的制冷量，系统框图如图1 6 所示 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 妻 募 w l l b r 柏 + 护c 图1 6 两级复叠低温治疗系统图 1 2 2 气体节流型低温治疗仪 某些高压气体膨胀后温度会下降，我们可以利用膨胀后的气体在低压下的复 热过程来制冷。气体绝热膨胀特性随使用的设备而变，一般有三种方式：( 1 ) 令 高压气体经膨胀机( 活塞式或透平式) 膨胀，此时有外功输出，因而气体的温降 大，复热时制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂；( 2 ) 使气体经节流阀膨胀( 通常 称为节流) ，此时无外功输出，气体温降小，制冷量也小，但节流阀比较简单， 且便于进行气体流量的调节。( 3 ) 绝热放气制冷，这种制冷方式在低温制冷机中 大量使用。低温治疗中气体膨胀制冷采用第二种方式：气体节流制冷。从能量角 度看，由于气体经过小孔时流速大、时间短，来不及与外界进行热交换，节流过 程可以近似看成是绝热过程。节流后，气体压力降低，温度也要发生变化，这种 现象称为焦耳一汤姆生效应( j o u l e - t h o m s o ne f f e c t ) 。大多数气体如空气、氮、二 氧化碳、氧、氩等，在室温条件下节流时，均可产生冷却反应。 气体节流低温治疗仪( 也称为j t 型低温治疗仪) 的发展非常迅速，应用很广。 仪器中使用的制冷剂有c 0 2 、n 2 0 和氩气，其中，氩气制冷能达到1 8 6 的低温， 并且氩气是工业中应用很广的一种惰性气体，不能燃烧也不助燃，对人体无直接 危害，因此在气体节流型低温治疗仪中成为主要的制冷剂。图1 7 是一个典型 的j - t 型氩气低温治疗仪原理图【1 3 】，其制冷过程为：打开调压阀使高压氩气流出， 经过过滤器，滤掉氩气中混杂的微粒杂质和水分等，然后打开电磁阀，纯净的氩 气就能通过导管到达冷刀，经过冷刀顶端螺线管的j - t 槽以后。在膨胀区氩气绝 热膨胀，从而产生低温制冷的效果，膨胀后的氩气直接排出。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 氩气j - t 型氩气低温治疗仪原理图 由于采用节流制冷的工质为常温高压气体，操作中的所有调节均通过气动系统完 成，除刀头外其他部分均接近常温，因此输送管路上不需要真空绝热，低温探头 可以制作成管径很细的低温探针，便于插入组织中，也可用于一些特殊场合的治 疗。在治疗肿瘤等较大组织时，为了提高j t 型治疗仪的制冷量，需要使用多个 探针 1 ”。现在，冷刀直径比过去的更小，可以达到3 4 r a m 甚至更小。治疗时能 同时使用多达5 把的冷刀【l 习。在这多个探头中可加入一个结构与低温探针类似 的低温加热器，从而可以控制最终形成的冷冻区域的形状，保护正常组织不被破 坏”。在迄今己发展的各种低温医疗仪器中，1 9 9 9 年被美国医疗财政列入全民医 保公费报销项目的“氩氦刀”尤其引人注目，它的原理在于应用氩气节流后快速 致冷而氦气节流急速升温的技术，对病变组织实施杀伤，图1 8 是氩氦刀的探头结 构图。自1 9 9 8 年获得美国食品及药物管理局( f o o da n dd r u ga d m i n i s t r a t i o n 。f d a ) 批准以来，在美国已有1 0 0 多家医院装备了氩氦刀，目前在肝癌、肺癌、肾癌、 胰腺癌、前列腺癌、脑肿瘤等的治疗上取得了进展【l ”。氩气低温治疗仪虽然有很 多优点，可是也有一些缺陷，比如设备工作压力很高，运行成本高等。如采用闭 式循环系统，采用碳氢化合物混合气体作为工质，可以大大降低节流运行压力， 提高整个系统的安全性、可靠性。