肿瘤低温治疗探针强化换热特性

　　肿瘤低温冷冻治疗是利用低温手术器械,使病灶组织受到低温损伤以致坏死的一种治疗方法.该方法可以实现微创靶向治疗,具有出血少、反应轻、安全性高和防止扩散等特点[1,2],同时还具有冷冻免疫功能,可以防止肿瘤再生复发和转移[2].因此,低温冷冻治疗逐渐被应用于治疗各种恶性肿瘤,如肺癌[3]、肝癌[4]等,近期又成为治疗前列腺炎的一种有效手段[5].

　　低温冷冻治疗的实施主要决定于冷冻治疗设备的发展.1964年,Cooper[6]研制了一套可以实现局部治疗的封闭探针系统,该系统的探针由一环形套管组成,除治疗段外都有真空绝热保护,液氮由内管进入到达治疗段,吸收病灶组织热量部分汽化后由环形通道排出.经过几十年的发展,小管径探针的冷却性能提高甚微,5 mm探针壁面温度仅能达到-125°C.直到20世纪90年代中期出现了采用-209°C过冷液氮的CMS Accuprobe系统[7],才使得探针壁面温度降低到-165°C.然而,该系统十分复杂,由真空泵、4个液氮杜瓦和多个换热器组成.因此,有必要进一步简化系统,提高探针的冷却性能.

　　本文利用一种快速预冷汽液分离器,不仅简化了肿瘤低温治疗系统,还可以大大缩短预冷时间;考察了驱动压力对预冷时间的影响.根据探针内部的流动沸腾状态,提出了螺旋丝和螺旋丝网两种强化换热方式,并对其传热特性进行了初步研究。

　　1　实验系统

　　实验系统如图1所示,液氮由自增压杜瓦1流出,先经过快速预冷汽液分离器,汽体和部分液体进入贮存杜瓦2,而液氮进入探针,探针治疗段浸入到17°C生理盐水恒温槽中,液氮吸收热量部分汽化后排出.电磁阀1、2由控制器控制开闭,温度通过0.4mm铜2康铜热电偶测量.由于探针进液管通径很小,流量有限,要预冷整个系统需要很长时间,如文献[8]中的系统需要30 min才能达到稳定状态.为了缩短预冷时间,本系统采用了一种快速预冷汽液分离器,预冷系统所产生的汽体,经分离器内的喷射小孔快速排出.预冷结束后,由于管路漏热而产生的汽体可以经过快速预冷汽液分离器分离排出,从而确保完全的液氮进入探针,对肿瘤进行治疗.

　　治疗探针尺寸如图2(a)所示,沿探针轴向设置3个测温点T1、T2和T3.为了提高探针冷冻性能,提出了两种强化传热技术:螺旋细丝结构和螺旋丝网结构,如图2(b)、(c)所示.螺旋细丝丝径0.25mm,将其缠绕并焊接在直径为1.2 mm的进液管上,螺距1.6 mm,缠绕长度25.0 mm.120目丝网的宽度为2.0 mm,缠绕并焊接在进液管上,螺距1.0mm,缠绕长度25.0 mm.

　　2　结果与讨论

　　2.1　汽液分离器对探针壁面降温过程的影响

　　由图3可见,在没有安装快速预冷汽液分离器以前,预冷时间30 min后温度仅仅降低了2°C,甚至一直没有液氮喷出.而安装快速预冷汽液分离器后,在0.6 MPa驱动压力下,17°C生理盐水中,探针的预冷时间仅为2 min,预冷时间随驱动压力增大而缩短.在10 min时,T2点处探针温度最低可以达到-128°C,而T1点处的针尖温度比较高,仅为-20°C左右,其原因可能是由于大量液氮汽化,受到狭小空间的限制,一层汽体被高速射流滞止在针尖,使得热阻很大.而T3点由于受到真空绝热层的保护,温度一直处于10°C以上,从而可以防止正常的经皮组织受到低温损伤.