CN113855212A - 冷热消融器械、冷热消融系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冷热消融器械、冷热消融系统及其控制方法，涉及冷热消融治疗技术领域。本发明的冷热消融器械，包括用于接收第一工质的第一工质通道、用于接收第二工质的第二工质通道以及分别与所述第一工质通道和所述第二工质通道相连的反应腔，仅由第一工质通道接收第一工质时，可通过第一工质进行冷消融操作，而由第一工质通道和第二工质通道同时接收第一工质和第二工质时，则可在反应腔发生放热反应，从而将热量传导至目标区域，即可使目标区域的组织热消融，因此无论是冷消融阶段还是热消融阶段都无需更换治疗工质，有利于系统整体控制和小型化；此外，第一工质和第二工质更容易获得，因此治疗成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及冷热消融治疗技术领域，特别地涉及一种冷热消融器械、冷热消融系统及其控制方法。
背景技术
采用高低温复合消融手术来治疗肿瘤的适应症较广，可应用早期、中期和晚期各期实体肿瘤的治疗，尤其为那些不能手术切除的中晚期患者、或因年龄大身体虚弱等各种原因不愿手术肿瘤患者提供了帮助。现有的冷冻消融设备氩氦刀，其工质所需的氩气和氦气不易获取，因此对治疗技术和设备推广有比较大的限制。
发明内容
本发明提供一种冷热消融器械、冷热消融系统及其控制方法，用于解决上述的至少一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种冷热消融器械，其用于执行冷热消融操作，包括：
第一工质通道，其用于接收第一工质；
第二工质通道，其用于接收第二工质；以及
反应腔，其分别与所述第一工质通道和所述第二工质通道相连；
其中，在冷消融阶段，所述第一工质通道接收第一工质并将其输送至所述反应腔以进行冷消融治疗；
在热消融阶段，所述第一工质通道和所述第二工质通道同时将接收到的第一工质和第二工质输送至所述反应腔，以在所述反应腔中发生放热反应。
在一个实施方式中，所述第一工质为氢气，所述第二工质为氧气。
在一个实施方式中，还包括与所述反应腔相连通的混合腔，所述反应腔通过所述混合腔与所述第一工质通道和所述第二工质通道相连通，所述第一工质通道中的第一工质和所述第二工质通道中的第二工质在所述混合腔中混合后进入所述反应腔进行反应。
在一个实施方式中，所述第一工质通道的其中一端为具有节流孔的锥状结构，所述第一工质通道通过所述节流孔与所述混合腔相连通。
在一个实施方式中，所述第二工质通道套设在所述第一工质通道的外侧，所述第二工质通道上设置有沿其周向分布的连通孔，所述第二工质通道通过所述连通孔与所述混合腔相连通。
在一个实施方式中，所述第二工质通道的外侧套设有回流通道，所述回流通道与所述反应腔相连；
所述回流通道的外侧还设置有绝热层。
在一个实施方式中，还包括设置在所述反应腔和所述混合腔之间的引燃部，所述引燃部用于点燃所述第一工质，以使第一工质燃烧。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种冷热消融系统，包括上述的冷热消融器械，其特征在于，还包括：
第一工质单元，其与所述第一工质通道相连，用于向所述第一工质通道中输入第一工质；以及
第二工质单元，其与所述第二工质通道相连，用于向所述第二工质通道中输入第二工质；
其中，所述第一工质单元和所述第二工质单元同时向所述冷热消融器械通入第一工质和第二工质。
在一个实施方式中，还包括预冷单元，所述预冷单元包括：
换热器，其与所述第一工质通道相连，且所述换热器还通过第一连接管与所述第一工质单元相连；以及
第三工质容器，其用于容纳第三工质，所述换热器浸没在所述第三工质中；
其中，所述第一工质单元通过第二连接管与所述第一工质通道相连，其中所述第一连接管与所述第二连接管不同时导通。
