CN103357121A

CN103357121A - 一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置

Info

Publication number: CN103357121A
Application number: CN2013102720318A
Authority: CN
Inventors: 周致富; 陈斌; 王国祥; 郭烈锦
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，包括制冷剂储罐，制冷剂储罐置于温度控制箱内，其出口与高压软管的一端相连接，高压软管的另一端与电磁阀相连接，电磁阀上连接有用于控制电磁阀开关的数字控制装置，电磁阀的输出端上安装有喷嘴，喷嘴为不锈钢直管或带有膨胀腔的不锈钢直管。本发明能够与任意一款激光器的激光探头能够配交替配合使用，实现了在进行激光手术中能够对患者皮肤进行冷却的效果，防止了表皮正常组织的热损伤，减少了患者的痛苦，同时，由于能够与多款激光器配合使用，使得本装置具有广泛的应用领域；另外，由于本装置采用数字控制装置进行控制，使得操作简单、使用方便。

Description

一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置

技术领域：

本发明属于激光医疗领域，特别涉及一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置。

背景技术：

葡萄酒色斑是一种先天性、低血流量的真皮内血管畸形，新生儿发病率约为0.3%，位于皮下深度约为200　550　m（Schneider BV,Mitsuhashi Y,Schnyder UW.Ultrastructural observations in port wine stains.ArchDermatol Res,1988,280(6):338-345）。随着年龄的增长，色斑颜色会逐渐加深，呈现粉红色-红色-紫色的变化趋势，甚至出现结痂，发展为血管瘤现象。由于葡萄酒色斑大部分位于人体面部或颈部等暴露部位，极少发生自发性消退，给患者的容貌带来巨大的损毁，严重影响患者的生活质量。

目前，激光已经成为治疗葡萄酒色斑的首选方法，通过选择特定波长的激光（临床上主要采用波长为585和595的脉冲染料激光）作用于患者目标皮肤处，激光穿透表皮到达真皮内被病变血管吸收，导致血管加热至热至消融，从而达到治疗的效果（Kelly KM,Nelson JS.Update on the clinicalmanagement of port wine stains.Laser Med Sci,2000,15(4):220-226）。然而，由于表皮内存在黑色素，其对可见光波段范围（400nm-700nm）的光都有较强的吸收，这就使得治疗激光在穿透表皮过程中有相当一部分被黑色素吸收，从而产生两个问题：一方面使得到达真皮内病变血管的激光能量减少，直接降低治疗效果；另外一方面，黑色素对激光较大的吸收会导致表皮温度快速上升从而灼伤表皮等正常组织，给治疗带来较大的负作用（Ashinoff R,Geronemus RG.Treatment of a port-wine stain in a black patient withthe pulsed dye laser.J Dermatol Surg Oncol,1992,18(2):147-148）。

由于在激光治疗PWS的过程中，存在激光损伤表皮等皮肤正常组织的风险，各种冷却方式被广泛用于激光治疗皮肤病手术中。传统的冷却方式包括冰敷、冷宝石接触式冷却与冷空气射流冷却。这些冷却方式主要利用与皮肤接触导热、或者单相空气对流的方式从皮肤表面带走热量，一方面换热强度较低，对表皮的冷却保护远远不够；另一方面由于冷却用时较长（以分钟计），在冷却表皮的同时，也会降低表皮下层的病变血管温度，不利于激光的热疗（Zenzie HH,Altshuler.Evaluation of cooling methods for laserdermatology.lasers in surgery and medicine,2000,26:130–144）。1995年，Nelson等人提出了以制冷剂R134a为工质的动态喷雾表皮冷却方式（Cryogen spray cooling,CSC），通过在激光作用皮肤之前，在皮肤表面喷射一定时间的制冷剂（通常为数十毫秒）。高挥发性的低温制冷剂液滴冲击皮肤表面，并快速蒸发，通过相变从皮肤表面带走大量热量，可快速将表皮温度降低到零下三十摄氏度，又由于制冷剂喷雾冷却作用时间非常短，不会对深层的病变血管温度造成较大影响，因而制冷剂喷雾冷却不仅具有冷却效率高，而且具有空间选择性的特点，可以减小皮肤手术中激光对表皮正常组织的热损伤，改善治疗效果（Nelson JS,Milner TE,Anvari B,et al.Dynamicepidermal cooling during pulsed laser treatment of port-wine stain.A new methodology with preliminary clinical evaluation.Arch Dermatol,1995,131(6):695-700）。

