【研讨】液氮深冷处理
时间:2020-08-24 19:48来源: 作者:ydgmve2020yyx 点击:
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低温外科医治机是选用某种物质作为制冷介质，利用该介质节流时吸收热量发生的制冷效果效果于人体安排部位经历降温、冻住、复温的进程，形成安排 发生冷冻坏死、冷冻阻滞、炎性
低温外科医治机是选用某种物质作为制冷介质，利用该介质节流时吸收热量发生的制冷效果效果于人体安排部位经历降温、冻住、复温的进程，形成安排 发生冷冻坏死、冷冻阻滞、炎性反应及冷冻粘连等需求的效果。*要用于皮肤科、耳鼻喉科、肛肠科、妇科、消化科、神经外科等简直一切外科科室的相关医治。其 医治机理是利用深低温冷却并冻住增生或肿瘤安排，使病变细胞发生生理或代谢性抑制，包含物理的、化学的和电解质的改变，使安排细胞遭到损害从而摧毁病灶组 织，抵达临床医治的目的[1-2]。
本所经过多年的研讨与尝试，开发了以液氮为制冷介质的低温外科医治机，本文从硬件和软件两个方面论述了设备的开发进程。查特杜瓦瓶
一、液氮低温外科医治机的硬件规划
液氮低温外科医治机硬件*要由:液氮存贮器、加热自增压模块、液位计、压力传感器、低温电磁阀、运送管路、加液罐、泄压阀、医治探头、温度传感器、复温模块、收集转化模块、可编程操控器和五颜六色触摸屏等组成。
体系的作业原理为:阻隔变压器为加液罐加热模块、液氮存贮器加热模块以及PLC供给作业电压。PLC选用三菱PLC-FX1N系列可编程操控 器，是硬件部分的核心器件，它一方面经过收集转化模块获得医治探头以及周围安排的温度信息，以及液氮存贮器内压力信息，并输出到触摸屏，便利用户监测;另 一方面用户经过触摸屏设定温度参数或压力参数，当超越设定温度或压力时，PLC宣布操控信号，使卸压阀翻开，下降液氮存贮器内压力，从而使温度或压力保持 在设定值，完结体系功用。
【研讨】液氮深冷处理
1、要害部件的规划
神经外科低温医治机*要有以下3个要害部件组成:液氮存贮器、液氮运送管和冷冻医治探头
(1)液氮存贮器
液氮存贮器是供给冷源的场所，是整机中的一个重要部件。依据临床需求，冷冻探杆直径比较细，一般在6 mm以下，并且探杆真空*热层占了必定的空间，所以液氮运送的实践通道很窄，直径1. 6 mm左右，对流体传输阻力很大，因而液氮需求选用受压强制运送。
液氮容器一般应满足以下要求: (1)容器必须能接受液氮运送压力，耐压功用可靠; (2)容器自身具有必定的*热性，以有效存贮液氮; (3)需求有必定的容积，所存贮的液氮量满足一次手术之用。在全面剖析了医治设备的工况后，认为液氮存贮器虽然需求有必定的*热功用要求，以防止容器内液 氮迅速汽化，但对*热要求不高，由于存贮器需求保存液氮的
时刻不长，从将液氮注入到存贮器至*终手术结束，大约仅50 min—60 min时刻，并且设备作业时，也需求有部分的液氮汽化，以抵达容器增压运送的目的。
依据上述剖析，选用填充式结构液氮存贮器。这种存贮器为表里套筒结构，表里筒体为1Cr18Ni9Ti不锈钢资料，中心隔层填充珠光砂*热材 料，筒体口用夹布胶木制成的环将内筒体定位，以坚持表里两筒体的同心度一致。这种结构的液氮存贮器有以下3个特点: (1)当体系密闭增压时，其压力上升平稳缓慢，不会呈现骤变，压力易于操控，安全性好; (2)由于选用填充式结构，*热效果始终不会有多大的改变，运用寿数长; (3)加工工艺简略，制形成本低。
(2)液氮运送管
液氮运送管是衔接液氮存贮器与医治探头的部件，它要求将液氮迅速可靠地传输到冷冻探头，尽可能削减运送进程中的汽化丢失。液氮从液相蒸发变为气 相是一个气液平衡的传导进程，它跟传热进程和压强改变有关，故气、液两相成分的比例决定于*热和流动阻力，为了进步液相成分，需求对影响换热和流动阻力的 几个因素进行剖析[4]。
基于上述剖析，规划了表里双管式液氮运送管，内管为直径2 mm的不锈钢管，外管为直径12 mm的不锈钢波纹管，两管之间选用聚四氟乙烯三角形支撑片定位，一起在夹层抽取真空，液氮在内管中传输，运送管两头为不锈钢螺母接头，其一端衔接冷冻探 头，另一端接液氮存贮器上的液氮出口。依据手术要求，一般运送管长度为1. 5m—1. 7m为宜，运送管太短，手术医生不便利，太长了会增加液氮在运送途中的损耗。查特杜瓦瓶
(3)冷冻医治探头
医治探头是与患者相触摸的部件，是液氮低温医治机的核心部件，它的好坏直接影响设备的功用。为防止冷冻探头损害相触摸的正常安排，冷冻探头非冷 冻区应具有杰出的*热功用。别的，为了便于探头顺利刺入病灶安排，还应在在*端安装刀头。依据这些临床要求，规划了3套管式结构，即为3根不同直径的不锈 钢管套接而成。其外管直径为6 mm，壁厚0·2mm;中心管直径为4mm，壁厚0. 2mm;内管直径为2 mm，壁厚0. 2 mm。液氮经内管流入汽化腔，汽化制冷后经中心管与内管的空腔排出。外管与中心管之间为真空腔体，一方面使非冷冻区探杆表面坚持常温，另一方面能够有效地 削减液氮的汽化丢失。