在一个实施方式中，所述第一连接管上分别设置有第一控制阀和第一调压阀，所述第二连接管上分别设置有第二控制阀和第二调压阀，所述第一控制阀和所述第二控制阀不同时打开。
在一个实施方式中，所述第二工质单元通过所述第三连接管与所述第二工质通道相连，所述第三连接管上分别设置有第三控制阀和第三调压阀。
根据本发明的第三个方面，本发提供一种冷热消融系统的控制方法，包括以下步骤：
冷消融步骤：使所述第一工质单元和预冷单元相连通，并使所述预冷单元与所述第一工质通道相连通，以将预冷后的第一工质输送至所述第一工质通道中；
热消融步骤：使所述第一工质单元和预冷单元断开连通，使所述第一工质单元和所述第一工质通道相连通，使所述第二工质单元和所述第二工质通道相连通，以同时向所述冷热消融系统中输入第一工质和第二工质；
使所述第一工质和所述第二工质在所述混合腔中以预定比例混合；
使混合后的第一工质和第二工质在反应腔中进行放热反应。
与现有技术产品相比，本发明的优点在于，仅由第一工质通道接收第一工质时，可通过第一工质进行冷消融操作，而由第一工质通道和第二工质通道同时接收第一工质和第二工质时，则可在反应腔发生放热反应，从而将热量传导至目标区域，即可使目标区域的组织热消融。针对目标组织，本发明的技术方案能在短时间内产生更低的冷消融温度和更高的热消融温度，即能产生更快的降温和升温速率，从而对病变组织的摧毁更为彻底，提高治疗效果。此外，第一工质和第二工质更容易获得，因此治疗成本更低。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的实施例中冷热消融器械的主视图；
图2是本发明的实施例中冷热消融器械的立体图；
图3是图1所示的冷热消融器械的剖视图；
图4是图1所示的冷热消融器械的立体剖视图；
图5是本发明的实施例中冷热消融系统的结构示意图。
附图标记：
100-冷热消融器械；
101-针尖；102-针体；103-手柄；104-接口；
110-第一工质通道；111-节流孔；
120-第二工质通道；121-连通孔；
130-混合腔；140-反应腔；141-翅片；
150-回流通道；160-绝热层；170-引燃部；
200-冷热消融系统；
210-预冷单元；211-第一连接管；212-第一控制阀；213-第一调压阀；
214-换热器；215-第三工质容器；
220-第一工质单元；221-第二连接管；222-第二控制阀；223-第二调压阀；
230-第二工质单元；231-第三连接管；232-第三控制阀；233-第三调压阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-4所示，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种冷热消融器械100，其用于执行冷热消融操作。如图1和2所示的实施例中，冷热消融器械100为消融针，其包括手柄103、设置在手柄103的一端的针体102以及设置在针体102末端的针尖101，通过分别向针体102中通入冷工质和热工质来达到治疗的目的。此外，手柄103的另一端设置有接口104，其可以与工质单元相连，从而接收冷热工质。
可以理解地，本发明的冷热消融器械100还可以是消融笔、消融枪等其他适于执行冷热消融操作的治疗器械。
下面以图1和2所示的消融针为例，对本发明的冷热消融器械100进行详细地说明。
请结合图3和4，本发明的冷热消融器械100包括用于接收第一工质的第一工质通道110、其用于接收第二工质的第二工质通道120、混合腔130以及反应腔140。混合腔130分别与第一工质通道110和第二工质通道120相连通，第一工质通道110中的第一工质和二工质通道中的第二工质在混合腔130中混合。反应腔140则与混合腔130相连，混合腔130将混合后的工质输送至反应腔140中，混合后的第一工质和第二工质在反应腔140中发生放热反应。
