一种冷冻消融系统的制作方法

本实用新型涉及冷冻消融技术领域，特别是涉及一种冷冻消融系统。

背景技术：

当前治疗肿瘤的冷冻消融技术发展十分迅速，主要利用制冷技术进行制冷，或是直接利用低温工质的冷能对目标组织进行冷冻治疗，前者以气体节流制冷技术为代表，后者以液氮直接冷冻技术为代表。

一种典型的利用气体节流技术的冷冻消融系统通过氩气节流制冷，氦气节流制热来实现冷冻、复温的治疗过程，该系统因节流前气体处于常温范围，较易实现，但是为了保证治疗效果，需要配置安全风险级别较高的高压气源(比如高达40mpa)，导致运输、储存不便，且成本较高。

液氮冷冻消融系统是直接将低温液氮增压后输送至消融针内，再通过液氮的吸热蒸发实现肿瘤的冷冻过程，复温过程可采用无水乙醇蒸气加热或是射频、微波等加热方式。但是液氮冷冻消融系统对液氮罐的绝热技术要求高；液氮系统全程需要承受一定压力，需耐受低温条件，冷量损失大，使得液氮利用率较低。

有鉴于此，如何设计一种冷冻消融系统，能够降低对工质存储的要求，且工质的利用率高，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种冷冻消融系统，该冷冻消融系统的结构设计使得工质存储的要求较低，方便存储和运输，同时工质的利用率较高。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种冷冻消融系统，包括消融针，还包括存储罐、涡流管和预冷装置，所述存储罐用于存储工质，所述存储罐的出口与所述涡流管的进口连接；

所述涡流管的冷气口与所述预冷装置的进口连接，所述涡流管的冷气口与所述预冷装置连接的管路上设有第一开关阀；

所述预冷装置的出口与所述消融针连接；

所述涡流管的热气口与所述消融针连接，且所述涡流管的热气口与所述消融针的连接管路上设有第二开关阀。

本实用新型提供的冷冻消融系统的工作过程如下：冷冻时，第一开关阀处于开启状态，第二开关阀处于关闭状态，来自存储罐的工质先进入涡流管，在涡流管内分离为冷、热气流，经冷气口流出的冷气流经第一开关阀进入预冷装置进一步预冷，经预冷装置冷却后的工质进入消融针内以吸收目标组织热量，实现目标组织的冷冻过程；复温时，第一开关阀处于关闭状态，第二开关阀处于开启状态，来自存储罐的工质先进入涡流管，在涡流管内分离为冷、热气流，经热气口流出的热气流经第二开关阀进入消融针内，实现目标组织的复温。

由上可知，该冷冻消融系统在冷冻阶段，进入消融针的工质先后经过了涡流管和预冷装置冷却，经过预先冷却后，能显著提高制冷性能，与现有氩气节流制冷技术相比，该冷冻消融系统全程的工质压力可显著降低，从而用于存储工质的存储罐及沿程管路附件的耐压设计标准可以大大降低，存储、运输方便；与现有液氮冷冻消融系统相比，无需配置耐压的低温容器，预冷装置内的低温液体可常压储存，同样也可大大降低耐压设计标准，此外，工质进入消融针前保持过冷状态，使得工质沿程吸热而不蒸发，冷量损失少，工质利用率高，该冷冻消融系统采用涡流管对工质进行第一级预冷，在相同工作条件下，涡流管的制冷性能比通常节流制冷性能更高，可有效提高制冷效率，且涡流管作为无运动部件的能量分离装置，无需热量交换部件即可实现工质的制冷、制热效应，在复温阶段，利用涡流管提供热源，能够大大降低系统的复杂程度。

如上所述的冷冻消融系统，还包括散热器，所述涡流管的热端缠绕有冷却管，所述涡流管的热气口通过所述散热器与所述冷却管连接，所述涡流管的热气口与所述散热器的连接管路上设有第三开关阀。

