高壓氬氣節(jié)流型低溫探針的實驗研究

王宏宇 張紹志 陳光明 呂維敏 姜紅強(qiáng)

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

(2浙江省醫(yī)療器械研究所 杭州 310009)

(3浙江省建筑設(shè)計研究院 杭州 310006)

1 引言

長期以來中國腫瘤治療以手術(shù)切除、放療和化療為主，但是治愈率不高，患病部位不能手術(shù)切除的癌癥病人的治療是臨床難題［1］。微創(chuàng)低溫冷凍治療利用尺寸很小的探針做穿刺插入病變組織，具有出血少、反應(yīng)輕、安全性高、康復(fù)時間短等優(yōu)點，一定程度上防止腫瘤擴(kuò)散，綜合治療療效顯著［2-4］。在肺癌、肝癌、前列腺癌和乳腺癌等多發(fā)性腫瘤的治療中，微創(chuàng)低溫冷凍治療的應(yīng)用廣泛［5-12］。目前，微創(chuàng)低溫冷凍治療的主要設(shè)備是“氬氦刀”，其低溫探針內(nèi)部包含一個小型J-T節(jié)流制冷器，通過高壓氬氣節(jié)流獲得冷量，為了獲得更低的制冷溫度和更大的制冷量，如何設(shè)計逆流換熱器和節(jié)流噴嘴是關(guān)鍵［13］。Chou等人對節(jié)流噴嘴處的膨脹過程進(jìn)行了理論研究［14］，Chien等人對J-T節(jié)流制冷器的瞬態(tài)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［15］，Xue等、Ng等、Chua等和 Hong等分別對應(yīng)用于J-T節(jié)流制冷器的不同尺寸大小的小型逆流換熱器進(jìn)行了模擬和實驗研究［16-19］，Kylie等和 Nellis等采用ε-NTU法對低溫探針的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化［20-21］，Yu等人對Endocare公司生產(chǎn)的不同直徑的低溫探針進(jìn)行了性能測試［22］。鑒于中國國內(nèi)“氬氦刀”設(shè)備仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，本文作者設(shè)計制作了5 mm直徑的低溫探針，并對其性能進(jìn)行了試驗研究。

2 低溫探針結(jié)構(gòu)

圖1為設(shè)計制作的5 mm直徑低溫探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，探針主要包括，外管、芯軸、螺旋翅片管逆流換熱器、膨脹空間和節(jié)流噴嘴。

圖1 探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of a cryoprobe

5 mm直徑探針的制作，主要包括:換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、螺旋翅片管換熱器的繞制，節(jié)流噴嘴設(shè)計，膨脹空間大小設(shè)計等，本研究探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 探針內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Inner structure dimensions of a cryoprobe

3 實驗測試系統(tǒng)

圖2所示為低溫探針測試系統(tǒng)圖，主要包括進(jìn)氣部分、真空環(huán)境測試部分，回氣收集測量部分和數(shù)據(jù)采集部分。進(jìn)氣部分包括氬氣源、減壓閥、預(yù)冷換熱器和進(jìn)氣溫度壓力測點。氬氣最高壓力40 Pa，純度99.999%。減壓閥額定最大入口壓力69 MPa，出口壓力范圍0.35ˉ41 MPa。預(yù)冷換熱器的冷源是冷凍酒精，通過加入醫(yī)用冰袋來改變酒精的溫度，進(jìn)而調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣溫度。壓力傳感器P0、P1的量程是0ˉ50 MPa，精度 ±0.5%FS，分別用來測量預(yù)冷換熱器前后的氣體壓力。溫度傳感器T0、T1是T型熱電偶，標(biāo)定精度為±0.5 K，分別用來測量換熱器前后的氣體溫度。真空環(huán)境測試部分是將低溫探針置于真空環(huán)境中，通過熱平衡法測量探針的制冷量。低溫探針的外管固定于試驗臺上，如圖2中4號裝置所示，探針外管端部布置有壓力傳感器P3(量程－1ˉ5×105Pa，精度±0.3%FS)和溫度傳感器T3(T型熱電偶，標(biāo)定精度為±0.5 K)，分別用來測量高壓氬氣節(jié)流之后的壓力和溫度，測試時只需將繞制好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分插入外管即可組成低溫探針。真空罩中真空環(huán)境通過采用F-100/110分子泵機(jī)組(極限壓強(qiáng):6×10－6ˉ6 ×10－7Pa)抽真空獲得，同時采用 ZDFˉⅢ型系列電阻/電離復(fù)合真空計(1×105ˉ1×10－5Pa)對真空壓力進(jìn)行測量。熱平衡法測量制冷量時，在探針外管上均勻纏繞電加熱絲，通過可控電源控制熱量平衡。電加熱絲采用鎳鉻加熱線，可控電源采用固緯PSP-603型可編程交換式直流電源?；貧馐占瘻y量部分主要包括集氣罩、流量計和溫度壓力傳感器。通過集氣罩將排氣收集起來統(tǒng)一通過流量計排入大氣來測量氬氣的消耗量。流量計的量程是0ˉ50 SLPM，精度為±(1.5+0.2FS)%。集氣罩內(nèi)布置壓力傳感器 P4(量程 －1ˉ5×105Pa，精度 ±0.3%FS)和溫度傳感器T4(T型熱電偶，標(biāo)定精度為±0.5K)，分別用來測量回氣的壓力和溫度。數(shù)據(jù)采集部分包括數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)。工作中所有的傳感器信號輸出均是電壓信號或電流信號，采用Agilent 34970A Data Acquisition/Switch Unit進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并連接計算機(jī)進(jìn)行記錄。