其中，在冷消融阶段，仅由第一工质通道110接收第一工质并将其输送至反应腔140进行冷消融操作。在热消融阶段，第一工质通道110和第二工质通道120则同时将其各自接收到的第一工质和第二工质输送至混合腔130进行混合，混合后的工质进入反应腔140中发生放热反应，从而进行热消融操作。
在一些优选的实施例中，第一工质为氢气，第二工质为氧气。由于氢气和氧气的来源广泛，因此其使用成本低廉。并且氢气和氧气可以在点燃时发生燃烧反应，从而释放出大量的热，从而在很短内使目标区域的组织完成热消融。
进一步地，根据氢气燃烧的反应式，
因此混合腔130中第一工质和第二工质以体积比为2:1的比例进行混合。
此外，混合腔130中的氢气和氧气为具有预定压力的气体，例如氢气压力在20MPa-30MPa之间，氧气压力在0.5MPa-1MPa之间，其压力可通过下文所述的冷热消融系统200进行调节和控制。
如图3和4所示，第一工质通道110由第一管限定，第一管的其中一端为第一锥状结构并且具有节流孔111，其中，节流孔111设置在第一锥状结构的中心处，即其与第一工质通道110同轴设置。并且节流孔111的内径小于第一工质通道110的内径。该第一锥状结构伸入混合腔130中，第一工质通道110通过节流孔111与混合腔130相连通，因此第一工质可经节流孔111节流后流入混合腔130中。
如图3所示，节流孔111可以与第一锥状结构相匹配，即节流孔111可设置为锥形孔，即其内径沿向着针尖101的方向渐缩，因此通过节流孔111的低温的第一工质的温度可进一步降低。
优选地，第二工质通道120套设在第一工质通道110的外侧，通过将第二工质通道120和第一工质通道110同轴设置，能够减小冷热消融器械100的体积，有利于其小型化。
此外，第二工质通道120由第二管限定，第二管的其中一端为第二锥状结构，该第二锥状结构同样伸入混合腔130中，在该第二锥状结构上设置有沿其周向分布的连通孔121，第二工质通道120通过连通孔121与混合腔130相连通，第二工质从连通孔121中流入混合腔130中与第一工质进行混合。如此设置第二工质通道120的端部，可以在热消融时，通过连通孔121将第二工质充分打散后再与第一工质混合点燃，从而使燃烧更加充分。
为了便于制造和组装，可以将第一工质通道110的第一锥状结构和第二工质通道120的第二锥状结构设置为具有相同的锥度，例如15°-75°。
可选地，第二工质通道120与第一工质通道110并排设置，并与混合腔130相连。
通过上述的第一工质通道110和第二工质通道120能够实现热消融操作。进一步地，在热消融操作之前，可通过第一工质通道110实现冷消融操作。
具体地，在冷消融阶段，第一工质通道110输送经过预冷后的高压氢气，预冷后的高压氢气通过节流孔111被喷出后，其温度能够进一步降低，例如在﹣
202℃左右，从而通过反应腔140(相当于冷热消融器械100的治疗区域)时与外界病灶组织发生热交换，使病灶组织区域迅速降温形成冰球，以实施对病灶组织的冷消融治疗。因此较之现有的氩氦刀的最低治疗温度仅为-140℃左右，本发明采用高压氢气作为治疗工质，可实现对目标区域病灶组织的极速降温且能达到比现有技术更低的冷消融温度，增大对病灶区域组织肿瘤细胞的破坏程度，以提高治疗的效果。并且氢气的来源比氩气和氦气更广泛、更便于获得，因此治疗的成本能够大幅下降。
在第二工质通道120的外侧套设有回流通道150，回流通道150与反应腔140相连，在反应腔140中反应后的工质以及进行冷消融治疗的工质均可通过回流通道150进行回流。
因此可以理解地，回流通道150中工质的流动方向(如图3中虚线箭头所示)与第一工质通道110中工质的流动方向(如图3中实线箭头所示)相反；而第一工质通道110中工质的流动方向则与第二工质通道120中工质的流动方向相同(如图3中实线箭头所示)。
此外，回流通道150的外侧还设置有绝热层160。例如可在针体102的内壁与回流通道150的外壁之间设置真空层，以保证除反应腔140所在区段之外的其他区段不会向外界传导热量，避免非治疗区域的组织被冻伤，提高使用的安全性。
