CN103549992B - 靶向刀混合气体供气装置及控制冷量输出的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种靶向刀混合气体供气装置及控制冷量输出的方法，该装置包括两个钢瓶、两个气体流量控制器、混合室、高压压力控制器、高压电磁阀、低压压力控制器、低压电磁阀、控制器、预冷系统和靶向刀。两个钢瓶内为具有正焦-汤效应的不同气体，气体由钢瓶内流出，经流量控制器调节流量后进入混合室充分混合，依次经压力控制器和电磁阀，进入预冷系统预冷后流至靶向区处节流制冷。本发明可通过控制器调节两个钢瓶内气体的不同流量，实现两种气体任意混合比的混合，充分利用N2、Ar的节流制冷特性，精确控制输入刀头的冷量，适应不同部位肿瘤冷冻消融时不同的冷量需求，保证冷冻消融效果的同时提高预冷系统冷量的有效利用率并节约气源，减轻患者负担。
Description
技术领域
本发明涉及一种肿瘤冷冻消融用靶向刀的混合气体供气装置及控制冷量输出的方法，用来使靶向刀的靶向区快速降至消融温度后，控制输入靶向区的冷量。
背景技术
2010年，恶性肿瘤已经成为世界上致死率最高的疾病。如果不采取行动，预计2030年全世界将有2600万新增病例，死亡人数达到1700万人。因只有大约20%左右的肿瘤患者能够接受外科切除手术，冷冻消融、射频消融、微波、激光热疗等肿瘤微创治疗技术正成为当代临床医学发展的前沿，冷冻消融是其中一种具有代表意义的技术。其主要通过低温器械，有控制地使病灶组织经历降温、冻结、复温过程，从而造成肿瘤细胞的不可逆损伤甚至坏死。冷冻消融对肿瘤细胞的杀伤机制是：细胞脱水和皱缩；细胞内冰晶形成的机械损伤；细胞电解质毒性浓缩和PH值改变；细胞膜蛋白质成分变性；血流淤积和微血栓形成；以及免疫效应等。冷冻消融不仅手术创伤小，而且具有定位精确、止血镇痛、术后并发症少、安全性高等优点，深受广大医生与患者的好评。
目前已经问世的冷冻消融系统主要氛围两大类：一类是液氮系统靶向刀，利用物质由液体变成气体时需要吸收大量的汽化潜热的原理使组织快速降温；另一类是气体节流系统靶向刀，利用高压气体流经小孔绝热节流时温度的变化，完成冷冻消融的降复温治疗过程。液氮系统靶向刀可以看做第一代靶向刀，有如下缺点：刀头降温速度较慢，不利于肿瘤细胞的杀死；靶向刀直径较大，不利于微创治疗；设备体积较庞大，液氮储存需特种设备，不便于运输。气体节流系统靶向刀是目前临床应用的主流，代表产品为氩氦刀，可以看做第二代靶向刀。其使用氩气节流降温、氦气升温，具有装置小巧轻便、刀头升降温迅速等优点。但是所需氩气瓶压力高达5000psi，运输及使用时均存在一定安全隐患，且氩气、氦气均为稀有气体，价格较高并难于购买。
氮气节流靶向刀可以看做是第三代靶向刀，氮气工作压力为1200psi，气瓶压力为2100psi，是医院常备的气体。但若要氮气节流靶向刀达到治疗温度，必须对氮气预冷，预冷后的氮气再在靶向刀的靶向区节流降温至治疗温度。根据氮气的热力学性质分析，单纯的氮气节流靶向刀对预冷系统的依赖性较强，随靶向刀工作时预冷温度的上升，靶向刀的靶向区将不能维持所需的低温，多把靶向刀联合应用时，这一现象将更早出现，严重影响消融效果及靶向刀的使用范围。若采用氩气作为工质，上述情况会有较为明显的改善，但是氩气节流初期，降温速度缓慢，而冷冻消融开始时，因肿瘤组织血供丰富，热负荷很大，需要很大的冷量才能抑制肿瘤组织的血液灌注热，并快速冻结肿瘤组织。同时，随消融过程的进行，肿瘤组织内的血管大部分冻结，血供显著减少，靶向区外壁被冰球包围，刀内很小的冷量即能与组织内的热负荷达成热平衡，使靶向区温度维持稳定。此时，过大的气体流量并不能使刀头温度进一步降低，反而会造成预冷系统冷量以及气体的大量浪费。这一现象，所有用于肿瘤冷冻消融的气体节流冷冻系统均存在。因此，单纯的为靶向刀供应预冷后的氮气（N2）或者氩气（Ar），或者存在冷量不足、或者存在初期降温过慢等问题，均不能有效的适应临床实际需要，造成资源的浪费并加重患者的经济负担。