圖2所示的實驗裝置真空腔可以拆卸。將探針置于大氣環(huán)境中，壁面布置溫度傳感器可以測量低溫探針的降溫特性和壁面溫度分布。將探針置入水浴中可以測量冰球形成大小。

圖2 實驗裝置系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up

4 實驗和結(jié)果討論

根據(jù)低溫治療冷凍消融原理可知，低溫探針快速的降溫和復(fù)溫可以有效的殺傷、殺死病變組織。較低的探針壁面溫度和較大的制冷量可以在臨床上形成較大的冰球。因此降溫特性和可以形成冰球大小是評價低溫探針性能的重要指標(biāo)，本研究對設(shè)計制作的5 mm直徑低溫探針進(jìn)行了降溫特性、制冷量和形成冰球能力測試。

4.1 低溫探針降溫特性

實驗開始前，首先將制作的微型螺旋翅片管換熱器插入圖2實驗臺上的固定外管中，然后將換熱器進(jìn)氣端接入實驗臺高壓進(jìn)氣系統(tǒng)中。低溫探針的降溫特性試驗在空氣中進(jìn)行，將圖2實驗臺的真空罩撤下，使探針裸露于空氣中。在探針外壁布置溫度測點，溫度傳感器采用銅-康銅熱電偶，布置如圖3所示，圖中測點分別表示距離探針尖端 0.5，1，2，3，4，5，6 cm。

實驗開始，打開安捷倫數(shù)據(jù)采集程序，打開高壓氣體減壓閥調(diào)節(jié)出口壓力為20 MPa，持續(xù)運(yùn)行約5 min。之后輸出數(shù)據(jù)分析。進(jìn)氣溫度為室內(nèi)當(dāng)時溫度296.3 K。

圖3 探針溫度測點分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of probe measuring points

根據(jù)上述外部設(shè)定，對5 mm直徑探針降溫特性進(jìn)行測定，結(jié)果如圖4所示。運(yùn)行時，探針高壓氬氣流量約為0.9 g/s。開機(jī)54 s后，探針節(jié)流后膨脹空間溫度降低至112.9 K，距離探針端部2 cm處壁面溫度達(dá)到約130 K。探針端部3 cm左右的區(qū)域內(nèi)壁面溫度在150 K左右。距離探針端部6 cm的探針壁面溫度為230 K?；貧獬隹跍囟确€(wěn)定在約289 K，說明換熱器換熱效果良好，回?zé)嵝蔬_(dá)到要求。Yu等人對臨床應(yīng)用的進(jìn)口5 mm直徑探針測試發(fā)現(xiàn)，在空氣中運(yùn)行時，距探針2 cm距離的探針壁面溫度為170 K［22］。對比可以發(fā)現(xiàn)本研究制作低溫探針可以達(dá)到更低的壁面溫度。

圖4 5 mm直徑探針不同測點降溫曲線Fig.4 Cooling curves of different measuring point in 5 mm diameter probe

4.2 低溫探針冷量輸出

低溫探針的制冷量采用熱平衡法進(jìn)行測量。實驗系統(tǒng)安裝如圖2所示。實驗開始，首先打開分子泵系統(tǒng)，給真空腔創(chuàng)造真空環(huán)境，當(dāng)分子泵電離規(guī)顯示真空穩(wěn)定時開始進(jìn)行探針制冷量測量。打開安捷倫數(shù)據(jù)采集程序，同時將電加熱絲功率調(diào)至0 W。打開高壓氣體減壓閥設(shè)定探針進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度。開機(jī)后約1 min，節(jié)流之后溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時緩慢調(diào)節(jié)電加熱功率，使回氣出口溫度緩慢上升至275 K并保持穩(wěn)定，記錄此時電加熱量為當(dāng)時節(jié)流之后溫度下的測定制冷量。按照此實驗過程，測定不同進(jìn)氣壓力、不同進(jìn)氣溫度下探針的流量和制冷量。

