微型節(jié)流制冷器廣泛用于冷卻紅外探測器，是一種比較成熟的技術(shù)。20 世紀(jì)90 年代，美國ENDOCARE公司利用微型節(jié)流制冷器技術(shù)發(fā)明第一代CRYOCARE(氬氦刀)系統(tǒng)。氬氦刀系統(tǒng)原理是利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)，在常溫下高壓氬氣節(jié)流快速降溫，高壓氦氣節(jié)流快速制熱，高低溫快速交替殺死癌變細(xì)胞。該技術(shù)在低溫醫(yī)療中已快速推廣應(yīng)用，并在各種癌癥治療中取得了比較好的治療效果。國內(nèi)在微型節(jié)流制冷器技術(shù)上已開展了多年研究，積累了豐富的技術(shù)基礎(chǔ)，但在低溫醫(yī)療上的應(yīng)用還處于起步階段。文章提出低溫醫(yī)療在未來有廣闊的發(fā)展前景，倡議國內(nèi)相關(guān)微型節(jié)流制冷器的研制單位將該技術(shù)應(yīng)用于低溫醫(yī)療。

　　引言

　　微型節(jié)流制冷器長期用于冷卻紅外探測器組件，由于啟動時(shí)間快、干擾小、成本低廉等原因，在紅外制導(dǎo)等武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。如何將軍工高科技轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)，一直是該領(lǐng)域科研人員不斷探索的問題。1993年6月，美國ENDOCARE公司利用微型節(jié)流制冷器技術(shù)發(fā)明第一代CRYO⁃CARE(氬氦刀)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多項(xiàng)美國航天技術(shù)專利研制而成，將微型節(jié)流制冷技術(shù)引入低溫醫(yī)療，該技術(shù)兼具超低溫冷凍、介入治療和免疫治療等多重效能。1999年，我國張積仁教授引進(jìn)亞洲第一臺CRYOCARE系統(tǒng)，首次將其命名為“氬氦刀”。

　　1、原理

　　氬氦刀的工作原理是利用焦耳-湯姆遜原理，即當(dāng)氣體在管道中流動時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時(shí)，其壓力顯著下降，這種現(xiàn)象叫做節(jié)流。大多數(shù)氣體遭遇節(jié)流后溫度將下降，如氬氣和氧氣。而某些氣體，例如氫氣和氦氣，溫度反而上升。

　　在紅外制導(dǎo)中，微型節(jié)流制冷器只考慮制冷。但在低溫醫(yī)療系統(tǒng)中，需要高低溫快速交替殺死癌變細(xì)胞，因此在氬氦刀系統(tǒng)中，需要增加制熱系統(tǒng)。氬氦刀系統(tǒng)[2-3]主要由冷刀、制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)構(gòu)成，有些設(shè)備集成了CT、B超等監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氬氦刀系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)

　　氬氦刀的工作原理：利用在常溫下氬氣快速節(jié)流制冷原理產(chǎn)生快速降溫，利用在常溫高壓下氦氣節(jié)流制熱原理快速恢復(fù)溫度。氬氣和氦氣儲存于氣瓶中。氬氣的降溫和氦氣的升溫均在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。氬氦刀的工作壓力在31 MPa，采用氬氣作為制冷工質(zhì)，數(shù)十秒(一般小于50 s)內(nèi)即可使針尖溫度降至-175 ℃，根據(jù)治療需要，冷凍幾分鐘到十幾分鐘之后又采用氦氣作為制冷工質(zhì)，在數(shù)十秒(一般小于50 s)內(nèi)使溫度升至45 ℃，根據(jù)治療需要，如此往復(fù)治療多次。降溫和升溫速度(通過調(diào)節(jié)氣體壓力和氣體流量實(shí)現(xiàn))、制冷時(shí)間和溫度，可通過冷-熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)預(yù)先精確設(shè)定或自動控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　氬氦刀冷刀為中空穿刺刀，直徑從1.47~8 mm。翅片管采用螺旋繞制的方式纏繞在芯軸的外表面，構(gòu)成氬氦刀的熱交換器，工作時(shí)高壓氬氣通過翅片管的內(nèi)部進(jìn)入，在氬氦刀的前端節(jié)流噴嘴處發(fā)生節(jié)流制冷，將氬氦刀尖快速冷卻，回流氣體從翅片管外部走，與翅片管內(nèi)的氣體發(fā)生熱交換，預(yù)冷翅片管內(nèi)的入流氣體。刀尖可在幾十秒內(nèi)達(dá)到-175 ℃。為了保護(hù)穿刺過程中，對正常組織的保護(hù)，只對癌變細(xì)胞進(jìn)行治療，氬氦刀的刀柄采用絕熱層，只在刀尖2～3 cm處產(chǎn)生制冷。氬氦刀的頂端有測溫元件，可實(shí)時(shí)獲取刀尖的溫度。當(dāng)需要快速制熱回溫時(shí)，氬氣關(guān)閉，進(jìn)入的氣體變成高壓氦氣，節(jié)流制熱，將刀尖快速回溫到45 ℃。

