微型节流制冷器在低温医疗中的发展与应用

李家鹏，陈晓屏，陈军，周建，陶星临

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

微型节流制冷器在低温医疗中的发展与应用

李家鹏，陈晓屏，陈军，周建，陶星临

（昆明物理研究所，云南昆明 650223）

微型节流制冷器广泛用于冷却红外探测器，是一种比较成熟的技术。20世纪90年代，美国ENDOCARE公司利用微型节流制冷器技术发明第一代CRYOCARE（氩氦刀）系统。氩氦刀系统原理是利用焦耳-汤姆逊效应，在常温下高压氩气节流快速降温，高压氦气节流快速制热，高低温快速交替杀死癌变细胞。该技术在低温医疗中已快速推广应用，并在各种癌症治疗中取得了比较好的治疗效果。国内在微型节流制冷器技术上已开展了多年研究，积累了丰富的技术基础，但在低温医疗上的应用还处于起步阶段。文章提出低温医疗在未来有广阔的发展前景，倡议国内相关微型节流制冷器的研制单位将该技术应用于低温医疗。

微型；节流制冷器；氩氦刀；低温医疗

0 引言

微型节流制冷器长期用于冷却红外探测器组件，由于启动时间快、干扰小、成本低廉等原因，在红外制导等武器系统中得到广泛应用。如何将军工高科技转化为民用技术，一直是该领域科研人员不断探索的问题。1993年6月，美国ENDOCARE公司利用微型节流制冷器技术发明第一代CRYO-CARE（氩氦刀）系统，该系统采用多项美国航天技术专利研制而成，将微型节流制冷技术引入低温医疗，该技术兼具超低温冷冻、介入治疗和免疫治疗等多重效能。1999年，我国张积仁教授引进亚洲第一台CRYOCARE系统，首次将其命名为“氩氦刀”[1]。

1 原理

氩氦刀的工作原理是利用焦耳-汤姆逊原理，即当气体在管道中流动时，由于局部阻力，如遇到缩口和调节阀门时，其压力显著下降，这种现象叫做节流。大多数气体遭遇节流后温度将下降，如氩气和氧气。而某些气体，例如氢气和氦气，温度反而上升。

在红外制导中，微型节流制冷器只考虑制冷。但在低温医疗系统中，需要高低温快速交替杀死癌变细胞，因此在氩氦刀系统中，需要增加制热系统。氩氦刀系统[2-3]主要由冷刀、制冷系统、制热系统、温度检测系统构成，有些设备集成了CT、B超等监控系统，其系统简要结构如图1所示。

图1 氩氦刀系统简要结构

氩氦刀的工作原理：利用在常温下氩气快速节流制冷原理产生快速降温，利用在常温高压下氦气节流制热原理快速恢复温度。氩气和氦气储存于气瓶中。氩气的降温和氦气的升温均在极短时间内发生。氩氦刀的工作压力在31 MPa，采用氩气作为制冷工质，数十秒（一般小于50 s）内即可使针尖温度降至-175℃，根据治疗需要，冷冻几分钟到十几分钟之后又采用氦气作为制冷工质，在数十秒（一般小于50 s）内使温度升至45℃[4]，根据治疗需要，如此往复治疗多次。降温和升温速度（通过调节气体压力和气体流量实现）、制冷时间和温度，可通过冷-热转换系统预先精确设定或自动控制，其结构如图2所示[5]。

氩氦刀冷刀为中空穿刺刀，直径从1.47～8 mm。翅片管采用螺旋绕制的方式缠绕在芯轴的外表面，构成氩氦刀的热交换器，工作时高压氩气通过翅片管的内部进入，在氩氦刀的前端节流喷嘴处发生节流制冷，将氩氦刀尖快速冷却，回流气体从翅片管外部走，与翅片管内的气体发生热交换，预冷翅片管内的入流气体。刀尖可在几十秒内达到-175℃。为了保护穿刺过程中，对正常组织的保护，只对癌变细胞进行治疗，氩氦刀的刀柄采用绝热层，只在刀尖2～3 cm处产生制冷。氩氦刀的顶端有测温元件，可实时获取刀尖的温度。当需要快速制热回温时，氩气关闭，进入的气体变成高压氦气，节流制热，将刀尖快速回温到45℃。

