环缝节流式冷冻探针 发明领域
本发明属于外科手术中用于冷却人体局部组织，以达到摧毁癌细胞或良性肿瘤细胞、神经暂时阻断的外科手术器械，特别涉及一种外科手术中用于摧毁癌细胞或良性肿瘤细胞的环缝节流式冷冻探针。
背景技术
通过冷冻细胞对活性组织结构进行破坏的外科手术通常被用于摧毁癌细胞和良性肿瘤细胞。冷冻手术也被用于神经暂时阻断以达到开刀手术后一定的时间内止痛的目的。相对于开刀手术，低温外科手术有许多优点：快捷，几乎无痛，无需局部麻醉，无术后感染的风险，几乎不留下疤痕。
通过冷冻手术造成细胞破坏的机理为：
1、如果组织被缓慢冷却，细胞会大量失去水份，使细胞中有害电解质浓度提高，导致组织坏死；
2、果组织被快速冷却，将形成多而微小的冰晶，使得冰晶细化，此时细胞不易损坏。但在融化过程中，如果冰到水的相变太快，所有的冰晶被简单熔化。如果融化速度降下来，将发生已经融化的冰晶要冷却其周围的组织，从而使得一些水再次形成冰，再结晶过程将使得一些冰晶被加长而形成冰锋，冰锋刺破细胞壁导致细胞死亡，从而使组织坏死。
3、新陈代谢继续的时候，冰阻碍细胞营养的供应和代谢物的处理，细胞死亡就发生。
外科手术可以使用干冰、液氮等冷冻源直接应用于待处理的组织。最简单地方法是用棉签蘸上液体制冷剂，然后用浸透制冷剂的棉球直接接触处理部位，或者将制冷剂导入一封闭的金属导管，通过金属导管喷射制冷剂至应用部位而实施冷冻手术。然而，这种方法有许多不如意的地方：(1)用蘸或喷的方法，直接使用制冷剂会造成组织快速冷冻，导致冰晶细化而不是形成大冰晶，细胞不容易脱水，减小了通过高电解浓度来破坏细胞的发生。当制冷剂离开以后，热量又从身体里向被冻组织传递，导致相对快速融化，不宜形成冰锋，从而减少了使细胞遭受破坏程度。直接使用制冷剂于局部组织的最大问题是无法控制冷冻面积的大小，无法控制冷冻程度，冷冻时间和升温时间。
1961年Cooper首先应用液氮作为冷源，采用将液氮通过封闭的金属管道，在一定压力下流至管的尖端，借助液氮的汽化降温作用可使受冻局部温度降达-190℃左右。他用此装置治疗了100例帕金森氏综合症。
使用液氮作为冷源制成的手术器械，已经被广泛使用。特别是皮肤科中对于痣类、粉刺、雀斑、疣等的治疗。然而，液氮冷冻手术器械在许多方面不能令人满意。首先，由于液氮冷冻探头由三根同心管构成，中心为液氮输进管，中间为返流气体同心管环形夹层，最外部为真空保温同心管环形夹层。这样，液氮仅适用于大冷冻探头，而对于较小的冷冻头而言，液氮在冷冻头尖端的蒸发会出现严重问题：由于从尖端返回，四周的排出氮气使部分液氮加热，可使供给管内的液氮蒸发。这是因为排出的氮气比供给管中的液氮温度要高，形成了逆流热交换，而使供给管中液氮部分蒸发形成气体，而形成阻碍液氮流到尖端的氮气气泡。加大液氮压力或降低液氮温度可使液氮过冷，从而解决这个问题。但是这又使得系统更为复杂；其次，液氮使用不方便，设备操作复杂。
以气体作为冷媒，依靠焦尔-汤姆逊节流效应制冷的方法受到人们的重视和欢迎。常温下的高压氧气、氮气和二氧化碳等气体流经一节流小孔，气体膨胀以后会产生制冷效应称为焦尔-汤姆逊节流效应。专利GB-2,337,000利用这个原理而发明的冷冻治疗机，其结构为高压气体从最里层的小管中流过，在探针的头部有一节流小孔，气体通过节流温度降低，然而这种冷冻探针的针杆全部都是在低温状态，不能满足有些手术的要求，特别是对于经皮冷冻治疗，除了冷冻探针的针尖以外，探针的其他部分必须保持常温，否则，将会造成手术应用部位之外的正常组织冻伤。Longsworth于1994年在冷冻探针里设计了一个螺旋管回热式换热器，专利US-5,452,582，其结构为如图6所示，在探针内有一螺旋管，高压气体从螺旋管的管内走过，在探针头部气体经小孔节流以后成为低压低温气体。低温低压气体从螺旋管的外部掠过，从而螺旋管成为一回热式换热器，使得回流气体不断升温，而进气气流又可以得到有效地预冷，从而，使得探针的温度沿针杆方向形成温度梯度，探针的针尖温度最低，而探针靠近手柄的位置几乎为常温。Mikus等进一步发展了这项发明，专利US-58000487，其结构为如图7所示，他们不仅采用带翅片的螺旋管以增加换热效率，而且，还在换热器的外部设计了绝热材料的保温层，从而使得探针针杆外部接近常温，但该带翅片的螺旋管式探针，由于内置螺旋管换热器，探针直径不可能做得很小，满足不了冷冻微创伤手术的需求(冷冻微创伤手术需要直径为2mm或更小的探针，)。
