高压氩气节流型低温探针的实验研究

王宏宇 张绍志 陈光明 吕维敏 姜红强

(1浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

(2浙江省医疗器械研究所 杭州 310009)

(3浙江省建筑设计研究院 杭州 310006)

1 引言

长期以来中国肿瘤治疗以手术切除、放疗和化疗为主，但是治愈率不高，患病部位不能手术切除的癌症病人的治疗是临床难题［1］。微创低温冷冻治疗利用尺寸很小的探针做穿刺插入病变组织，具有出血少、反应轻、安全性高、康复时间短等优点，一定程度上防止肿瘤扩散，综合治疗疗效显著［2-4］。在肺癌、肝癌、前列腺癌和乳腺癌等多发性肿瘤的治疗中，微创低温冷冻治疗的应用广泛［5-12］。目前，微创低温冷冻治疗的主要设备是“氩氦刀”，其低温探针内部包含一个小型J-T节流制冷器，通过高压氩气节流获得冷量，为了获得更低的制冷温度和更大的制冷量，如何设计逆流换热器和节流喷嘴是关键［13］。Chou等人对节流喷嘴处的膨胀过程进行了理论研究［14］，Chien等人对J-T节流制冷器的瞬态过程进行了数值模拟［15］，Xue等、Ng等、Chua等和 Hong等分别对应用于J-T节流制冷器的不同尺寸大小的小型逆流换热器进行了模拟和实验研究［16-19］，Kylie等和 Nellis等采用ε-NTU法对低温探针的结构尺寸进行了设计优化［20-21］，Yu等人对Endocare公司生产的不同直径的低温探针进行了性能测试［22］。鉴于中国国内“氩氦刀”设备仍严重依赖进口的现状，本文作者设计制作了5 mm直径的低温探针，并对其性能进行了试验研究。

2 低温探针结构

图1为设计制作的5 mm直径低温探针内部结构示意图，探针主要包括，外管、芯轴、螺旋翅片管逆流换热器、膨胀空间和节流喷嘴。

图1 探针结构示意图Fig.1 Structure diagram of a cryoprobe

5 mm直径探针的制作，主要包括:换热器结构设计、材料选择、螺旋翅片管换热器的绕制，节流喷嘴设计，膨胀空间大小设计等，本研究探针内部结构尺寸如表1所示。

表1 探针内部结构尺寸Table 1 Inner structure dimensions of a cryoprobe

3 实验测试系统

图2所示为低温探针测试系统图，主要包括进气部分、真空环境测试部分，回气收集测量部分和数据采集部分。进气部分包括氩气源、减压阀、预冷换热器和进气温度压力测点。氩气最高压力40 Pa，纯度99.999%。减压阀额定最大入口压力69 MPa，出口压力范围0.35¯41 MPa。预冷换热器的冷源是冷冻酒精，通过加入医用冰袋来改变酒精的温度，进而调节高压进气温度。压力传感器P0、P1的量程是0¯50 MPa，精度 ±0.5%FS，分别用来测量预冷换热器前后的气体压力。温度传感器T0、T1是T型热电偶，标定精度为±0.5 K，分别用来测量换热器前后的气体温度。真空环境测试部分是将低温探针置于真空环境中，通过热平衡法测量探针的制冷量。低温探针的外管固定于试验台上，如图2中4号装置所示，探针外管端部布置有压力传感器P3(量程－1¯5×105Pa，精度±0.3%FS)和温度传感器T3(T型热电偶，标定精度为±0.5 K)，分别用来测量高压氩气节流之后的压力和温度，测试时只需将绕制好的内部结构部分插入外管即可组成低温探针。真空罩中真空环境通过采用F-100/110分子泵机组(极限压强:6×10－6¯6 ×10－7Pa)抽真空获得，同时采用 ZDF¯Ⅲ型系列电阻/电离复合真空计(1×105¯1×10－5Pa)对真空压力进行测量。热平衡法测量制冷量时，在探针外管上均匀缠绕电加热丝，通过可控电源控制热量平衡。电加热丝采用镍铬加热线，可控电源采用固纬PSP-603型可编程交换式直流电源。回气收集测量部分主要包括集气罩、流量计和温度压力传感器。通过集气罩将排气收集起来统一通过流量计排入大气来测量氩气的消耗量。流量计的量程是0¯50 SLPM，精度为±(1.5+0.2FS)%。集气罩内布置压力传感器 P4(量程 －1¯5×105Pa，精度 ±0.3%FS)和温度传感器T4(T型热电偶，标定精度为±0.5K)，分别用来测量回气的压力和温度。数据采集部分包括数据采集器和计算机。工作中所有的传感器信号输出均是电压信号或电流信号，采用Agilent 34970A Data Acquisition/Switch Unit进行数据采集，并连接计算机进行记录。

图2所示的实验装置真空腔可以拆卸。将探针置于大气环境中，壁面布置温度传感器可以测量低温探针的降温特性和壁面温度分布。将探针置入水浴中可以测量冰球形成大小。

图2 实验装置系统图Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

4 实验和结果讨论

根据低温治疗冷冻消融原理可知，低温探针快速的降温和复温可以有效的杀伤、杀死病变组织。较低的探针壁面温度和较大的制冷量可以在临床上形成较大的冰球。因此降温特性和可以形成冰球大小是评价低温探针性能的重要指标，本研究对设计制作的5 mm直径低温探针进行了降温特性、制冷量和形成冰球能力测试。