以制冷剂R134a为标准介质的动态喷雾冷却已在激光皮肤手术中得到了成功应用，对患者表皮层的快速冷却既能够减小激光对表皮的热损伤，又可以提高治疗激光能量，在一定程度上改善了对PWS等血管性皮肤病的治疗效果。然而，由于R134a在大气压下的沸点温度较高（约为-26.07°C），仍然存在着对PWS颜色与病变血管位置较深的患者表皮冷却保护不足的问题，尤其是对表皮黑色素含量较高的黄色人种。大量临床研究结果证明，即使应用脉冲染料激光（PDL）结合制冷剂喷雾冷却（CSC）的黄金治疗法则，仍然只有低于20%的PWS患者能够得以完全治愈（Aguilar G,Choi B,BroekgaardenM,et al.An overview of three promising mechanical,optical,andbiochemical engineering approaches to improve selectivephotothermolysis of refractory port wine stains.Ann Biomed Eng,2012,40(2):486-506）。此外，R134a动态喷雾冷却还存在易在皮肤表面形成较长时间液膜，降低冷却的空间选择性和喷雾横截面半径较大，手术中不易精确控制冷却面积的缺点。于是，寻找具有更高冷却效率的新型制冷剂成为改善PWS患者治疗效果的一个重要方向。

发明内容：

针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置及其冷却方法，能够减小激光皮肤热疗手术中激光对表皮正常组织的热损伤，能提高治疗激光能量，从而改善治疗效果。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括制冷剂储罐，制冷剂储罐的出口与高压软管的一端相连接，高压软管的另一端与电磁阀相连接，电磁阀上连接有用于控制电磁阀开关的数字控制装置，电磁阀的输出端上安装有喷嘴。

所述制冷剂储罐中所装制冷剂为R404a制冷剂。

还包括操作手柄，电磁阀安装于操作手柄上，操作手柄上预留有用于安装激光器激光探头的固定装置，且安装于电磁阀上的喷嘴与激光探头形成夹角，使得喷嘴喷出的喷雾与激光探头发射的激光作用于表皮同一位置。

所述操作手柄的底端安装有用于控制激光探头与人体皮肤距离的测量尺。

所述数字控制装置的输出端还与激光器相连接。

所述电磁阀开关一次的时间小于5ms。

所述喷嘴为不锈钢直管型喷嘴，或者为带有膨胀腔的不锈钢直管型喷嘴，喷嘴进口端与电磁阀输出端直接紧密连接。

所述喷嘴的长度为20～80mm，内径为0.5～1.5mm。

所述制冷剂储罐上安装有用于对制冷剂储罐进行温度调控的温度控制箱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，将装有制冷剂的制冷剂储罐通过高压软管输出，并与切换速度快的电磁阀相连接，实现了对制冷剂喷雾的快速控制，并且本发明的表皮快速冷却装置与任意一款激光器的激光探头能够配交替配合使用，实现了在进行激光手术中能够对患者皮肤进行冷却的效果，防止了表皮正常组织的热损伤，减少了患者的痛苦，同时，由于能够与多款激光器配合使用，使得本装置具有广泛的应用领域；另外，由于本装置采用数字控制装置进行控制，使得操作简单、使用方便。

进一步的，本发明的表皮快速冷却装置采用R404a制冷剂，该制冷剂具有对人体无毒、对臭氧无破坏作用的特点。与现有技术中采用的唯一制冷剂R134a相比较，R404a制冷剂在大气压下的低沸点性和高挥发性，使得其瞬态喷雾在激光热疗手术过程中对人体表皮具有更强的冷却保护能力，不易在皮肤表面形成液膜，冷却的空间选择性也更好，并且其喷雾横截面半径更小，更有利于冷却面积的精确控制，易于医生的临床操作。

进一步的，本发明中采用高精度的电磁阀，并且将喷嘴进口端与电磁阀输出端直接紧密连接，使得冷却剂具有很快的动作响应，开关一次的时间小于5ms，以精确实现时间为几十毫秒的动态喷雾，使得冷却效果更好。

进一步的，本发明中在制冷剂储罐的外面加设温度控制箱，手术之前能够将制冷剂储罐内的制冷剂液体在室温的基础上再加热十摄氏度左右，防止制冷剂液体流经高压软管时产生气泡，增强了动态喷雾冷却效果。

附图说明：

图1是本发明提出的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置示意图；

图2是喷嘴结构示意图,其中（a）为不锈钢直管型喷嘴，（b）带有膨胀腔的不锈钢直管型喷嘴；

图3是三种不同制冷剂R134a、R407c与R404a动态喷雾冷却环氧树脂表面温度（Ts）随时间（t）变化图，其中，喷雾时间为Δt=50ms，喷雾距离z=30mm，所用喷嘴为不锈钢直管型喷嘴，长度为63.5mm，内径为0.81mm；

图4是三种不同制冷剂R134a、R407c与R404a动态喷雾冷却环氧树脂表面热流密度（q_s）随时间（t）变化图；

图5是制冷剂R404a动态喷雾冷却环氧树脂表面（y=0mm），以及距离表面不同深度处（y=0.1,0.3,0.5mm）温度（T）随时间（t）的变化图，其中，喷雾时间为Δt=100ms，喷雾距离z=30mm；