回流通道150还与回收系统(未示出)相连，用于收集治疗后的工质和反应物。
在一些可选地实施例中，回收系统可以采用气液分离式回收系统，其包括冷却管、气体回收管、与冷却管相连的收集盒以及分别与气体回收管相连的氢气回收罐和混合气体回收罐。其中冷消融阶段完成后的氢气通过气体回收管进入氢气回收罐进行回收；热消融阶段，氢气和氧气的混合气体在反应腔140中燃烧后产生的水蒸气通过冷却管可冷却成液体，从而向下沉淀至收集盒中，氢氧混合气体则通过气体回收管集中进行回收。
在一些优选的实施例中，本发明的冷热消融器械100还包括设置在反应腔140和混合腔130之间的引燃部170，引燃部170用于点燃第一工质和第二工质的混合物，以使其燃烧。例如，引燃部170可以是电子点火导线。通过正负电极连续点火，可使氢气和氧气的混合气体在反应腔140中被点燃而进行燃烧，其温度可达100℃-150℃，从而满足快速热消融操作。
进一步地，反应腔140内设置导热部，导热部为沿反应腔140的周向设置的多个翅片141。翅片141可沿反应腔140的轴向延伸，翅片141可以是长条状或其他异形结构。氢气和氧气的混合气体在反应腔140中燃烧，其产生的热量通过翅片141传导至针体102的壁面，使目标区域的组织迅速热消融，从而使冷消融阶段形成的冰球快速融化。通过多次反复进行冷消融阶段和热消融阶段，可使得目标区域的肿瘤细胞死亡，从而达到治疗的目的。
氢气和氧气的混合气体在反应腔140中燃烧后产生的水蒸气以及氢氧混合气体则可通过回流通道150进入回收系统中。
更进一步地，为了便于控制温度，在反应腔140的外壁上设置有测温元件，测温元件例如可以是测温热电偶或温度传感器，通过测温元件可以测量反应腔140所在的治疗区段针体102的外壁面温度。
需要说明的是，反应腔140为能够承受高温和高压的密封管状结构所限定，从而实现安全操作。
综上所述，本发明的冷热消融器械100通过采用氢气和氧气作为治疗工质，氢气压力在20MPa-30MPa之间、最低温度可达﹣202℃的冷消融操作，以及150℃左右的热消融操作。
如图5所述，根据本发明的第二个方面，本发明提供一种冷热消融系统200，其包括上文所述的冷热消融器械100，还包括预冷单元210、第一工质单元220和第二工质单元230。
其中，第一工质单元220与第一工质通道110相连，用于向第一工质通道110中输入第一工质。第二工质单元230与第二工质通道120相连，用于向第二工质通道120中输入第二工质。可以理解地，在热消融阶段，第一工质单元220和第二工质单元230同时向治疗器械通入第一工质和第二工质。
预冷单元210包括换热器214和第三工质容器215。换热器214与第一工质通道110相连，且换热器214还通过第一连接管211与第一工质单元220相连。第三工质容器215用于容纳第三工质，且换热器214浸没在第三工质中。第三工质可以是液氮，通过液氮将换热器214中的第一工质可预冷至﹣1960℃至﹣
100℃，经过换热器214预冷后的第一工质可进入第一工质通道110中进行冷消融治疗。
其中，第一工质单元220通过第二连接管221与第一工质通道110相连，且第一连接管211与第二连接管221不同时导通。
具体来说，第一连接管211上分别设置有第一控制阀212和第一调压阀213，第二连接管221上分别设置有第二控制阀222和第二调压阀223，第一控制阀212和第二控制阀222不同时打开或关闭。第二工质单元230通过第三连接管231与第二工质通道120相连，第三连接管231上分别设置有第三控制阀232和第三调压阀233，第三控制阀232和第二控制阀222同时打开或关闭。
上述第一控制阀212、第二控制阀222和第三控制阀232还可起到控制工质流量的作用，以达到控制工质的压力的目的。通过操作第一控制阀212、第二控制阀222和第三控制阀232，可使进入第一工质通道110中的第一工质和进入第二工质通道120中的第二工质为具有一定压力(例如氢气压力为20MPa-30MPa，氧气压力为0.5MPa-1MPa)的工质。