如上所述的冷冻消融系统，所述涡流管的热气口与所述消融针的连接管路上设有调温器。

如上所述的冷冻消融系统，还包括热交换器，所述存储罐通过两条管路与所述涡流管的进口连接，其中，第一管路直接连通所述存储罐和所述涡流管的进口，所述第一管路上设有第四开关阀；第二管路经所述热交换器与所述涡流管的进口连接，所述第二管路上设有第五开关阀。

如上所述的冷冻消融系统，所述涡流管的冷气口还分出一条支路，所述支路经所述热交换器与大气连通，所述支路上设有第六开关阀。

如上所述的冷冻消融系统，所述消融针的出口管路经所述热交换器与大气连通。

如上所述的冷冻消融系统，所述预冷装置包括两个以上的预冷单元，两个以上的所述预冷单元串接。

如上所述的冷冻消融系统，所述存储罐包括冷冻存储罐和复温存储罐。

如上所述的冷冻消融系统，所述冷冻存储罐内存储的工质具体为非超临界氮或超临界氮，所述复温存储罐内存储的工质具体为常温增压氮气。

附图说明

图1为本实用新型所提供一种具体实施例中冷冻消融系统的结构示意图；

图2为图1中涡流管的结构示意图；

图3示出了气液两相的热力学p-t相图。

其中，图1和图2中部件名称与附图标记之间的一一对应关系如下所示：

涡流管10，进口11，冷气口12，热气口13；

预冷装置20，预冷器21，低温容器22，消融针30，散热器40，冷却管50，调温器60，热交换器70；

第一开关阀81，第二开关阀82，第三开关阀83，第四开关阀84，第五开关阀85，第六开关阀86。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种冷冻消融系统，该冷冻消融系统的结构设计使得工质存储的要求较低，方便存储和运输，同时工质的利用率较高。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本实用新型所提供一种具体实施例中冷冻消融系统的结构示意图；图2为图1中涡流管的结构示意图。

该实施例中，冷冻消融系统包括用于存储工质的存储罐(图中未示出)、涡流管10、预冷装置20和消融针30。

该冷冻消融系统在冷冻阶段，进入消融针30的工质先后经过了涡流管10和预冷装置20冷却，经过预先冷却后，能显著提高制冷性能，与现有氩气节流制冷技术相比，该冷冻消融系统全程的工质压力可显著降低，从而用于存储工质的存储罐及沿程管路附件的耐压设计标准可以大大降低，存储、运输方便；与现有液氮冷冻消融系统相比，无需配置耐压的低温容器，预冷装置内的低温液体可常压储存，同样也可大大降低耐压设计标准，此外，工质进入消融针30前保持过冷状态，使得工质沿程吸热而不蒸发，冷量损失少，工质利用率高，该冷冻消融系统采用涡流管10对工质进行第一级预冷，在相同工作条件下，涡流管10的制冷性能比通常节流制冷性能更高，可有效提高制冷效率，且涡流管10作为无运动部件的能量分离装置，无需热量交换部件即可实现工质的制冷、制热效应，在复温阶段，利用涡流管10提供热源，能够大大降低系统的复杂程度。

下面对该冷冻消融系统的各部件及部件之间的连接关系进行详细介绍：

存储罐的出口与涡流管10的进口11连接，涡流管10的冷气口12与预冷装置20的进口连接，且涡流管10的冷气口12与预冷装置20的连接管路上设有第一开关阀81。

预冷装置20的出口与消融针30连接。

涡流管10的热气口13与消融针30连接，且涡流管10的热气口13与消融针30的连接管路上设有第二开关阀82。

该冷冻消融系统还包括散热器40和冷却管50。散热器40的进口与涡流管10的热气口13相连，散热器40的出口与冷却管50相连，冷却管50缠绕在涡流管10的热端。

涡流管10的热气口13与散热器40的连接管路上设有第三开关阀83，通过所述第二开关阀82和第三开关阀83来控制工质流向。

如上，散热器40和冷却管50的设置能够降低涡流管10的热端的温度，提高涡流管10的制冷性能。

该冷冻消融系统在冷冻时，第二开关阀82关闭，第三开关阀83打开，涡流管10内的冷气流经预冷装置20进入消融针30内对目标组织进行冷冻时，涡流管10内的热气流经第三开关阀83进入散热器40，降温后，流入冷却管50，对涡流管10的热端进行降温，之后经冷却管50出口排入大气。