中科院罗二仓的研制的气体节流型低温治疗 仪，采用四种组元组成的混合工质，在1 2 0 c 制冷量有l l w ，- 7 0 c 时制冷量为 2 0 w f l s l 。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 e e t t ；。w f d n l n g 辨 图1 8 典型节流制冷低温探头的内部结构示意图 1 2 3 热电制冷低温治疗仪 热电制冷是一种以温差电现象为基础的制冷方法。把两种不同导体焊接起来 构成一个闭合回路，通以直流电流，会产生一个接点热，另一个接点冷的现象， 这就是帕尔帖现象( p e l t i e re f f e c t ) ，也称为温差电现象。半导体材料所产生的温差 电现象较其他金属要明显得多，一般热电制冷都采用半导体材料，所以热电制冷 又称为半导体制冷【6 】。半导体的联接，根据组合半导体的多少，可分为一级、二 级和三级等，每一级可得到一3 0 一5 0 的温差。如二级台和三级台串联，可 获得更低的温度。但级数增加，则体积增大，不便于临床使用，目前多为1 - - 2 级半导体制冷器。图1 9 为半导体制冷白内障摘除器结构图。热电制冷不用制冷 剂，无机械传动部分，故无泄露、无污染，清洁卫生；无噪音，无磨损，寿命长， 温度控制准确，因此特别适合于实验室设备以及生物与医学设备。 “永慧，1 鼍线li 翁除嚣绺1 4 。 i 登毙佟i 连接片。 寒薅1 弹片li 承麓i7 箨飘定搏l l o 冷舷1 1 。上羲，1 2 。狰特 图1 9 半导体制冷白内障摘除器结构图 利用半导体制冷的治疗仪器分为两类l 。9 】： 一类是利用半导体制冷制热直 接作用于病灶或人体穴位：如热电针灸仪、热电冷冻治疗器等。其中热电针灸仪 是采用现代电子技术与传统的中国针灸医术相结合而制成的冷热针灸仪器。第二 类是作为大功率治疗仪器，如n d y a g 激光手术器的冷却系统，从而使得整个治 疗系统体积减小、重量减轻，实现一体化设计目前我国生产的珏_ l o o - i v 型 n d l a g 激光手术器主要是用泵驱动循环制冷剂将激光腔体产生的热量带至传冷 块，半导体制冷块再将热量传至散热器进行散热，从而使激光体迅速冷却。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 2 年，h a m i l t o n 等人开发了一种热电制冷结合热管的冷冻探针【2 0 1 ，使热 电制冷探针体积减小，冷刀头最低温度达一6 0 。1 9 9 7 年，h o l m a n 等人开发出 利用热电制冷的手持低温探针，探头最低温度达一5 0 左右【2 ”。虽然近年来热电 制冷技术发展很快，但是热电制冷由于自身的缺点，降温的深度不够，效率较低， 冷量较小，对需要冷量大才能破坏的病变组织，应用上受到限制。 1 2 4 脉冲管低温治疗仪 脉冲低温治疗仪是以脉冲管制冷机作为低温治疗冷源。1 9 9 3 年北京科迪技 术开发公司开发的脉冲管面世。这种l m 系列型脉冲管低温治疗仪使用时仅需普 通2 2 0 v 电源，不需要其它任何冷冻介质，可使温度达到- - 8 0 以下，组织冷冻 深度和冷冻区容易控制，操作方便。脉冲管治疗仪具有各种不同型号的冷冻头， 它安装于冷冻治疗仪的冷端，轻压患部进行治疗。根据症状的情况选择适当的冷 管头，在正常的工作区上进行治疗【2 2 1 。临床上，治疗皮肤病方面，脉冲管低温治 疗仪达到于液氮治疗仪相近的效果【2 3 】。 1 3 低温治疗的研究现状 低温治疗的研究主要集中在临床实践上，关于低温治疗仪的研究主要有： 2 0 0 0 年上海理工大学的j z h a n g 和t c h u a 等发表对探头尖端多维相变问 题的传热进行理论计算并与实验结果进行比照，其中传热计算采用数值解法，分 别利用了焓法和有限元法，最后的计算结果和实验结果吻合得很好例。 