載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)的研制與性能測試

閆贊揚(yáng)，陳東，謝繼紅，樊佳琪，雷學(xué)儉

天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222

引言

在皮膚美容、針刺等場合需要對皮膚進(jìn)行麻醉處理，傳統(tǒng)的麻醉方法多采用藥物麻醉，而在針對皮膚局部麻醉處理時(shí)，麻醉師除要清楚麻醉藥的相關(guān)藥理作用、臨床應(yīng)用外，還要了解所使用麻藥的毒性反應(yīng)，因此利用藥物進(jìn)行麻醉處理對操作人員資質(zhì)有嚴(yán)格要求，而且麻醉藥物所含成分可能對部分人體存在不良反應(yīng)，其中包括過敏反應(yīng)和毒性反應(yīng)[1-2]，所以藥物麻醉在皮膚麻醉處理過程中存在很多限制[3-4]。

在低溫狀態(tài)下，人的機(jī)體代謝率降低，對外界刺激反應(yīng)輕微，能有效提高組織耐受能力，因此低溫麻醉成為了現(xiàn)代臨床麻醉的重要技術(shù)手段之一。如淺低溫神經(jīng)外科手術(shù)[5]、深低溫血管手術(shù)[6]、燒傷局部冷療[7]以及對腦部損傷的治療均表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[8-10]。目前實(shí)現(xiàn)低溫麻醉常見的制冷方法有很多種，比如相變制冷、氣體膨脹制冷、半導(dǎo)體制冷等，基于這些制冷方法研制出了不同類型的低溫治療器械，如液氮低溫治療儀、固態(tài)二氧化碳（干冰）低溫治療儀、氣體節(jié)流型低溫治療儀（也稱為J-T型低溫治療儀）、熱電制冷（半導(dǎo)體制冷）低溫治療儀等[11]。其中，固態(tài)二氧化碳（干冰）低溫治療儀應(yīng)用于美容[12]，氬氦刀應(yīng)用于肝癌[13]、肺癌[14]的治療等均取得了令人鼓舞的醫(yī)療效果。但是對于廣泛使用液氮、二氧化碳、氬、一氧化氮等制冷介質(zhì)的低溫治療儀，介質(zhì)的運(yùn)輸和保存會給低溫手術(shù)帶來一定的不便，而對于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)還很難得到。與之相比，利用蒸氣壓縮制冷[12,15]或半導(dǎo)體制冷[16-17]低溫治療儀在有電源的情況下即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。

目前市場上已有用于皮膚美容、針刺等用途的半導(dǎo)體制冷皮膚低溫麻醉機(jī)、但由于半導(dǎo)體制冷效率較低，冷卻頭溫度降低受到一定限制，使其在實(shí)際應(yīng)用中的效果受到很大影響，基于此研制了一種基于壓縮式制冷的載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)。

1 裝置的構(gòu)成和工作原理

載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)的基本構(gòu)成，見圖1。

圖1 載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)構(gòu)成圖

由圖1可見，載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)由兩個單元構(gòu)成：制冷單元和載冷液循環(huán)單元。其中制冷單元包括壓縮機(jī)、散熱器組件（包括散熱器和風(fēng)機(jī)）、過濾器、節(jié)流元件、冷卻器，其中的循環(huán)介質(zhì)為制冷劑；載冷液循環(huán)單元包括載冷液容器、循環(huán)泵、冷卻頭，其中的循環(huán)介質(zhì)為乙二醇溶液。冷卻器放置在載冷液容器中，兩者構(gòu)成冷卻器組件，冷卻器組件把制冷單元和載冷液循環(huán)單元耦合成一個載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉系統(tǒng)。

載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)工作過程如下：當(dāng)裝置首次開機(jī)時(shí)，制冷單元工作，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)啟動，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)升壓升溫后進(jìn)入散熱器組件，在散熱器組件內(nèi)放熱冷凝為液體進(jìn)入節(jié)流元件，經(jīng)節(jié)流后變?yōu)榈蛪旱蜏氐闹评鋭┮后w，并進(jìn)入冷卻器組件，在冷卻器組件內(nèi)，制冷劑蒸發(fā)冷卻載冷液后變?yōu)闅怏w，再進(jìn)入壓縮機(jī)開始下一個循環(huán)。通過制冷單元的工作，載冷液容器中的載冷液溫度逐漸降低直至達(dá)到設(shè)定溫度為止，壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)停止工作，此后通過溫控儀表控制壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的開啟與關(guān)閉，使載冷液溫度維持在穩(wěn)定值。當(dāng)需要進(jìn)行皮膚美容或針刺時(shí)，載冷液循環(huán)單元工作，循環(huán)泵啟動，載冷液通過循環(huán)泵進(jìn)入冷卻頭（圖2），將冷卻頭放置在待冷卻皮膚表面適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，即可實(shí)現(xiàn)對皮膚的低溫麻醉。