图2 氩氦刀自测温冷刀内部解剖图

2 国内外的发展

2.1 国外的发展情况

微型节流制冷技术应用于低温医疗并取得工程化成果是1993年6月，美国ENDOCARE公司利用微型节流制冷器技术发明第一代CRYOCARE（氩氦刀）系统。目前国际上发展的氩氦刀系统主要有美国的ENDOCARE公司和以色列Cryo-HITTM。

美国ENDOCARE公司是世界上最早工程化应用氩氦刀的公司。目前，美国的氩氦刀已发展到第五代。从美国氩氦刀的网站和相关报道可了解，美国ENDOCARE公司拥有独特的专利技术：冷刀测温、真空绝缘、绝热膨胀、过压保护、独立控制、可变冰球，其简要结构如图3所示。

图3 美国氩氦刀冷刀简要结构图

美国氩氦刀的直径有1.7 mm、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm等多种直径冷刀，特别是可变冰球冷刀的独家专利，通过滑钮改变真空绝缘层长短，改变冷冻室长短，产生长中短、大中小三种冰球。目前该公司发展了C型冷刀、R型冷刀、V型冷刀。

目前，美国ENDOCARE公司是全世界氩氦刀应用最广泛的公司，国内“氩氦刀”一词也是引进美国ENDOCARE公司的产品后翻译而来。图4为美国ENDOCARE公司的产品和冷刀。

图4 美国氩氦刀产品和冷刀外形图

以色列伽利略公司也是利用国防技术中的微型节流制冷技术，其原理与美国ENDOCARE公司一样。产品（如图5所示）称为“Cryo-HITTM低温冷冻手术系统”。与同类产品相比，Cryo-HITTM低温冷冻手术系统具有六大优势，即唯一可在磁共振引导下进行冷冻介入治疗、超细1.47 mm探针、5组25探针组合、具有iThaw升温技术无需氦气升温、多点立体监测温度、具有治疗计划系统等。磁共振兼容型低温冷冻手术系统代表了该类产品最高技术水平，具有较大的创新性和先进性。

图5 Cryo-HITTM低温冷冻手术系统产品和冷刀外形图

Cryo-HITTM低温冷冻手术系统探针规格有1.47 mm、2 mm、3 mm、5 mm、8 mm。其最小直径的探针比美国ENDOCARE公司的小。超细探针对正常组织损伤更小，并发症发生率低，临床应用于肺癌，气胸发生率明显低于2 mm探针的气胸发生率。超细探针更便于操作，穿刺更容易、更顺畅。不同型号的1.47 mm探针可形成球形、梨形、椭圆形等多种形状冰球，便于适形治疗。

2.2 国内的发展情况

国内相关科研单位，早在上世纪，就开展了很多关于微型节流制冷技术的研究，并取得了可喜的成果[6-8]。但相关技术主要应用于军事红外上，并未实现民用化。

国内低温冷刀研制最早主要集中在早期的液氮浸泡式或蒸发液氮方式，这方面以浙江省医疗器械研究所章忠敏教授为代表，做了很多有益的工作[9]。

最近几年，国内相关院校也开展了氩氦刀方面的研究，上海理工大学[10]和上海交通大学[11]与相关单位合作，采用预冷方法，用制冷系统产生的冷量预冷氮气到一定温度，制冷工质再输送到冷刀进行节流，进一步降低氮气温度，其结构如图6所示。其优点为：（1）可以增加焓差，从而增大制冷功率；（2）可以缩小冷刀内换热器的尺寸，从而实现冷刀的微型化；（3）可以大大降低压力，确保系统的安全；（4）冷刀内的节流装置尺寸很小，很容易被污染物堵塞，导致性能下降，预冷过程可以在这些污染物到达节流装置之前被过滤去除。

图6 上海理工大学低温冷冻系统结构示意图

3 治疗原理与应用

3.1 治疗原理

氩氦刀系统快速冷冻和快速升温使冰晶迅速在细胞内外形成并崩解，细胞线粒体消失，血管基底膜断裂，细胞核碎裂或溶解，直接导致细胞死亡。冷刀治疗迅速引起细胞结构损害，肿瘤细胞膜离子通道障碍，细胞内外电解质和渗透压失衡和蛋白质变性，从而杀死癌细胞。