2 0 0 3 年上海交通大学的张洁等人发表对多探针冷冻过程分析的文章，用有 限元方法对建立在焓法基础上的多探针冷冻条件下组织冻结过程进行理论分析， 计算结果与文献中实验测量结果符合较好【2 ”。 2 0 0 3 年，中科院理化所低温中心和海军总医院氩氦刀肿瘤治疗中心的于天骅 等人对美国e n d o c a r e 公司生产的氩氦刀的工作原理和冷冻复温性能进行研究，并 分析其优缺点，为有关临床应用提供重要的参考数据【矧。 2 0 0 6 年k y l i cf r e 心i c k s o n 等人提出混合气体节流低温治疗探头的设计方法， 文章提到低温治疗仪的设计优化不是为了得到最大的制冷量，获得最低温度，到 达最大c o p ，而是注重探头尺寸的设计、探头外传热的情况。系统设计需要在 制冷剂的组成，探头尺寸和其他一些影响循环工况的参数间达到一个平衡。 2 0 0 6 年上海交通大学的s l q i 和p z h a n g 等人发表对低温探头的传热强化 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 文章。文章针对液氮治疗仪，设计水平气液分离器，使液氮进入低温探头，这样 减小流动阻力，并增大探头的制冷量。同时进液管外表面分别盘上不锈钢丝和螺 旋状不锈钢网，这些措施都加强了回流氮和进液氮之间的传热，取得了很好的效 果【2 ”。 1 4 本文研究内容 目前，低温治疗中普遍采用液氮治疗仪，但是它有一些不足，在应用上受到 一定限制。如液氮治疗仪需要大量液氮，因而液氮的运输，保存等环节上会给低 温手术带来一定的不便，尤其是在一些偏远地区，很难得到液氮。与之相比，压 缩制冷低温治疗仪的冷探头温度稳定，有电源就能连续制冷、运行，非常适合缺 少液氮的地区和单位开展冷冻治疗。其电气系统部分采用联锁自动控制，操作方 便，运行安全、可靠。 蒸气压缩制冷中，为了获得较低的温度，可采用两级压缩制冷、多种工质复 叠制冷和非共沸混合制冷剂自复叠制冷。其中，两级蒸气压缩制冷循环所能达到 的低温，受到每一级压力比和蒸发压力过低的限制，在低蒸发温度下，蒸发压力 较低，将使空气渗入系统内的可能性大为增加，也将引起蒸气比容的增大使输 气系数降低。当采用低温制冷剂时，如果在常温下冷凝，冷凝压力非常高。甚至 会超过临界温度，无法液化；采用两种或多种工质的复叠式制冷循环时，使每台 压缩机的工作压力适中，很好地解决了两级压缩循环的矛盾。但它使用了多个压 缩机，使系统过于复杂，而且存在着随着级数的增加，从设计制造到生产维护 都需要比较多的投入问题。自复叠循环利用非共沸混合制冷剂作为工质，利用其 在等压下蒸发或冷凝时温度变化的特性，减小了传热温差，提高了制冷循环的 效率；系统仅采用单台压缩机，大大减小制冷系统尺寸和体积；制冷剂的高、低 沸点组分成为循环的高、低温制冷剂，这样就有比较宽的工作温区，在制取低温 时就不存在使制冷剂的蒸发压力过低或冷凝压力过高的情况【蚓。因此，利用自复 叠循环制冷系统作为低温治疗仪的冷源，不仅可以满足低温治疗的要求，而且能 够提高低温治疗仪的稳定性，减小治疗仪的体积，便于使用。 1 4 1 自动复叠制冷低温治疗仪设计 本文利用一种新型自动复叠制冷系统3 研做为冷源，设计并搭建一台低温治疗 仪系统。系统框图如图1 1 0 所示： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 a - 压缩机b 糟凝器c 精馏拄d _ 低温探头 e 】【l d 涨热嚣j 1 - j 3 - ：蝴j 4 _ 截止阀 图1 1 0 自复叠低温治疗仪 该自复叠式制冷系统设计温度为一8 0 1 2 ，选用三种制冷剂：r 5 0 、r 2 3 和r 6 0 0 a 。 1 4 2 低温治疗仪性能实验研究 低温探头达到的最低温度、冷冻速率、形成冰球的大小，可以反映低温治疗 仪的性能【3 1 】。 