圖2 冷卻頭結(jié)構(gòu)

2 樣機(jī)研制

參照圖2研制了載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)，該裝置的主要部件簡況，見表1。

表1 載冷液循環(huán)型低溫麻醉機(jī)部件簡況

實(shí)驗(yàn)裝置效果圖和實(shí)物圖，見圖3。

圖3 載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 樣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)

3.1 初次開機(jī)降溫速度實(shí)驗(yàn)

初次開機(jī)前，在載冷液容器中注入3 L的乙二醇溶液。制冷單元工作，測得乙二醇溶液隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律，見圖4。

圖4 載冷液循環(huán)型皮膚降溫麻醉機(jī)降溫曲線

從圖4可以看出，載冷液（乙二醇溶液）從室溫降低到0℃，降溫速度較快，平均約為1℃/min；當(dāng)載冷液溫度低于0℃之后，由于此時(shí)制冷機(jī)組制冷量減少同時(shí)冷損失增大，所以降溫速度變緩；降低至-10℃左右大約需要45 min。

3.2 皮膚低溫麻醉實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)挑選了5名測試對象，包括：4名男生、1名女生，分別在2℃、0℃、-2℃、-4℃、-6℃溫度下，記錄5名測試對象在經(jīng)過不同時(shí)間的低溫麻醉后針刺時(shí)的疼痛程度，測試過程，見圖5。

圖5 皮膚低溫麻醉效果測試

對選定的5名測試對象，在不同溫度下對其皮膚進(jìn)行不同時(shí)間的麻醉處理，隨著處理時(shí)間的增加，針刺所帶來的疼痛感逐漸減弱，當(dāng)測試對象針刺基本感覺不到疼痛時(shí)記錄皮膚低溫處理時(shí)間，見圖6。

圖6 皮膚低溫麻醉效果圖

由圖6可知：① 冷卻頭溫度越低，皮膚基本感覺不到疼痛時(shí)，冷卻頭對皮膚低溫麻醉的用時(shí)越短；2℃時(shí)用時(shí)約25 s左右，-6℃只需要10 s左右即可；② 不同人群的皮膚進(jìn)行低溫麻醉時(shí)，所用時(shí)間有所不同；③ 建議紋身低溫麻醉時(shí)在-4℃～-6℃下對皮膚處理10～15 s左右。

4 討論與結(jié)論

針對藥物皮膚麻醉受到一定限制、半導(dǎo)體制冷皮膚低溫麻醉制冷效率低，且麻醉效果較差，本文研制了一種基于壓縮式制冷的載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)。該裝置主要通過對載冷液（乙二醇）溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)達(dá)到皮膚低溫麻醉的目的，相較于傳統(tǒng)的藥物局部麻醉具有安全，易于實(shí)現(xiàn)的目的。載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)可使冷卻頭溫度降至-10℃以下，且設(shè)有載冷液容器，具有較好的保溫蓄冷作用，可做到隨時(shí)為冷卻頭提供低溫冷源；通過對冷卻頭五個不同溫度的設(shè)置開展皮膚低溫麻醉實(shí)驗(yàn)，旨在探討冷卻頭合適的設(shè)置溫度以及使用過程對皮膚進(jìn)行低溫麻醉的接觸時(shí)間，以達(dá)到保證良好麻醉效果的同時(shí)避免凍傷皮膚的目的，結(jié)果表明冷卻頭在-4℃～-6℃之間時(shí)用于針刺皮膚低溫麻醉具有較好的效果，10～15 s即可實(shí)現(xiàn)麻醉效果。

基于壓縮式制冷的載冷液循環(huán)型皮膚低溫麻醉機(jī)，目前還有兩點(diǎn)不足：一是裝置部件的體積較大，整體占用空間較多，進(jìn)一步需進(jìn)行部件的微型化和裝置整體的空間布置優(yōu)化；二是載冷液循環(huán)需要微型泵進(jìn)行輸送，使所需的管路布置較復(fù)雜，進(jìn)一步可考慮結(jié)合熱管等措施，簡化載冷液循環(huán)輸冷所需的部件和管路。

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