发明内容
本发明的目的在于克服上述结构复杂和螺旋管直径的限制所存在的缺陷，而提供一种供冷冻手术用的直径更小，创伤更小的具有微创伤效果的冷冻手术器械-环缝节流式冷冻探针，从而满足微创伤冷冻手术的要求，而且其结构更加简单、容易制作、价格较低廉。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的冷冻探针，包括连接接头111、连接导管222、手柄333和探针444，连通高压气源的连接接头111从冷冻手术治疗机的主机上引出，通过连接导管222进入手柄333内的内腔，并与和手柄333相连通的探针444相连通，其特征在于，所述探针444包括探针杆777、位于探针杆777之内并由探针杆777的轴心处向外依次同心放置的回流管999和绝热套管888，绝热套管888的长度短于回流管999的长度，在绝热套管888与回流管999之间形成起到高压气体节流和气体回热的双重作用的环形狭缝771，回流管999前端部与探针杆777之间形成使气流在其中快速流动以增强换热效果的换热环形狭缝772，在探针444头部内与回流管999前端部之间形成汽缸II；还可进一步包括安装在回流管999前端侧壁上的电偶式温度传感器122，电偶式温度传感器122的导线123穿过回流管999的内腔并依次经过手柄333、连接导管222及一三通124与温度仪表125相连；所述的汽缸II的前端装有翅片式回热器121，其翅片形状为螺纹形或齿形；所述探针444头部形状为锥形针尖状、斜切形针尖状或园头形针尖状；所述探针444的探针杆777为柔性的加强聚酰胺软管，其直径在1.2-5mm之间，长度在100-1500mm之间；所述绝热套管888的材质为导热率低的非金属材料，如导热率低的塑料或玻璃钢；所述换热环形狭缝772的长度在3～30mm之间，间隙在0.05-0.3mm之间；所述环形狭缝771的长度为100～1450mm之间，间隙在0.01-0.02mm之间；所述回流管999的材质为导热率高的金属材料，如紫铜或不锈钢。
使用时，高压气源由连接接头111从冷冻手术治疗机的主机上引出，然后经过连接导管222进入手柄333内，在手柄333内进行气源分配以后，气源流向探针444；在手柄333内进行分配以后的气源，流向由绝热套管888和回流管999形成的环形狭缝771；由于气体存在粘性，气体在狭缝的进口和出口之间流动时将形成压力差，从而，在狭缝前后气体的比容将突然增大，实现焦耳-汤姆逊节流效应，达到使气体制冷降温的目的。经膨胀以后的低温气体在由探针杆777、探针杆头部110和回流管999之间所围成的空间即汽缸II内将冷量传递给探针杆头部，最后从回流管999返回手柄333，经气流分配以后沿连接导管222，通过连接接头111返回冷冻手术治疗机的主机。
狭缝回热式换热器的传热是通过回流管的管壁热导来实现的。高温侧：狭缝中的来流气体通过气体对流的方式将热量传递给回流管的管壁；低温测：管壁将由高温侧传递过来的热量又通过对流的方式传递给管内的回流气体。这样高温侧的温度降低，低温侧的温度提高，从而实现了回热；
回热的作用主要有三点：其一是降低来流气体的温度，从而使得膨胀以后的温度更低；其二是提高制冷能力，减少耗气量；其三是沿针杆的轴向方向形成温度梯度：离针尖越远，针杆的温度越高，这将非常有利于经皮冷冻手术的实施；
本发明的绝热套管888可更进一步降低探针杆的温度，隔绝探针杆内气流的低温；回流管采用导热良好的金属材料制成，可增加径向传热，减小轴向传热；回热式换热器的作用是可回收冷头没有被利用(传热给冷冻组织)的冷量，使得进气气流的温度被回流逐步降低，从而使得冷冻探针的温度沿针杆方向形成温度梯度。本发明的冷冻探针的绝热套管888和回流管999之间形成的环形狭缝771既是回热式换热器又是气体节流器，起到了双重的作用。
所以，本发明提供的冷冻探针具有结构简单，易于制作，探针的直径可以做的更小而且仅探针头部处于0℃以下的低温状态，针杆的其他部位均高于0℃，从而真正实现探针小，手术微创伤。
【附图说明】
附图1和附图2分别为本发明的结构示意图；
附图3和附图4分别为探针444的结构示意图；