发明内容
本发明针对现有气体节流冷冻系统存在的不足及实际需求，提供一种混合气体的供气装置及控制冷量输出的方法，该装置结构简单，方便易用；该方法能充分利用各正焦-汤气体的节流特性，在保证靶向区快速降温又减小对预冷系统的依赖的同时，精确控制输入靶向区的冷量，以更小的气体流量维持刀头于治疗温度，提高预冷系统冷量的有效利用率，保证多刀联用时的治疗效果。
为了解决上述技术问题，本发明的采用的技术方案是：
一种靶向刀混合气体供气装置，包括钢瓶A、钢瓶B、气体流量控制器A、气体流量控制器B、混合室、高压压力控制器、低压压力控制器、高压电磁阀、低压电磁阀、控制器、预冷系统和靶向刀，其特点是：钢瓶A和钢瓶B内分别装有氮气和氩气，钢瓶A和钢瓶B分别通过流量控制器A3、流量控制器B4连接混合室，混合室内混合的氮气和氩气的混合气体出气管分成二路：一路经高压压力控制器和高压电磁阀连接预冷系统，另一路经低压压力控制器和低压电磁阀连接预冷系统，预冷系统连接靶向刀；流量控制器A、流量控制器B、高压电磁阀、低压电磁阀分别与控制器相连接。
混合室内氮气所占的体积百分浓度调节范围为0%～100%之间。高压压力控制器输出压力设定范围为1500psi～1800psi之间；低压压力控制器输出压力设定范围为800psi～1200psi之间。混合气体进入靶向刀之前经预冷系统（预冷的温度为≤-80℃。靶向刀包含有靶向区，所述靶向刀的数量为1～8把。
一种利用上述靶向刀混合气体供气装置控制冷量输出的方法，包括三种方法：
第一种方法：首先在控制器上选择“压力调节”模式，此时，高压电磁阀打开，低压电磁阀关闭，靶向刀的靶向区快速降温，3分钟后低压电磁阀打开，高压电磁阀关闭，使靶向刀混合气体供气装置以低压输出混合气体，减小靶向区冷量，同时保持靶向区温度不变。
第二种方法：首先在控制器上选择“功率调节”模式并设定输出功率为0%～100%间的任意数值，设定低压电磁阀关闭，高压电磁阀开启或高压电磁阀关闭，低压电磁阀开启，靶向刀工作时，开启的低压电磁阀或高压电磁阀通过调节占空比的方式按照设定功率值输出混合气体至靶向区。
第三种方法：首先在控制器上选择“混合比调节”模式，设定低压电磁阀关闭，高压电磁阀开启或高压电磁阀关闭，低压电磁阀开启，靶向刀工作的前5分钟，控制器将混合室内氮气所占的体积百分浓度设定为51%～100%间的任意数值，中间5分钟，控制器将混合室内氮气所占的体积百分浓度设定为50%，最后5分钟，控制器将混合室内氮气所占的体积百分浓度设定为0%～49%间的任意数值。
本发明的有益效果是：
本发明的靶向刀混合气体供气装置的主要特点为：该装置包括钢瓶和对应数量的流量控制器，可以通过流量控制器方便的控制混合室内气体的混合比，以充分发挥不同气体节流特性，适应不同部位肿瘤的实际消融需求；该装置以高压压力控制器、高压电磁阀组成高压气体通路，以低压压力控制器和低压电磁阀组成低压气体通路。通过相应电磁阀的开断，可以控制气体管路压力或冷冻功率，实现消融开始时靶向刀靶向区的快速降温，以及待靶向区温度稳定后更小的气体流量，从而在节约气体的同时更高效的利用气体预冷系统的冷量。
本发明的靶向刀混合气体供气装置的另一特点为：两个钢瓶内分别为N2和Ar。通过在消融过程中控制两种气体的混合比，可以控制输入靶向区的冷量及降温速度，以适应不同部位肿瘤及同一部位肿瘤不同消融阶段对冷量的不同需求。比如，消融肝、肺等制冷量需求大且要求快速降温的肿瘤，增大N2比例，消融乳腺等制冷量需求小但要求控温精准不损伤正常组织的肿瘤，则增大Ar比例。