圖2 氬氦刀自測溫冷刀內(nèi)部解剖圖

　　3、治療原理與應(yīng)用

　　3.1、治療原理

　　氬氦刀系統(tǒng)快速冷凍和快速升溫使冰晶迅速在細(xì)胞內(nèi)外形成并崩解，細(xì)胞線粒體消失，血管基底膜斷裂，細(xì)胞核碎裂或溶解，直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡。冷刀治療迅速引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)損害，腫瘤細(xì)胞膜離子通道障礙，細(xì)胞內(nèi)外電解質(zhì)和滲透壓失衡和蛋白質(zhì)變性，從而殺死癌細(xì)胞。

　　3.2、應(yīng)用

　　從美國氬氦刀和以色列伽利略的網(wǎng)站報(bào)道的數(shù)據(jù)可知，目前美國已有450多家醫(yī)院，1 500多名醫(yī)生，每年采用氬氦刀進(jìn)行1 萬多例腫瘤患者治療。而以色列的伽利略生產(chǎn)的氬氦刀目前在歐美及全球已銷售400多臺。國內(nèi)的幾十家著名的腫瘤醫(yī)院也開展了這方面的工作，并進(jìn)行了各類腫瘤手術(shù)治療幾千起。從這些報(bào)道看，進(jìn)行低溫冷刀治療后，都取得了較好的治療效果。

　　采用氬氦刀治療腫瘤操作簡單、腫瘤消融效果確切、適應(yīng)癥廣、對病人損傷小、靶向性強(qiáng)、治療中靶區(qū)可實(shí)時(shí)監(jiān)測，能迅速減輕中晚期癌癥患者的痛苦和提高生存質(zhì)量，已成為目前國際上低溫靶向治療領(lǐng)域高科技發(fā)展的更新?lián)Q代技術(shù)。

　　目前，氬氦刀已廣泛應(yīng)用于各種癌癥、腫瘤治療。適用于肝癌、肺癌、腦瘤、胰腺癌、甲狀腺癌、前列腺癌、腎及腎上腺腫瘤、腹腔及盆腔腫瘤、骨腫瘤、軟組織腫瘤、頭頸及皮膚腫瘤、轉(zhuǎn)移性胃腸腫瘤等實(shí)體腫瘤、良性腫瘤及良性增生病變、前列腺增生、乳腺腫瘤、血管瘤、肉瘤、子宮肌瘤、囊腫、疣、痔瘡、癌前病變、口腔白斑病等。是一種多用途、有效的治療手段。

　　4、優(yōu)缺點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的液氮刀采用的液氮浸泡式或蒸發(fā)液氮方式相比，氬氦刀的結(jié)構(gòu)要更復(fù)雜，設(shè)備成本也相對昂貴，但氬氦刀相對于傳統(tǒng)的治療手段有以下優(yōu)點(diǎn);

　　(1)手術(shù)時(shí)間比常規(guī)手術(shù)大大縮短，冷刀直徑比傳統(tǒng)的液氮刀小，創(chuàng)傷很小，出血極少，有利于保護(hù)機(jī)體免疫力;(2)氬氦刀插入到病變組織后再啟動，避免在插入的過程中凍傷無病變組織;(3)可以反復(fù)做手術(shù)，對復(fù)發(fā)或多器官轉(zhuǎn)移者尤為適宜;(4)減少擴(kuò)散機(jī)會;(5)手術(shù)成功率可達(dá)到98 % 以上;(6)手術(shù)并發(fā)癥少;(7)適合綜合治療;(8)適應(yīng)性廣，可用于多種腫瘤癌癥的治療;(9)采用氬氣、氦氣作為制冷工質(zhì)，手術(shù)費(fèi)用較低。

　　5、小結(jié)

　　從國內(nèi)外的應(yīng)用和治療效果可見，低溫微型醫(yī)療技術(shù)有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。國內(nèi)的相關(guān)科研單位，早在上世紀(jì)，就開展了很多關(guān)于微型節(jié)流制冷技術(shù)的研究，取得了可喜的成果，奠定了該領(lǐng)域研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，但并未轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)。相關(guān)院校和單位也進(jìn)行了這方面的研究，但未形成產(chǎn)品。基于成熟的技術(shù)和廣闊的市場前景，建議從事該領(lǐng)域的科研人員和單位，抓住微型節(jié)流制冷低溫冷凍醫(yī)療仍然處于起步階段和已掌握的成熟技術(shù)，盡快將該技術(shù)民用化、產(chǎn)品化，占領(lǐng)這個(gè)市場。