此外，第一工质单元220和第二工质单元230上还可设置压力表、放气阀等控制部件，以保证第一工质单元220中的第一工质和第二工质单元230中的第二工质的压力满足使用要求。
本发明的冷热消融系统200还包括控制单元，其与上文所述的第一控制阀212、第二控制阀222、第三控制阀232以及第一调压阀213、第二调压阀223和第三调压阀233相连，以分别控制其开启和关闭。根据本发明的第三个方面，本发明提供一种冷热消融系统200的控制方法，包括以下步骤：
首先进行冷消融步骤。
具体来说，第一控制阀212打开，第一调压阀213调节第一连接管211的压力，第一工质单元220和预冷单元210的换热器214相连通，第一工质单元220中的第一工质输入换热器214中。
使预冷单元210的换热器214与第一工质通道110相连通，在换热器214中经过预冷后的第一工质输送至第一工质通道110中。
第一工质通道110接收到的第一工质从节流孔111被喷出至反应腔140，预冷之后的第一工质经过节流孔111之后的温度进一步降低，可达﹣202℃左右其与目标区域的组织进行快速热交换以完成冷消融治疗。
其次进行热消融步骤。
具体来说，第一控制阀212关闭，第一工质单元220和预冷单元210断开连通。
第二控制阀222打开，第二调压阀223调节第二连接管221的压力，第一工质单元220和第一工质通道110相连通，第一工质输入至第一工质通道110中。
第三控制阀232打开，第三调压阀233调节第三连接管231的压力，第二工质单元230和第二工质通道120相连通，第二工质同时输送至第二工质通道120中。
第一工质通道110接收到的第一工质从节流孔111被喷出至混合腔130，第二工质通道120接收到的第二工质从连通孔121被喷出至混合腔130，通过控制输入至第一工质通道110中的第一工质和输入至第二工质通道120中的第二工质的流量，可使第一工质和第二工质在混合腔130中以预定的体积比(例如2:1)混合。
引燃部170点火，使混合后的第一工质和第二工质在反应腔140中进行燃烧产生放热反应，通过测温元件反馈的温度情况，调整相应阀门的开关，间歇性的控制氧气的输入以及控制引燃部170的点火时机即可对热消融温度进行有效的控制，使其控制在一定温度范围内，例如，可使反应腔140内的温度可达100-150℃。反应腔140中的翅片141可进行更好地热传递，从而使冷消融阶段产生的冰球迅速融化，在非常短的时间内使目标区域的组织热消融。
重复上述冷消融步骤和热消融步骤，例如重复2-3次，即可使目标区域的肿瘤细胞遭到破坏，从而达到治疗的目的。
需要说明的是，本文所述的“高压”为在20MPa-30 MPa之间的压力。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (12)
1.一种冷热消融器械，其用于执行冷热消融操作，其特征在于，包括：
第一工质通道(110)，其用于接收第一工质；
第二工质通道(120)，其用于接收第二工质；以及
反应腔(140)，其分别与所述第一工质通道(110)和所述第二工质通道(120)相连；
其中，在冷消融阶段，仅由所述第一工质通道(110)接收第一工质并将其输送至所述反应腔(140)以进行冷消融操作；
在热消融阶段，所述第一工质通道(110)和所述第二工质通道(120)同时将其各自接收到的第一工质和第二工质输送至所述反应腔(140)，以在所述反应腔(140)中发生放热反应。
2.根据权利要求1所述的冷热消融器械，其特征在于，所述第一工质为氢气，所述第二工质为氧气。
3.根据权利要求2所述的冷热消融器械，其特征在于，还包括与所述反应腔(140)相连通的混合腔(130)，所述反应腔(140)通过所述混合腔(130)与所述第一工质通道(110)和所述第二工质通道(120)相连通，所述第一工质通道(110)中的第一工质和所述第二工质通道中的第二工质在所述混合腔(130)中混合后进入所述反应腔(140)进行反应。