选择并充灌一定配比的混和工质到制冷系统中，运行系统，测量低温探头温 度及制冷量：在探头上布置热电偶测量探头的温度；在低温探头上缠绕电加热丝， 通过平衡低温探头的冷量，加热丝的电功率可以反映低温探头的制冷量。 调整自复叠制冷系统中混合工质的成分及其配比，使低温探头获得较低的温 度和较大的制冷量。 浙江大学硕士学位论文 第= 章理论基础 第二章理论基础 本章将首先介绍低温治疗的机理，明确其中制冷温度和制冷量等对低温治疗 的影响。随后，将介绍自复叠制冷循环以及非共沸混合制冷剂的相关理论，为低 温治疗仪的制冷循环系统设计提供依据。 2 1 低温治疗机理 低温在一些情况下，可用来保存细胞和组织，而在另一些情况下，又可用来 破坏细胞和组织。低温对于组织的损伤归结于很多因素，总结起来主要有两个机 理：冰晶的形成和血液微循环的失效，它们对细胞都有直接的损伤【3 2 1 。冷冻杀伤 细胞组织机理如图2 1 所示。 l 。细胞内结昌白质 l 细胞内结晶细胞外结昌 来日b 三白衙 循叩碍_ 她 l脱水 “i “ 细辛氧懈p 膜挈能 图2 1 冷冻损伤机理简图 冰晶形成移除了生物系统中的水，对细胞组织产生很多有害作用。细胞外结晶， 使细胞内脱水，细胞内水溶液中电解质浓度过高，将影响酶本身的活性，甚至使 酶变性，这对细胞来说是不可恢复的；细胞内结晶，对细胞来说是致命的，组织 中紧紧“塞满”的细胞受到冰晶剪切力作用，细胞膜和细胞器官都会受到机械损 伤。复温后，组织中出现血管微循环失效，这在有机生物体内的实验中显而易见。 没有了血液供应，细胞不可能存活。最近的调查研究也强调了这个损伤机理的重 要性。从分子的观点看，低温治疗相关的基础研究中，最重要进步的是认为脱噬 浙江大学硕士学位论文第二章理论基础 作用是冷损伤后细胞死亡的一种机理。脱噬作用是细胞碎裂为膜包颗粒，然后被 吞噬作用所清除。 2 1 1 影响低温治疗的因素 影响低温治疗的因素有：冷冻速率，组织的最低温度及持续时间、冷冻之后 的解冻速率( 或称为复温速率) 和重复的冷冻，解冻循环次数。 ( 1 ) 冷冻速率 总结前人的实验数据发现，细胞内结晶发生在一个很广的范围：冷冻速率在 2 0 * c m i n 至l j s o m i n 之间，一些细胞排列紧密的组织中，更慢的冷却速率也能产 生细胞内结晶【3 3 1 。不同的细胞类型，细胞对同一冷冻速率的有着不同的反应。低 温治疗中，只有在低温探针周围很近的距离的地方有较快的冷却速率，当需要治 疗的组织直径大于2 c m 时，大部分冷冻组织、细胞不受最快的冷冻速率的影响， 而是受到较慢的冷冻速率产生的有害作用。冷冻速率较慢时，组织中更容易产生 细胞外结晶，细胞外冰晶与形成的高浓度电解质溶液对细胞的损伤作用也很大。 可以认为，冷冻速率不是影响低温治疗的主要因素”。实际临床治疗中，为了提 高细胞内结晶的可能性，更快地对组织造成低温损失，通常低温探头冷却地越快 越好。 ( 2 ) 组织的最低温度及持续时间 当致病组织达到某一低温范围，冷冻所产生的对细胞各种有害因素开始作 用，使细胞会大量死亡。大量的实验和临床研究表明，组织能够达到的最低温度 是很重要的，一般组织温度要达到5 c 4 0 c ，而治疗癌细胞和肿瘤时，需要 达到一5 0 c 甚至更低的温度f 3 5 1 。至于最低温度的持续时间，就是使组织维持冷冻 状态大概5 m i n ，以待组织中产生溶液电解质作用、冰晶形成和重结晶的作用。 实践证明，将组织冷冻至一5 0 以下时，作用不大，而将其维持在一1 5 4 0 之间时，细胞死亡的数量会增加。然而，没有一个最佳的冷冻持续时间，不同细 胞组织的最佳持续时间是不一样的。 ( 3 ) 冷冻之后的解冻速率 缓慢的解冻或复温速率是低温治疗中使细胞死亡的一个主要的因素，它比快 速冷冻重要得多。治疗中，复温速率应根据实际情况越慢越好，复温过程中最好 不要对组织加热 1 4 浙江大学硕士学位论文第= 章理论基础 ( 4 ) 重复的冷冻解冻循环次数 人们在现代低温治疗的初期就认识到治疗中需要重复冷冻解冻的循环过 程。