4.1 低温探针降温特性

实验开始前，首先将制作的微型螺旋翅片管换热器插入图2实验台上的固定外管中，然后将换热器进气端接入实验台高压进气系统中。低温探针的降温特性试验在空气中进行，将图2实验台的真空罩撤下，使探针裸露于空气中。在探针外壁布置温度测点，温度传感器采用铜-康铜热电偶，布置如图3所示，图中测点分别表示距离探针尖端 0.5，1，2，3，4，5，6 cm。

实验开始，打开安捷伦数据采集程序，打开高压气体减压阀调节出口压力为20 MPa，持续运行约5 min。之后输出数据分析。进气温度为室内当时温度296.3 K。

图3 探针温度测点分布图Fig.3 Temperature distribution diagram of probe measuring points

根据上述外部设定，对5 mm直径探针降温特性进行测定，结果如图4所示。运行时，探针高压氩气流量约为0.9 g/s。开机54 s后，探针节流后膨胀空间温度降低至112.9 K，距离探针端部2 cm处壁面温度达到约130 K。探针端部3 cm左右的区域内壁面温度在150 K左右。距离探针端部6 cm的探针壁面温度为230 K。回气出口温度稳定在约289 K，说明换热器换热效果良好，回热效率达到要求。Yu等人对临床应用的进口5 mm直径探针测试发现，在空气中运行时，距探针2 cm距离的探针壁面温度为170 K［22］。对比可以发现本研究制作低温探针可以达到更低的壁面温度。

图4 5 mm直径探针不同测点降温曲线Fig.4 Cooling curves of different measuring point in 5 mm diameter probe

4.2 低温探针冷量输出

低温探针的制冷量采用热平衡法进行测量。实验系统安装如图2所示。实验开始，首先打开分子泵系统，给真空腔创造真空环境，当分子泵电离规显示真空稳定时开始进行探针制冷量测量。打开安捷伦数据采集程序，同时将电加热丝功率调至0 W。打开高压气体减压阀设定探针进气压力和进气温度。开机后约1 min，节流之后温度达到稳定，此时缓慢调节电加热功率，使回气出口温度缓慢上升至275 K并保持稳定，记录此时电加热量为当时节流之后温度下的测定制冷量。按照此实验过程，测定不同进气压力、不同进气温度下探针的流量和制冷量。

不同进气压力下的制冷量测量实验共6组，各组进气压力在15¯20 MPa的范围内按1 MPa间隔设定。各组实验进气温度为当时室内温度约290 K，真空腔真空压力均为3.2×10－2Pa，实验结果如表2所示。可以看出，随着进气压力的增大，流量呈线性增加。这符合流体流动的一般规律，在流体通道一定的情况下，入口压力增大会使流体流速增大，因此流量会增加。制冷量也随进气压力的增大而增大，但是增幅存在差异，随着进气压力的增大制冷量的增幅也是逐渐增大的。这是因为，随着制冷量的增大，进气节流前被预冷的温度更低，氩气的节节流制冷效率更高。

表2 进气压力对探针制冷量的影响Table 2 Influence of inlet gas pressure to probe refrigeration process

不同进气温度下的制冷量测量共有3组实验。通过调节酒精预冷换热器中酒精的温度，改变进气温度。进气压力设定为19 MPa，真空压力为3.2×10－2Pa。实验结果如表3所示。可以看出，进气温度的变化对氩气流量的影响可以忽略。但是，进气温度变化对制冷量的影响是十分显著的。当进气温度从290.4 K降低到279.4 K时，制冷量可以增加约14%;当进气温度从290.4 K降低到274.3 K时，制冷量可以增加约24%。这是因为，进气入口温度降低，可以使节流前气体温度降低，此时节流制冷量更大，同时节流效率也更高。

表3 进气温度对探针制冷过程的影响Table 3 Influence of inlet gas temperature to probe refrigeration process

4.3 低温探针形成冰球能力

实验将5 mm低温探针放入291 K水中。开机进气温度设定为当时室内温度290.4 K，进气压力设定为18 MPa。开机5 min之后冰球增长速度变慢，直径变化不明显。取出冰球采用游标卡尺测量冰球的轴向长度和直径，如图5所示。测量的冰球的轴向长度为4.9 cm，直径为2.8 cm。采用融化方法测冰水质量，通过密度换算能够得到冰球的体积。将探针连同冰块取出后放入清洁干燥小烧杯，当冰块融化后，通过电子天平(梅特勒¯托利AL104型电子天平，精度0.1 mg)称取烧杯内的冰水质量为12.852 g，按照冰的密度为0.9×103kg/m3，可知冰球的体积为14.28 cm3。

图5 冰球直径测量Fig.5 Ice ball diameter measuring

Yu对临床应用5mm直径低温探针测试发现，最大可形成冰球尺寸为5 cm×4 cm［22］。本研究制作5 mm直径低温探针在18 MPa进气压力下即可形成尺寸为4.9 cm×2.8 cm的冰球，说明探针的制冷性能已基本达到临床应用探针的水平。

5 结论

设计制作了5 mm直径的氩氦刀低温探针，并通过实验研究了自制探针的降温特性和冰球形成能力，得到了以下结果:

(1)在进气压力20 MPa时，探针处于296.3 K空气中，其最低制冷温度可以达到112.9 K;

(2)进气压力18 MPa时，5 min内探针能够在291 K的水中形成尺寸4.9 cm×2.8 cm大的椭圆冰球;

(3)降低进气温度可以有效提高探针的制冷量，进气温度从18℃降低至0℃，制冷量同比提高约24%。

上述结果表明，自制低温探针的制冷性能良好。

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