4.根据权利要求3所述的冷热消融器械，其特征在于，所述第一工质通道(110)的其中一端为具有节流孔(111)的锥状结构，所述第一工质通道(110)通过所述节流孔(111)与所述混合腔(130)相连通。
5.根据权利要求4所述的冷热消融器械，其特征在于，所述第二工质通道(120)套设在所述第一工质通道(110)的外侧，所述第二工质通道(120)上设置有沿其周向分布的连通孔(121)，所述第二工质通道(120)通过所述连通孔(121)与所述混合腔(130)相连通。
6.根据权利要求5所述的冷热消融器械，其特征在于，所述第二工质通道(120)的外侧套设有回流通道(150)，所述回流通道(150)与所述反应腔(140)相连；
所述回流通道(150)的外侧还设置有绝热层(160)。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的冷热消融器械，其特征在于，还包括设置在所述反应腔(140)和所述混合腔(130)之间的引燃部(170)，所述引燃部(170)用于点燃所述第一工质，以使第一工质燃烧。
8.一种冷热消融系统，包括权利要求1-7中任一项所述的冷热消融器械，其特征在于，还包括：
第一工质单元(220)，其与所述第一工质通道(110)相连，用于向所述第一工质通道(110)中输入第一工质；以及
第二工质单元(230)，其与所述第二工质通道(120)相连，用于向所述第二工质通道(120)中输入第二工质；
其中，所述第一工质单元(220)和所述第二工质单元(230)同时向所述冷热消融器械中通入第一工质和第二工质。
9.根据权利要求8所述的冷热消融系统，其特征在于，还包括预冷单元(210)，所述预冷单元(210)包括：
换热器(214)，其与所述第一工质通道(110)相连，且所述换热器(214)还通过第一连接管(211)与所述第一工质单元(220)相连；以及
第三工质容器(215)，其用于容纳第三工质，所述换热器(214)浸没在所述第三工质中；
其中，所述第一工质单元(220)通过第二连接管(221)与所述第一工质通道(110)相连，其中所述第一连接管(211)与所述第二连接管(221)不同时导通。
10.根据权利要求9所述的冷热消融系统，其特征在于，所述第一连接管(211)上分别设置有第一控制阀(212)和第一调压阀(213)，所述第二连接管(221)上分别设置有第二控制阀(222)和第二调压阀(223)，所述第一控制阀(212)和所述第二控制阀(222)不同时打开。
11.根据权利要求10所述的冷热消融系统，其特征在于，所述第二工质单元(230)通过第三连接管(231)与所述第二工质通道(120)相连，所述第三连接管(231)上分别设置有第三控制阀(232)和第三调压阀(233)。
12.一种权利要求8-11中任一项所述的冷热消融系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
冷消融步骤：使所述第一工质单元(220)和预冷单元(210)相连通，并使所述预冷单元(210)与所述第一工质通道(110)相连通，以将预冷后的第一工质输送至所述第一工质通道(110)中；
热消融步骤：使所述第一工质单元(220)和预冷单元(210)断开连通，使所述第一工质单元(220)和所述第一工质通道(110)相连通，使所述第二工质单元(230)和所述第二工质通道(120)相连通，以同时向所述冷热消融系统(200)中输入第一工质和第二工质；
使所述第一工质和所述第二工质在混合腔(130)中以预定比例混合；
使混合后的第一工质和第二工质在反应腔(140)中进行放热反应。
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