第一次冷冻复温循环破坏一部分细胞，使组织导热性能增大。接下来的几 次循环中，整个组织的冷冻速率逐渐加快，被冷冻的组织体积进一步扩大，并且 细胞都要重新经历一次破坏性的热力学状况，发生有害的物理化学变化。 2 2 自动复叠制冷循环 自动复叠制冷循环( a u t oc a s c a d er e f r i g e r a t i o nc y c l e ，缩写为a c r e 3 6 j ) ，自行 复叠制冷循环 ，相对传统的复叠制冷循环，可称其为内复叠制冷循环【3 8 1 。自 复叠制冷系统是种采用多元混合工质的制冷系统，它使用单台压缩机，通过自行 分离、多级复叠的方法，在高沸点组分和低沸点组分之间实现了复叠，达到了制 取低温的目的。 2 2 1 传统外复叠制冷循环 该循环系统通常由两个单独得制冷系统组成，分别称为高温级及低温级部 分，图2 2 所示的是传统外复叠式制冷循环的系统原理图。高温部分使用中温制 冷剂，低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部 分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的 蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸 取热量，并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给 冷却介质( 水或空气) 渺1 。图2 3 为循环的l g p - h 图。 a 、b 低高温部分压缩机g 冷凝器d 冷凝蒸发器b 蒸发器f 节流阀 图2 2 传统外复叠式制冷循环系统原理图 传统外复叠制冷循环的发展相对较早，技术比较成熟。目前国内外的超低温冷冻 装置特别是超低温箱大多采用的是该制冷循环。 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 图2 3 复叠制冷循环系统l g p - h 图 由两个单级系统组成的复叠式制冷循环，因受压缩机压比的限制，只能达到 一8 0 左右的低温。如果采用一个单级压缩制冷系统和一个两级压缩制冷系统组 成的复叠循环系统，则可制取一1 i o c 左右的低温。为了得到更低的温度，可采 用三元复叠循环，即利用三种不同制冷剂组成的复叠系统，例如，在r 2 2 和r 1 3 复叠系统的基础上增加一个r 1 1 5 0 作制冷剂的单级系统，可以获得一1 1 0 - - 1 4 0 的低温。根据所需的低温要求，可配置相应的复叠式系统。如果匹配适当，可 使系统的经济性和可靠性有所提高。 复叠式制冷系统低温级由于低温制冷剂的l 临界温度低，常温下饱和压力较 高。停机时系统内温度回升到环境温度时，低温制冷剂全部气化为过热蒸气，往 往使系统内压力超过最大工作压力。因此，常在其低温系统中设有膨胀容器。此 外，由于在超低温区域，润滑油容易从制冷剂中分离并凝结脱蜡，堵塞节流装置， 造成制冷效率低下，甚至不制冷，因此需要在低温系统压缩机的排气口安装一个 油分离器，同时还应在系统中填加适当的类似脱水戊烷等物质，以防止脱蜡。有 条件的可以更换成不含蜡的压缩机冷冻油m 。 为了深度制冷，传统外复叠制冷循环可根据需要获得一定的低温，但是同时 我们也可以看到，系统中利用多个压缩机，并配套使用很多辅助设备，使整个系 统结构较为复杂，成本较高，尤其使使用三元甚至多元制冷剂的多级复叠制冷循 环，系统相当复杂，可靠性和效率也大幅下降。 2 2 2 自动复叠制冷循环 自动复叠制冷系统使用混合工质通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制 浙江大学硕士学位论文第= 章理论基