图6是制冷剂R404a动态喷雾冷却表面最低温度（T_s,min）与热流密度峰值（q_s,max）随喷雾距离（z）的变化关系；

图7三种不同制冷剂R134a、R407c与R404a的喷雾形态比较图。

图中，1——制冷剂储罐，2——温度控制箱，3——高压软管，4——电磁阀，5——喷嘴，6——激光器，7——光纤，8——激光探头，9——操作手柄，10——皮肤，11——数字控制装置，12——测量尺。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

参见图1所示，本发明提供了一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，包括：制冷剂储罐1，制冷剂储罐1上安装有用于对制冷剂储罐1加热的温度控制箱2，制冷剂储罐1的出口与高压软管3的一端相连接，高压软管3的另一端与电磁阀4相连接，电磁阀4上连接有用于控制电磁阀开关的数字控制装置11，电磁阀4的输出端上安装有喷嘴5，所述速冷却装置还包括操作手柄9，电磁阀4安装于操作手柄9上，操作手柄9上预留有用于安装激光器激光探头8的固定装置，且安装于电磁阀4上的喷嘴5与激光探头8形成夹角，所述操作手柄9的底端安装有用于控制激光探头8与人体皮肤距离的测量尺12，优选的，选择合适的喷雾距离为20～40mm，该距离即使得患者皮肤表面温度较低，又具有较大的热流密度峰值。示例性的，喷嘴5与激光器探头约成30°角度，以使得喷雾末端与激光作用于皮肤表面10同一位置处。另外，本发明中的数字控制装置11还与激光器6连接，激光器6通过光纤7与激光探头8相连接，进而实现了对激光器的激光发射时间的控制，最终达到对制冷剂动态喷雾时间，以及喷雾结束与激光器开启之间的时间间隔的控制，优选的，本发明提供的新动态喷雾冷却方法使用的微型快速反应的电磁阀4，具有极高的响应速度，开关一次的时间在5ms以内，以精确实现喷雾时间为几十毫秒不超过100ms的动态喷雾冷却。

本发明中，参见图2（a）所示，喷嘴5为不锈钢直管型喷嘴，或者参见图2（b）所示，为带有膨胀腔的不锈钢直管型喷嘴，喷嘴5进口端与电磁阀4输出端直接紧密连接。所述喷嘴5的长度为20～80mm，内径为0.5～1.5mm。

需要说明的是，本发明中制冷剂采用R404a，其具有对人体无毒、对臭氧无破坏的特点，在大气压下的沸点温度约为-46.5°C。室温环境下（25°C），制冷剂储罐1内处于气液共存饱和状态的制冷剂R404a压力约为1.25MPa，当电磁阀4打开，液态制冷剂从储罐1，经由高压软管3与电磁阀4，从喷嘴5出口端喷出，由于快速失压而形成剧烈破碎的闪蒸喷雾，破碎后的制冷剂液滴由于强烈蒸发温度快速降低，低温液滴冲击皮肤表面能够对表皮形成带有空间选择性的快速冷却。相比较目前皮肤激光热疗手术中使用的制冷剂R134a，R404a不仅具有更强的冷却能力，冷却的空间选择性更好，而且喷雾横截面半径更小，有利于冷却面积的精确控制。

本发明的工作过程及原理为：先将制冷剂动态喷雾冷却方法所用的制冷剂R404a盛放在制冷剂储罐1内，为气液共存饱和状态，其中气态处于冷剂储罐1内顶部，而液态则处于冷剂储罐1底部。冷剂储罐1放置在温度控制箱2内，为防止液态制冷剂在流经高压软管3时产生气泡，需要应用温度控制箱2事先将冷剂储罐1内的温度加热10°C左右。高压软管3一端与制冷剂储罐1底部相连，另一端连接微型电磁阀4。由于动态喷雾冷却时间通常为几十毫秒，不超过100ms，因此，需要电磁阀具有较快的响应速度，开关一次的时间不超过5ms。电磁阀4的出口端与喷嘴5的进口端紧密连接，喷嘴5由不锈钢管制造，可以为直管型喷嘴，亦可以为进口端带有膨胀腔的直管型喷嘴。当电磁阀4打开，液态制冷剂从储罐1，经由高压软管3与电磁阀4，从喷嘴5出口端喷出，由于快速失压而形成剧烈破碎的闪蒸喷雾，破碎后的制冷剂液滴由于强烈蒸发温度快速降低，低温液滴冲击皮肤表面能够对表皮形成带有空间选择性的快速冷却。为方便激光热疗皮肤手术中医生的操作，需要将动态喷雾冷却头即由电磁阀4与喷嘴5组成的制冷剂喷雾出口端，与激光器探头8整合为一体，组成操作手柄9。操作手柄9与皮肤表面的距离通过操作手柄9下端的位置调节支架进行确定。激光器探头8通过光纤7与激光器6相连接，激光器6的种类可以根据不同皮肤病治疗的需要，比如波长、脉宽、能量、以及光斑大小而进行选择。制冷剂动态喷雾时间，即电磁阀的打开时间，以及喷雾结束与激光器开启之间的时间间隔，通常为几十毫秒，由数字控制装置11控制，二者可以根据激光皮肤热疗手术实际情况进行适当调节。

