CN101732090B - 具有预冷装置的冷冻消融系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有预冷装置的冷冻消融系统及控制方法，高压进气管路通过进气电磁阀接预冷装置的气体热交换器，输出分两路分别通过加热电磁阀、制冷电磁阀接加热进气管路和制冷进气管路，预冷装置的半导体制冷片输出接低压回气管路，制冷进气管路、加热进气管路、低压回气管路、热电偶同轴放置于保温套管内，热电偶的热电信号经过温度信号采集模块输入微机，微机采集到温度信号后输出控制信号，经电磁阀控制器对预冷装置、进气电磁阀、加热电磁阀与制冷电磁阀进行控制。同时解决气体节流制冷前快速预冷与冷冻消融后气体快速复温的技术问题，具有操作方便、携带方便、结构简单、装置小巧、造价低廉的特点。

Description

具有预冷装置的冷冻消融系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种肿瘤微创治疗技术，特别涉及一种具有预冷装置的冷冻消融系统。

背景技术

肿瘤微创治疗正成为当代临床医学发展的前沿。冷冻消融是肿瘤微创治疗中比较有代表意义的技术之一，主要通过低温器械，有控制的使病灶组织经历降温、冻结、复温过程，从而造成细胞的不可逆损伤甚至坏死。冷冻消融对肿瘤的杀伤机制是：细胞脱水和皱缩；细胞内冰晶形成和冰晶的机械损伤；细胞电解质毒性浓缩和pH值改变；细胞膜脂蛋白成分变性；血流淤积和微血栓形成；免疫效应等。冷冻消融不仅手术创伤小，而且具有麻醉镇痛、术后并发症少、防肿瘤扩散等优点，深受广大医生与患者的好评。

目前已经问世的冷冻消融系统主要分为两大类：一类是液氮系统冷刀，利用物质由液体变成气体时需要吸收大量的汽化潜热的原理来使组织迅速降温；另一类是气体节流系统冷刀，高压气体流经小孔绝热节流时，随着压力的下降，温度往往会发生变化，利用气体的绝热节流效应可完成冷冻消融的降复温治疗过程。液氮系统冷刀的缺点有：刀头降温速度较慢，不利于肿瘤细胞的杀死；冷刀直径较大，不利于微创治疗；设备体积较庞大，不便于运输。气体节流系统冷刀是目前临床应用的主流，所使用的节流气体主要有氩气与氦气、氮气、混合工质等。氩氦刀使用氩气节流降温，氦气升温，具有装置小巧轻便、冷刀头升降温迅速等优点，但是氩气工作压力高达40MPa，不易获得、存在一定的安全隐患，且氩气、氦气均为稀有气体，手术成本较高。使用氮气节流系统工作压力较低，但若要使冷刀达到治疗温度，必须对氮气预冷。氮气预冷装置一般采用自复叠制冷系统，系统体积较大、工作噪声高、预冷时间长，不利于搬运与手术操作。混合工质节流冷刀一般使用闭式系统，制冷效率较高，在较低工作压力工况下就能使工质液化，但闭式系统冷刀刀头拆装不便，需消毒重复使用，终了制冷温度偏高，具体治疗效果还有待于进一步的临床验证。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足问题，提出了一种具有预冷装置的冷冻消融系统及控制方法，带有独立的预冷装置，同时解决气体节流制冷前快速预冷与冷冻消融后气体快速复温的技术问题。

本发明的技术方案为：一种具有预冷装置的冷冻消融系统，包括预冷装置、冷冻探针、气体输配与控制系统、温度测控装置，所述气体输配与控制系统由高压进气管路、制冷进气管路、加热进气管路、低压回气管路、进气电磁阀、加热电磁阀、制冷电磁阀构成；冷冻探针由螺旋管翅片回热器、J-T槽、保温套管构成；温度测控装置为冷冻探针内装的热电偶、温度信号采集模块、微机、电磁阀控制器；预冷装置由散热风扇、散热片、半导体制冷片、气体热交换器组成，预冷装置结构上下对称，气体热交换器的两个光滑圆形面与半导体制冷片的冷端紧密相贴，半导体制冷片的热端装有散热片，散热片外方为散热风扇；高压进气管路通过进气电磁阀接预冷装置的气体热交换器，输出分两路分别通过加热电磁阀、制冷电磁阀接加热进气管路和制冷进气管路，预冷装置的半导体制冷片输出接低压回气管路，制冷进气管路、加热进气管路、低压回气管路、热电偶同轴放置于保温套管内，热电偶的热电信号经过温度信号采集模块输入微机，微机采集到温度信号后输出控制信号，经电磁阀控制器对预冷装置、进气电磁阀、加热电磁阀与制冷电磁阀进行控制。