本发明的靶向刀混合气体供气装置的另一特点为：该装置的高压压力控制器输出压力可以设定为1500psi～1800psi；低压压力控制器输出压力可以设定为800psi～1200psi。配合不同比例的混合气体，以高压气体实现靶向区的快速降温，然后以适当低压的气体维持靶向区温度，提高预冷系统冷量的有效利用率。
本发明最大的优势在于，提供的靶向刀混合气体供气装置整体结构简单，能方便地以任意混合比混合两种气体，充分发挥不同气体节流降温时的优势，并能根据实际消融情况调节气体输出压力的大小、冷冻功率或气体混合比；结合本发明提供的控制冷量输出的三种方法，能实现靶向区的快速降温，以及对输入靶向区冷量的精确控制，提高预冷系统冷量的有效利用率并节约气源，满足临床上多刀联用的需要。
附图说明
图1是本发明的靶向刀混合气体供气装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明的靶向刀混合气体供气装置，包括钢瓶A1、钢瓶B2、气体流量控制器A3、气体流量控制器B4、混合室5、高压压力控制器6、低压压力控制器7、高压电磁阀8、低压电磁阀9、控制器10、预冷系统11和靶向刀12。
钢瓶A1和钢瓶B2内分别装有氮气和氩气，钢瓶A1和钢瓶B2分别通过流量控制器A3、流量控制器B4连接混合室5，混合室5内混合的氮气和氩气的混合气体出气管分成二路：一路经高压压力控制器6和高压电磁阀8连接预冷系统11，另一路经低压压力控制器（7）和低压电磁阀9连接预冷系统11，预冷系统11连接靶向刀12；流量控制器A3、流量控制器B4、高压电磁阀8、低压电磁阀9分别与控制器10相连接。
混合室5内氮气所占的体积百分浓度调节范围为0%～100%之间。高压压力控制器6输出压力设定范围为1500psi～1800psi之间；低压压力控制器7输出压力设定范围为800psi～1200psi之间。混合气体进入靶向刀（12）之前经预冷系统11预冷的温度为≤-80℃。靶向刀12包含有靶向区13，靶向刀12的数量为1～8把。
钢瓶A1与钢瓶B2内具有正焦-汤效应的不同气体，气体由钢瓶A1、钢瓶B2内流出，分别经流量控制器A3、流量控制器B4调节流量后进入混合室5充分混合，依次经高压压力控制器6、低压压力控制器7、高电磁阀8和低压电磁阀9，进入预冷系统8预冷后流至靶向区13处节流制冷。
本发明优选实施例提供的利用靶向刀混合气体供气装置控制冷量输出的方法有三种：
方法一. 在控制器上选择“压力调节”模式，设定高压压力控制器输出压力为1500psi，设定低压压力控制器输出压力为1200psi，设定N2所占的体积百分浓度为50%。消融开始时，高压电磁阀打开，低压电磁阀关闭，靶向区快速降温，使靶向区周围组织迅速冻结形成一定体积的冰球。3min后低压电磁阀打开，高压电磁阀关闭，装置以低压输出混合气体，有效降低气体流量，靶向区温度仍然不变。此模式适用于消融肝、肺等需要快速降温及较大制冷量的深部肿瘤。
方法二. 在控制器上选择“功率调节”模式，设定输出功率为50%，设定N2所占的体积百分浓度为40%，设定高压电磁阀关闭，低压电磁阀开启，设定低压压力控制器输出压力为1100psi。此时，低压电磁阀在设定的循环周期内开启、关闭的时间各占一半，从而使消融过程中，供气装置仅有一半的时间为靶向刀供气，减少了一半的用气量。此模式适用于前列腺等需要冷量较小，且为保护临近重要组织希望降温较为平缓的肿瘤。
“功率调节”模式下，若为三把靶向刀同时使用，可设定输出功率为33%，设定N2所占的体积百分浓度为60%，设定高压电磁阀开启，低压电磁阀关闭，设定高压压力控制器输出压力为1600psi。消融开始后，三把靶向刀在设定的循环周期内依次开启并关闭，开启的间隔时间即为设定循环周期的33%，此时，虽然是三把靶向刀同时使用，但同一时间实际上只有一把靶向刀在工作，可以显著减小用气量并保证消融的效果。