附图5-1、附图5-2和附图5-3分别为不同形状探针头部110的结构示意图；
附图6为现有技术中US 5,452,582的结构示意图；
附图7为现有技术中US 5,800,488的结构示意图；
其中：连接接头111 连接导管222 手柄333
探针444 针杆555 探针针杆777
绝热套管888 回流管999 探针头部110
汽缸II 电偶式温度传感器122
翅片式回热器122 电偶式温度传感器引线123
附图6中各部件的标号如下：
低温探头10 薄壁金属管12 冷头14
常温端16 长塑料管18 热交换器20
高压气体进气管22 冷头域26 毛细管28
中空心轴30 返流气体31 隔套32
热交换器33 温度传感器34 翅片管35
第二温度传感器36
附图7中各部件的标号如下：：
高压进气管14 引流管19 热交换器20
冷却流体出口端21 焦耳-汤姆逊喷嘴22 膨胀腔23
端堵头24 心轴25 间隙26
间隙27 翅片28 壳30
热电偶29
【具体实施方式】
下面结合附图及实施例进一步描述本发明：
由图1-4可知，本发明提供的冷冻探针，包括连接接头111、连接导管222、手柄333和探针444，连通高压气源的连接接头111从冷冻手术治疗机的主机上引出，通过连接导管222进入手柄333内的内腔，并与和手柄333相连通的探针444相连通，其特征在于，所述探针444包括探针杆777、位于探针杆777之内并由探针杆777的轴心处向外依次同心放置的回流管999和绝热套管888，绝热套管888的长度短于回流管999的长度，在绝热套管888与回流管999之间形成起到高压气体节流和气体回热的双重作用的环形狭缝771，回流管999前端部与探针杆777之间形成使气流在其中快速流动以增强换热效果的换热环形狭缝772，在探针444头部内与回流管999前端部之间形成汽缸II；还可进一步包括安装在回流管999前端侧壁上的电偶式温度传感器122，电偶式温度传感器122的导线123穿过回流管999的内腔并依次经过手柄333、连接导管222及一三通124与温度仪表125相连；所述的汽缸II的前端装有翅片式回热器121，其翅片形状为螺纹形或齿形；所述探针444头部形状为锥形针尖状、斜切形针尖状或园头形针尖状；所述探针444的探针杆777为柔性的加强聚酰胺软管，其直径在1.2-5mm之间，长度在100-1500mm之间；所述绝热套管888的材质为导热率低的非金属材料，如导热率低的塑料或玻璃钢；所述换热环形狭缝772的长度在3～30mm之间，间隙在0.05-0.3mm之间；所述环形狭缝771的长度为100～1450mm之间，间隙在0.01-0.02mm之间；所述回流管999的材质为导热率高的金属材料，如紫铜或不锈钢。
如图5-1、图5-2、图5-3所示，探针头部110的形状可以根据用途不同设计成锥形针尖状、斜切形针尖状或园头形针尖状。
如图4所示，为增加换热效果，在汽缸II内可以安装一翅片式换热器121，以增大换热面积和增加扰度，以增强换热。
如图4所示，可以在回流管中预制一热电偶温度传感器122，热电偶温度传感器122的引线123从回流管999的内腔穿出并依次经过手柄333、连接导管222及一个三通124与冷冻治疗机上的温度仪表125相连。以测量探针头部110内气体的温度。
如图2所示，冷冻探针杆777可以做成柔性的，例如采用加强聚酰胺软管作为探针针杆材料。
在一个探针杆直径为2mm或5mm的实施例中，探针长度400mm(可根据需要，可做得较长《可长至1500mm》，也可做得较短《可短至100mm)，探针杆选用1Cr18Ni9Ti材料；绝热套管选用绝热性能良好的聚四氟乙烯材料，壁厚0.3mm。冷冻探针的探针杆头部110做成斜切针头的形状。
在另一实施例中，探针杆直径为1.2mm，探针长度260mm。探针杆选用1Cr18Ni9Ti材料；绝热套管选用聚四氟乙烯材料，壁厚0.2mm；冷冻探针的探针杆头部做成锥形针头的形状。
在一个实施例中，冷冻手术治疗机采用高压氩气作为冷煤，通过焦耳-汤姆逊节流制冷，通过本发明的狭缝回热换热的方式，在冷冻探针的头部上可获得-120℃的低温，而探针杆上的温度高于0℃。
在另一个实施例中，冷冻手术治疗机采用饱和二氧化碳作为冷煤，通过焦耳-汤姆逊节流制冷，在冷冻探针的头部上可获得-75℃的低温，而探针杆上的温度高于0℃。