所述气体热交换器用退火熟铜管制作，进出气管路双线并绕蚊香状，各管路紧密相贴，用焊锡固定气体热交换器，并填充管路间的缝隙，气体热交换器与半导体制冷片的换热接触面光滑平整。

所述半导体制冷片可由级半导体制冷片或多片半导体制冷片串联而成。

一种具有预冷装置的冷冻消融系统的控制方法，包括具有预冷装置的冷冻消融系统，所述方法包括如下步骤：

1)当进行冷冻治疗时，接通半导体制冷片的直流电源后制冷，微机发送信号给电磁阀控制器，打开进气电磁阀、制冷电磁阀，关闭加热电磁阀，常温高压气体从高压进气管路中流入，在气体热交换器中预冷后，经制冷进气管路、螺旋管翅片回热器进入J-T槽节流降压制冷，节流后的气体流过螺旋管翅片回热器翅片侧后进入低压回气管路，利用节流后的低温气体冷却高压侧气体温度，使气体可以在比初始温度低的情况下节流，得到更低的节流后温度，最后气体从低压回气管路末端的一排排小孔中流出，冷却散热片使半导体制冷片冷端温度更低，得到更低的预冷温度，使排出气体温度升高至凝露温度以上，排入环境中；

2)气体的温度越来越低，直至平衡达到冷冻消融的治疗要求温度，热电偶经温度信号采集模块反馈给微机的冷冻探针刀头温度达到设定值，微机发送信号给电磁阀控制器，通过调节占空比的方式控制进气电磁阀的开闭，使冷冻探针的输出制冷量可在0～100％间自由调节；

3)冷冻消融的治疗结束，进行冷冻消融区主动复温时，反接半导体制冷片的直流电源正负极后制冷片冷热端互换，微机发送信号给电磁阀控制器，打开进气电磁阀、加热电磁阀，关闭制冷电磁阀，常温高压气体从高压进气管路中流入，在气体热交换器中加热后，加热后的气体经加热进气管路进入冷冻探针，加热冷刀刀头，最后气体经低压回气管路末端的一排排小孔中流出，排入环境中。

本发明的有益效果在于：本发明具有预冷装置的冷冻消融系统及控制方法，具有独立的预冷装置，可降低了气体的工作压力，加速冷冻探针的温度降低；蚊香状气体热交换器，体积小、换热效率高；具有主动复温功能，有利于冷冻探针消融后拔出肿瘤；冷冻探针制冷量输出可控、升降温响应速度快，冷冻消融范围控制精度高；低压回气管路排出气体经散热片加热，排出气体不凝露、凝霜，治疗系统制冷效率高；操作方便；携带方便；结构简单、装置小巧、造价低廉。

附图说明

图1为本发明具有预冷装置的冷冻消融系统的结构示意图；

图2为本发明具有预冷装置的冷冻消融系统中的气体热交换器的结构示意图；

图3为本发明具有预冷装置的冷冻消融系统中的预冷装置的剖面结构示意图；

图4为本发明具有预冷装置的冷冻消融系统中的冷冻探针的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具有预冷装置的冷冻消融系统，包括高压进气管路1，进气电磁阀2，预冷装置3，加热电磁阀4，制冷电磁阀5，制冷进气管路6，加热进气管路7，保温套管8，冷冻探针9，低压回气管路10，热电偶11，温度信号采集模块12，微机13，电磁阀控制器14。

如图2所示，气体热交换器3-4用易导热、延展弯曲性好的退火熟铜管制作，进出气管路双线并绕若蚊香状，各管路紧密相贴，用焊锡固定换热器，并填充管路间的缝隙，打磨换热器两个圆形面，使换热器与半导体制冷片的换热接触面光滑平整。

如图3所示，由散热风扇3-1、散热片3-2、半导体制冷片3-3、气体热交换器3-4等组成。预冷装置3上下对称，气体热交换器3-4的两个光滑圆形面与半导体制冷片3-3的冷端紧密相贴，半导体制冷片3-3的热端装有散热片3-2，散热片3-2上方为散热风扇3-1。当半导体制冷片3-3开始运行时，散热风扇3-1动作，使空气强迫对流，帮助散热片3-2散热。

如图4所示，冷冻探针9由螺旋管翅片回热器9-1、J-T槽9-2等构成。制冷进气管路6与螺旋管翅片回热器9-1连接，螺旋管翅片回热器9-1的另一端连接J-T槽9-2，冷冻探针9内J-T槽9-2边上放置热电偶，用于监测冷冻探针9内的温度，制冷进气管路6、加热进气管路7、低压回气管路10、热电偶11同轴放置于保温套管8内。