不同進(jìn)氣壓力下的制冷量測量實驗共6組，各組進(jìn)氣壓力在15ˉ20 MPa的范圍內(nèi)按1 MPa間隔設(shè)定。各組實驗進(jìn)氣溫度為當(dāng)時室內(nèi)溫度約290 K，真空腔真空壓力均為3.2×10－2Pa，實驗結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯S著進(jìn)氣壓力的增大，流量呈線性增加。這符合流體流動的一般規(guī)律，在流體通道一定的情況下，入口壓力增大會使流體流速增大，因此流量會增加。制冷量也隨進(jìn)氣壓力的增大而增大，但是增幅存在差異，隨著進(jìn)氣壓力的增大制冷量的增幅也是逐漸增大的。這是因為，隨著制冷量的增大，進(jìn)氣節(jié)流前被預(yù)冷的溫度更低，氬氣的節(jié)節(jié)流制冷效率更高。

表2 進(jìn)氣壓力對探針制冷量的影響Table 2 Influence of inlet gas pressure to probe refrigeration process

不同進(jìn)氣溫度下的制冷量測量共有3組實驗。通過調(diào)節(jié)酒精預(yù)冷換熱器中酒精的溫度，改變進(jìn)氣溫度。進(jìn)氣壓力設(shè)定為19 MPa，真空壓力為3.2×10－2Pa。實驗結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，進(jìn)氣溫度的變化對氬氣流量的影響可以忽略。但是，進(jìn)氣溫度變化對制冷量的影響是十分顯著的。當(dāng)進(jìn)氣溫度從290.4 K降低到279.4 K時，制冷量可以增加約14%;當(dāng)進(jìn)氣溫度從290.4 K降低到274.3 K時，制冷量可以增加約24%。這是因為，進(jìn)氣入口溫度降低，可以使節(jié)流前氣體溫度降低，此時節(jié)流制冷量更大，同時節(jié)流效率也更高。

表3 進(jìn)氣溫度對探針制冷過程的影響Table 3 Influence of inlet gas temperature to probe refrigeration process

4.3 低溫探針形成冰球能力

實驗將5 mm低溫探針放入291 K水中。開機(jī)進(jìn)氣溫度設(shè)定為當(dāng)時室內(nèi)溫度290.4 K，進(jìn)氣壓力設(shè)定為18 MPa。開機(jī)5 min之后冰球增長速度變慢，直徑變化不明顯。取出冰球采用游標(biāo)卡尺測量冰球的軸向長度和直徑，如圖5所示。測量的冰球的軸向長度為4.9 cm，直徑為2.8 cm。采用融化方法測冰水質(zhì)量，通過密度換算能夠得到冰球的體積。將探針連同冰塊取出后放入清潔干燥小燒杯，當(dāng)冰塊融化后，通過電子天平(梅特勒ˉ托利AL104型電子天平，精度0.1 mg)稱取燒杯內(nèi)的冰水質(zhì)量為12.852 g，按照冰的密度為0.9×103kg/m3，可知冰球的體積為14.28 cm3。

圖5 冰球直徑測量Fig.5 Ice ball diameter measuring

Yu對臨床應(yīng)用5mm直徑低溫探針測試發(fā)現(xiàn)，最大可形成冰球尺寸為5 cm×4 cm［22］。本研究制作5 mm直徑低溫探針在18 MPa進(jìn)氣壓力下即可形成尺寸為4.9 cm×2.8 cm的冰球，說明探針的制冷性能已基本達(dá)到臨床應(yīng)用探針的水平。

5 結(jié)論

設(shè)計制作了5 mm直徑的氬氦刀低溫探針，并通過實驗研究了自制探針的降溫特性和冰球形成能力，得到了以下結(jié)果:

(1)在進(jìn)氣壓力20 MPa時，探針處于296.3 K空氣中，其最低制冷溫度可以達(dá)到112.9 K;

(2)進(jìn)氣壓力18 MPa時，5 min內(nèi)探針能夠在291 K的水中形成尺寸4.9 cm×2.8 cm大的橢圓冰球;

(3)降低進(jìn)氣溫度可以有效提高探針的制冷量，進(jìn)氣溫度從18℃降低至0℃，制冷量同比提高約24%。

上述結(jié)果表明，自制低溫探針的制冷性能良好。

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