方法三. 在控制器上选择“混合比调节”模式，设定低压电磁阀开启，高压电磁阀关闭，设定低压压力控制器输出压力为1000psi。设定消融开始的5分钟N2所占的体积百分比为80%，随后的5分钟，设定N2所占的体积百分浓度为50%，消融的最后5分钟，设定N2所占的体积百分浓度为20%。此模式适用于乳腺等需要冷量稍大、降温稍快，又需要精确控温以防止冻伤表皮组织的浅表肿瘤。
Claims (8)
1.一种靶向刀混合气体供气装置，包括钢瓶A（1）、钢瓶B（2）、气体流量控制器A（3）、气体流量控制器B（4）、混合室（5）、高压压力控制器（6）、低压压力控制器（7）、高压电磁阀（8）、低压电磁阀（9）、控制器（10）、预冷系统（11）和靶向刀（12），其特征在于：所述钢瓶A（1）和钢瓶B（2）内分别装有氮气和氩气，钢瓶A（1）通过流量控制器A（3）、钢瓶B（2）通过流量控制器B（4）分别连接混合室（5），混合室（5）内混合的氮气和氩气的混合气体出气管分成二路：一路经高压压力控制器（6）和高压电磁阀（8）连接预冷系统（11），另一路经低压压力控制器（7）和低压电磁阀（9）连接预冷系统（11），预冷系统（11）连接靶向刀（12）；所述流量控制器A（3）、流量控制器B（4）、高压电磁阀（8）、低压电磁阀（9）分别与控制器（10）相连接。
2. 根据权利要求1所述的靶向刀混合气体供气装置，其特征在于：所述混合室（5）内氮气所占的体积百分浓度调节范围为0%～100%之间。
3. 根据权利要求1所述的靶向刀混合气体供气装置，其特征在于：所述高压压力控制器（6）输出压力设定范围为1500psi～1800psi之间；低压压力控制器（7）输出压力设定范围为800psi～1200psi之间。
4. 根据权力要求1所述的靶向刀混合气体供气装置，其特征在于：所述混合气体进入靶向刀（12）之前经预冷系统（11）预冷的温度为≤-80℃。
5.根据权力要求1所述的靶向刀混合气体供气装置，其特征在于：所述靶向刀（12）包含有靶向区（13），所述靶向刀（12）的数量为1～8把。
6.一种利用权力要求1-5任何一项所述的靶向刀混合气体供气装置控制冷量输出的方法，其特征在于：首先在控制器（10）上选择“压力调节”模式，此时，高压电磁阀（8）打开，低压电磁阀（9）关闭，靶向刀（12）的靶向区（13）快速降温，3分钟后低压电磁阀（9）打开，高压电磁阀（8）关闭，使靶向刀混合气体供气装置以低压输出混合气体，减小靶向区（13）冷量，同时保持靶向区（13）温度不变。
7.一种利用权力要求1-5任何一项所述的靶向刀混合气体供气装置控制冷量输出的方法，其特征在于：首先在控制器（10）上选择“功率调节”模式并设定输出功率为0%～100%间的任意数值，设定低压电磁阀（9）关闭，高压电磁阀（8）开启或高压电磁阀（8）关闭，低压电磁阀（9）开启，靶向刀（12）工作时，开启的低压电磁阀（9）或高压电磁阀（8）通过调节占空比的方式按照设定功率值输出混合气体至靶向区（13）。
8.一种利用权力要求1-5任何一项所述的靶向刀混合气体供气装置控制冷量输出的方法，其特征在于：首先在控制器（10）上选择“混合比调节”模式，设定低压电磁阀（9）关闭，高压电磁阀（8）开启或高压电磁阀（8）关闭，低压电磁阀（9）开启，靶向刀（12）工作的前5分钟，控制器（10）将混合室（5）内氮气所占的体积百分浓度设定为51%～100%间的任意数值，中间5分钟，控制器（10）将混合室（5）内氮气所占的体积百分浓度设定为50%，最后5分钟，控制器（10）将混合室（5）内氮气所占的体积百分浓度设定为0%～49%间的任意数值。
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