当进行冷冻治疗时，接通半导体制冷片3-3的直流电源后制冷，微机13发送信号给电磁阀控制器14，打开进气电磁阀2、制冷电磁阀5，关闭加热电磁阀4，常温高压气体从高压进气管路1中流入，在气体热交换器3-4中预冷后，经制冷进气管路6、螺旋管翅片回热器9-1进入J-T槽9-2节流降压制冷，节流后的气体流过螺旋管翅片回热器9-1翅片侧后进入低压回气管路10，利用节流后的低温气体冷却高压侧气体温度，使气体可以在比初始温度低的情况下节流，得到更低的节流后温度，最后气体从低压回气管路10末端的一排排小孔中流出，冷却散热片3-2使半导体制冷片3-3冷端温度更低，得到更低的预冷温度，使排出气体温度升高至凝露温度以上，排入环境中。如此不断的进行下去，气体的温度越来越低，直至平衡达到冷冻消融的治疗要求温度。

通过超声或MMR可以显示冷冻探针9生成的冰球大小，当冰球的大小覆盖冷冻消融靶区范围，且热电偶11经温度信号采集模块12反馈给微机13的冷冻探针9刀头温度达到设定值，为避免消融范围过大冻伤正常组织、增强冷冻消融靶区肿瘤细胞杀伤效果，需保持冷冻探针9生成冰球大小不变，冷冻消融区恒温一段时间。微机13发送信号给电磁阀控制器14，通过调节占空比的方式控制进气电磁阀2的开闭，使冷冻探针9的输出制冷量可在0～100％间自由调节，可控制冰球的生长大小或保持冰球大小不变。

冷冻消融一次并不一定能彻底杀死靶区的肿瘤细胞，几个循环的反复升降温可提高肿瘤细胞死亡率，减少肿瘤局部复发率。冷冻消融区复温分自然复温、两种。当进行冷冻消融区主动复温时，反接半导体制冷片3-3的直流电源正负极后制冷片冷热端互换，微机13发送信号给电磁阀控制器14，打开进气电磁阀2、加热电磁阀4，关闭制冷电磁阀5，常温高压气体从高压进气管路1中流入，在气体热交换器3-4中加热后，加热后的气体经加热进气管路7进入冷冻探针9，加热冷刀刀头，最后气体经低压回气管路10末端的一排排小孔中流出，排入环境中。

本发明具有独立的预冷装置，具有主动复温功能，冷冻探针制冷量输出可控、升降温响应速度快，具有冷冻消融范围控制精度高、小巧、造价低廉、操作简单，携带方便等特点。可广泛用于多种良恶性肿瘤的冷冻消融治疗或肿瘤手术切除的冷冻辅助定位。

Claims (3)

1.一种具有预冷装置的冷冻消融系统，包括预冷装置(3)、冷冻探针(9)、气体输配与控制系统、温度测控装置，其特征在于，所述气体输配与控制系统由高压进气管路(1)、制冷进气管路(6)、加热进气管路(7)、低压回气管路(10)、进气电磁阀(2)、加热电磁阀(4)、制冷电磁阀(5)构成；冷冻探针(9)由螺旋管翅片回热器(9-1)、J-T槽(9-2)、保温套管(8)构成；温度测控装置是由冷冻探针内装的热电偶(11)、温度信号采集模块(12)、微机(13)、电磁阀控制器(14)构成；预冷装置(3)由散热风扇(3-1)、散热片(3-2)、半导体制冷片(3-3)、气体热交换器(3-4)组成，预冷装置(3)结构上下对称，气体热交换器(3-4)的两个光滑圆形面与半导体制冷片(3-3)的冷端紧密相贴，半导体制冷片(3-3)的热端装有散热片(3-2)，散热片(3-2)外方为散热风扇(3-1)；高压进气管路(1)通过进气电磁阀(2)接预冷装置(3)的气体热交换器(3-4)，输出分两路分别通过加热电磁阀(4)、制冷电磁阀(5)接加热进气管路(7)和制冷进气管路(6)，预冷装置(3)的半导体制冷片(3-3)输出接低压回气管路(10)，制冷进气管路(6)、加热进气管路(7)、低压回气管路(10)、热电偶(11)同轴放置于保温套管内，热电偶(11)的热电信号经过温度信号采集模块(12)输入微机(13)，微机(13)采集到温度信号后输出控制信号，经电磁阀控制器(14)对预冷装置(3)、进气电磁阀(2)、加热电磁阀(4)与制冷电磁阀(5)进行控制。

2.根据权利要求1所述的具有预冷装置的冷冻消融系统，其特征在于，所述气体热交换器(3-4)用退火熟铜管制作，进出气管路双线并绕蚊香状，各管路紧密相贴，用焊锡固定气体热交换器(3-4)，并填充管路间的缝隙，气体热交换器(3-4)与半导体制冷片(3-3)的换热接触面光滑平整。

3.根据权利要求1所述的具有预冷装置的冷冻消融系统，其特征在于，所述半导体制冷片(3-3)由单级半导体制冷片构成或由多片半导体制冷片串联而成。

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