显然，该冷冻消融系统在复温时，将第三开关阀83关闭，第二开关阀82打开，使得涡流管10内的热气流可进入消融针30内实现目标组织的复温。

具体的方案中，在涡流管10的热气口13与消融针30的连接管路上还设有调温器60，该调温器60可选用常规的可调加热器，当冷冻消融系统处于复温工作状态时，可通过调温器60对涡流管10流出的热气流的温度进行调节，以对消融针30提供不同温度的热气流，调整复温速度，满足冷冻消融治疗过程中的复温要求。

具体的方案中，该冷冻消融系统还包括热交换器70，存储罐流出的工质分成两条管路与涡流管10的进口11连接，其中第一管路通过第四开关阀84后直接与涡流管10的进口11连接，第二管路依次通过第五开关阀85、热交换器70后与涡流管10的进口11连接。

具体应用时，冷冻消融系统处于冷冻阶段时，可关闭第四开关阀84，开启第五开关阀85，这样，存储罐内的工质在进入涡流管10前先与热交换器70进行热交换，以降低温度，如此，工质经过热交换器70、涡流管10和预冷装置20逐级冷却后进入消融针30，可提高制冷效率。

具体的方案中，涡流管10的冷气口12还分出一条支路，该支路经热交换器70与大气连通，且该支路上设有第六开关阀86。这样，冷冻消融系统处于复温阶段时，经涡流管10的冷气口12排出的冷气流经热交换器70进行冷量回收再排出至大气，如此，可对冷量进行回收并存储及利用，在低温阶段时，可对工质进行预冷，例如，本实施例中，可对第二管路内的工质进行预冷，提高整个系统的性能。

具体的方案中，消融针30的出口管路也经热交换器70与大气连通，这样流出消融针30的气流通过与热交换器70的热量或冷量回收后再排出至大气，在此过程中，也可对其冷量进行回收并存储及利用，例如，本实施例中，可对第二管路内的工质进行预冷，原理同前，在此不赘述。

具体的方案中，前述预冷装置20可以只包括一个预冷器21和一个低温容器22，预冷器21放置于低温容器22内，低温容器22内的工质可以选用液氮，具体地，涡流管10的冷气口12与预冷器21的进口连接，预冷器21的出口与消融针30连接，可以理解，预冷器21和低温容器22形成一个预冷单元，也就是说经涡流管10冷却后的冷气流经过一次冷却后进入消融针30。

具体应用时，根据实际需求，该预冷装置20也可以设为两个以上的预冷单元，各预冷单元串接，使经过涡流管10冷却后的冷气流经过两级以上的冷却后进入消融针30。

具体的方案中，存储罐可以包括冷冻存储罐和复温存储罐，其中，冷冻存储罐用于存储冷冻用的工质，复温存储罐用于存储复温用的工质。这些工质具体可选用氮气、氦气、氖气等，可以理解，冷冻和复温可以使用相同的工质，此时，可以只设一个存储罐。

具体应用时，冷冻阶段的工质可选用非超临界氮或者超临界氮。

在气液两相的热力学p-t相图中，如图3所示，以气液两相共存线及临界点(pc，tc)将纯物质分为不同相态，临界点处液相和气相无差别，无明显分界，工质在此点的状态成为临界状态，在临界压强以上(p＞pc)，气、液两个单相区之间不存在两相共存的相转变区。其中，当p＞pc，且t＞tc时为准气体，称之为超临界气体，上述超临界氮即指满足该条件的氮气。