下面结合图3、图4、图5、与图6进一步说明本发明提出的快速冷却装置动态喷雾冷却的传热特性。实验中，所用喷嘴为不锈钢直管型喷嘴，长度为63.5mm，内径为0.81mm。为方便测量冷却表面快速变化的瞬态温度，以环氧树脂代替皮肤作为冷却基体，二者热物性相似。通过在环氧树脂表面通过磁控溅射技术直接喷涂厚度为2μm的T型薄膜热电偶测量表面温度，测得表面温度后，通过度哈梅尔定理计算方法计算得到表面热流密度。图3与图4分别展示了三种不同制冷剂R134a、R407c与R404a在30mm喷雾距离50ms喷雾时间下环氧树脂表面温度与热流密度随时间的变化，其中，三种制冷剂均具有对人体无毒，对臭氧无破坏的特点，其中R134a为目前皮肤激光临床手术中唯一使用的制冷剂，从图中可以看出，R404a喷雾冷却达到的表面温度最低，比R134a低近20°C，表面热流密度峰值最大，比R134a提高了近20%，而且表面液膜残留时间最小，τ3最小。因此，R404a不仅具有最好的冷却能力，而且冷却的空间选择性更好。图5进一步说明了R404a冷却的空间选择性，即使喷雾时间延长到100ms，PWS病变血管层（y=0.3～0.5mm）温度受喷雾冷却影响非常小，而表皮层的温度则被大大降低（y=0～0.1mm）。图6为R404a动态喷雾冷却表面最低温度与最大热流密度值随喷雾距离的变化，从图中可以看出，表面最低温度在30mm距离处为最小，而热流密度最大值随喷雾距离增加而单调下降，说明在使用R404a动态喷雾冷却时，应当选择合适的喷雾距离（20～40mm），即使得表面温度较低，又具有较大的热流密度峰值。

如图7所示，三种制冷剂R134a、R407c与R404a喷雾图形显示，相同喷雾距离时，R404a具有最小的喷雾横截面积，更有利于皮肤激光热疗手术过程中动态喷雾冷却面积的控制，更有利于医生的临床操作。

综上，本发明提出的新的皮肤激光热疗手术中的快速冷却方法，不仅具有更强的冷却效果，还具有更好的冷却空间选择性和使用操作性。

Claims

1.一种激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：包括制冷剂储罐（1），制冷剂储罐（1）的出口与高压软管（3）的一端相连接，高压软管（3）的另一端与电磁阀（4）相连接，电磁阀（4）上连接有用于控制电磁阀开关的数字控制装置（11），电磁阀（4）的输出端上安装有喷嘴（5）。

2.根据权利要求1所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述制冷剂储罐（1）中所装制冷剂为R404a制冷剂。

3.根据权利要求1所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：还包括操作手柄（9），电磁阀（4）安装于操作手柄（9）上，操作手柄（9）上预留有用于安装激光器激光探头（8）的固定装置，且安装于电磁阀（4）上的喷嘴（5）与激光探头（8）形成夹角，使得喷嘴（5）喷出的喷雾与激光探头（8）发射的激光作用于表皮同一位置。

4.根据权利要求3所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述操作手柄（9）的底端安装有用于控制激光探头（8）与人体皮肤距离的测量尺（12）。

5.根据权利要求1所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述数字控制装置（11）的输出端还与激光器（6）相连接，数字控制装置（11）控制瞬态喷雾持续时间、以及喷雾结束与激光器开启之间的时间间隔。

6.根据权利要求1所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述电磁阀（4）开关一次的时间小于5ms。

7.根据权利要求1所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述喷嘴（5）为不锈钢直管型喷嘴，或者为带有膨胀腔的不锈钢直管型喷嘴，喷嘴（5）进口端与电磁阀（4）输出端直接紧密连接。

8.根据权利要求1或7所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述喷嘴（5）的长度为20～80mm，内径为0.5～1.5mm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的激光皮肤热疗手术中的表皮快速冷却装置，其特征在于：所述制冷剂储罐（1）上安装有用于对制冷剂储罐（1）进行温度调控的温度控制箱（2）。