3.2 应用

从美国氩氦刀和以色列伽利略的网站报道的数据可知，目前美国已有450多家医院，1 500多名医生，每年采用氩氦刀进行1万多例肿瘤患者治疗。而以色列的伽利略生产的氩氦刀目前在欧美及全球已销售400多台。国内的几十家著名的肿瘤医院也开展了这方面的工作，并进行了各类肿瘤手术治疗几千起。从这些报道看，进行低温冷刀治疗后，都取得了较好的治疗效果。

采用氩氦刀治疗肿瘤操作简单、肿瘤消融效果确切、适应症广、对病人损伤小、靶向性强、治疗中靶区可实时监测，能迅速减轻中晚期癌症患者的痛苦和提高生存质量，已成为目前国际上低温靶向治疗领域高科技发展的更新换代技术。

目前，氩氦刀已广泛应用于各种癌症、肿瘤治疗。适用于肝癌、肺癌、脑瘤、胰腺癌、甲状腺癌、前列腺癌、肾及肾上腺肿瘤、腹腔及盆腔肿瘤、骨肿瘤、软组织肿瘤、头颈及皮肤肿瘤、转移性胃肠肿瘤等实体肿瘤、良性肿瘤及良性增生病变、前列腺增生、乳腺肿瘤、血管瘤、肉瘤、子宫肌瘤、囊肿、疣、痔疮、癌前病变、口腔白斑病等。是一种多用途、有效的治疗手段。

4 优缺点

与传统的液氮刀采用的液氮浸泡式或蒸发液氮方式相比，氩氦刀的结构要更复杂，设备成本也相对昂贵，但氩氦刀相对于传统的治疗手段有以下优点[12-13]；

（1）手术时间比常规手术大大缩短，冷刀直径比传统的液氮刀小，创伤很小，出血极少，有利于保护机体免疫力；（2）氩氦刀插入到病变组织后再启动，避免在插入的过程中冻伤无病变组织；（3）可以反复做手术，对复发或多器官转移者尤为适宜；（4）减少扩散机会；（5）手术成功率可达到98%以上；（6）手术并发症少；（7）适合综合治疗；（8）适应性广，可用于多种肿瘤癌症的治疗；（9）采用氩气、氦气作为制冷工质，手术费用较低。

5 小结

从国内外的应用和治疗效果可见，低温微型医疗技术有广阔的应用和发展前景。国内的相关科研单位，早在上世纪，就开展了很多关于微型节流制冷技术的研究，取得了可喜的成果，奠定了该领域研究的坚实基础，但并未转化为民用技术。相关院校和单位也进行了这方面的研究，但未形成产品。

基于成熟的技术和广阔的市场前景，建议从事该领域的科研人员和单位，抓住微型节流制冷低温冷冻医疗仍然处于起步阶段和已掌握的成熟技术，尽快将该技术民用化、产品化，占领这个市场。

[1]张积仁.氩氦靶向肿瘤治疗技术[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]陈永成.以色列国Cryo-HITTM低温冷冻手术系统在肿瘤治疗中的应用[J].医疗装备，2008（5）:18-21.

[5]徐克成，牛立志.肿瘤冷冻治疗学[M].上海：上海科技教育出版社，2007.

[6]陈晓屏.微型低温制冷技术的现状和发展趋势[J].红外与激光工程，2007，37（1）:45-49.

[7]李家鹏，陈晓屏，陈军.微型节流制冷器启动时间的理论分析[J].红外与激光工程，2009，38（1）:27-30.

[8]杨家艾，胡颖涛，刘刚.喷射式J-T制冷器的流量比研究[J].激光与红外，2007，37（8）:750-752.

[9]章忠敏，毛欣欣.心脏房颤低温治疗器械［J］.低温与超导，1998，26（2）:8-12.

[10]赵庆孝，杨鹏飞，常兆华.新型超低温冷冻医疗系统的设计与实验研究[J].制冷学报，2009，30（6）:57-60．

[11]苏颖颖，常兆华，王成焘.新型多刀肿瘤超低温冷冻治疗设备的研制及性能试验[J].上海交通大学学报，2009，43 （4）:648-652．

[12]王毅.氩氦刀妙手治肿瘤[J].中国保健营养，2004（7）:20-22．

[13]严嘉，童明伟，徐广才，等.冷冻手术刀的应用与发展近况[J].医疗卫生装备，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文献识别码：A

1006-7086（2014）06-0311-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.001

2014-06-26

李家鹏（1980-），男，云南大理人，高级工程师，在读博士，从事微型制冷器研究。

E-mail：27285385@qq.com