具体应用时，复温阶段的工质可选用常温增压氮气。

下面详细介绍该冷冻消融系统的具体工作过程：

一、冷冻阶段

1、工质为非超临界氮

具体可选用常温氮气，其最高压强不超过临界压强，优选最高压强为0.5～2mpa。

应用时，第二开关阀82、第四开关阀84和第六开关阀86均关闭，第一开关阀81、第三开关阀83和第五开关阀85均开启；经存储罐流出的常温增压氮气经热交换器70后温度稍微降低，然后进入涡流管10内分离为冷热两股气流，自冷气口12流出的冷气流通过第一开关阀81进入预冷装置20内变为过冷液氮，然后过冷液氮进入消融针30内部经节流后降压降温，形成常压下的气液两相流，此时液氮温度可达-196℃，消融针30内的液氮吸收目标组织热量迅速气化为冷氮气，同时实现目标组织冷冻，冷氮气自消融针30流出经热交换器70进行冷量回收后排出；其中，自涡流管10的热气口13流出的热气流通过第三开关阀83经散热器40散热降温，再返回冷却管50后排出。

2、工质为超临界氮

具体可选用常温氮气，在保证超临界前提下，相对较低的压强将更有利，优选其最高压强为4～8mpa。

应用时，第二开关阀82、第四开关阀84和第六开关阀86均关闭，第一开关阀81、第三开关阀83和第五开关阀85均开启；经存储罐流出的超临界氮(准氮气)经热交换器70后温度稍有降低，然后进入涡流管10内分离为冷热两股气流，自冷气口12流出的冷气流通过第一开关阀81进入预冷装置20内变为准液体或准气体，然后准液体或准气体进入消融针30内部节流变为降压后的气液两相流(或准液体、准气体)，节流后两相流温度可达-196℃；其中，若节流后为准液体或准气体，则节流后温度高于临界温度，理想的温度范围为-160℃～-170℃；工质(气液两相、准液体或准气体)进入消融针30内吸收热量实现目标组织的冷冻，吸热后的工质(气液两相、气相、准液体或准气体)自消融针30流出经热交换器70进行冷量回收后排出；其中，自涡流管10的热气口13流出的热气流通过第三开关阀83经散热器40散热降温，再返回冷却管50后排出。

当冷冻阶段工质选用上述超临界氮时，还具有下述效果：在降温过程中，由超临界氮(准气体)至准液氮变化，准液氮和准氮气之间无相界面，无表面张力，粘度小，因而流动阻力小；超临界氮(准气体)密度大，与液体接近，氮在临界点附近具有异常大的比热容，相比通常气体而言，可携带冷量更多；准液氮吸热时无相变过程且体积变化小，不易形成气阻或气塞现象。

二、复温阶段

工质可选用常温增压氮气，其最高压强优选为1～4mpa。

应用时，第一开关阀81、第三开关阀83和第五开关阀85均关闭，第二开关阀82、第四开关阀84和第六开关阀86均开启；经存储罐流出的常温增压氮气进入涡流管10内分离成冷热两股气流，自冷气口12流出的冷气流通过第六开关阀86经热交换器70进行冷量回收排出至大气，自热气口13流出的热气流通过第二开关阀82，经调温器60调温后进入消融针30内部实现目标组织复温，然后热氮气自消融针30内部流出经热交换器70进行热量回收后排出至大气。

有益效果：

本实用新型提供的一种冷冻消融系统，与现有液氮冷冻消融系统相比，液氮罐只是一个常压储存容器，结构形式选择性大，并可大大降低其耐压设计标准，降低设计的复杂度；此外，工质节流前为过冷状态或者超临界状态，使得工质沿程吸热而不蒸发，减少冷量损失，提高工质的冷量利用率。

以上对本实用新型所提供的一种冷冻消融系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。