依据临床运用需求，冷冻探头工艺上还具有以下要求: (1)医治探头和探杆便于消毒，与安排触摸部分的壁面四周镀银，以防止氧化。(2)医治探头端部需安装测温的铜、康铜热电偶，用以测验和操控冷冻手术的温 度。(3)为了能使冷冻探头进步传热效果，需将其做成薄壁空心形状，资料选用导热较好的紫铜。为充分利用液氮的潜热。
2、功用模块规划
与PLC衔接的硬件*要有加热自增压模块、收集转化模块和复温模块。
(1)加热自增压模块
加热自增压模块是为液氮在管道内流动供给动力的功用模块。它有两个效果，一是加液时为加液罐供给压力，二是设备作业时为刀杆供给压力。
手术前，需求将液氮加入到液氮存贮器内，这就靠加液罐中的加热自增压模块完结。*先衔接好加液罐与液氮存贮器之的管路，然后经过触摸屏的加液开 关，操控加液与否。别的，在液氮存贮器和外置储液罐中都安装了液位计，一方面能够在显现屏上显现当时液位量，便于实时监测，另一方面当在液氮存贮器液位达 到*高或许外置储罐液氮缺乏时，能够主动切断加液开关，完结人性化规划。液位计选用了比较器的翻转原理，电路如图2所示。
手术时，液氮从存贮器中经液氮运送管抵达刀头，汽化释放冷量后排出。由于管路细且长，需求很高的压力，加热自增压模块应能为其供给满足的压力。 一起，存贮器内压力应能自由操控，当液氮存贮器内压力高于设定压力时，应中止加热，必要时翻开卸压阀下降压力，以保持存贮器内压力。
(2)收集转化模块
不同人体部位或安排，会对制冷效果发生不同的影响。例如大血管中血液的流动会带走相当的冷量，而在人体安排中，由于热阻，每1 cm大约形成35℃的温差[3-4] 。为了掌握在医治区域鸿沟上的温度，以免医治进程中损害正常安排，需求实时监测医治区域的温度。因而，设备配备了多路外置针式温度传感器，便于操作者监督 冷冻探头周围安排温度。温度探针的资料为T分度热电偶线，其一端衔接到收集转化模块，另一端插入人体安排中。作业时，热电偶线将温度信号转化成热电动势信 号，经过收集转化模块转化为温度，并经通讯线在触摸屏上显现出来。压力的收集则是经过T分度热电偶将压力信号转化成4mA-20 mA标准信号，经过收集转化模块再转化为压力，并在触摸屏上显现出来。
(3)复温模块
冷冻手术在操作完结后，如何加热使探头与冻住的安排能够快速脱离，是一个技术难题。传统的计划是在医治探头的端部布置电加热元件，可是电加热元 件在液氮的低温和加热发生的高温的重复更迭下，线路、焊点以及元件自身很容易由于热胀冷缩呈现故障，寿数无法进步。本设备则将储罐中液氮蒸发所发生的氮气 收集起来，在加热到室温后经过原有的液氮运送管路送至医治探头，完结探头复温。这样的计划由于加热元件不在低温下作业，具有更高的可靠性和寿数，运用时也 更为安全，在某些特殊运用场合(如心脏手术中)不会由于电压对病人形成伤害。
二、液氮低温外科医治机的软件规划
1、主程序规划
规划软件时遵循模块化规划原则，分别规划了主程序和模块子程序。除主程序外，针对不同功用规划了子程序，*要包含:温度检测子程序、加液操控子程序、过压放气子程序和复温子程序等。液氮低温外科医治机的软件主程序流程图如图3。
经过触摸屏和按键配合操作可完结各种功用择和参数的设置。开机后一切外围器件和按键状况都复位到初始化状况。用户在操控界面中的“数据监控”分 界面上设置医治手术所需的压力和温度参数值。当罐内压力小于设定值时，加热模块作业，使液氮加速气化，快速进步存贮器中压力。当存贮器中实践压力值大于用 户所设定的压力参数值时，操控体系主动封闭加热模块，并翻开卸压阀放出必定量的气体，以使罐内压力保持在设定压力。查特杜瓦瓶
用户按下开端作业开关，低温电磁阀开端向低温探头运送液氮使探头降温。当温度降到设置温度参数值以下时，体系主动封闭低温电磁阀，中止继续降 温。由于手术医治并不是温度抵达医治温度时就完结，而是需求继续医治温度必定时刻后才能抵达医治目的，所以在温度高于设定值时，体系将再度翻开低温电磁 阀，使温度坚持在设定值，直至手术结束时手动中止作业开关。
手术完结后翻开复温模块作业，储气罐中的热气经过运送管运送到探头处开端复温，等待探头温度抵达0℃以上时，将低温探头从病体中拔出，并封闭复温电磁阀。
2、用户操控界面开发
用户操控模块完结运转数据的实时监测以及用户对体系参数的实时操控。触摸屏是人机交互的窗口，一切操控均由触摸屏完结，显现操控界面由组态软件 编写，清晰易懂，便于操作。一起，传感器信息经过PLC*终显现在屏幕上，能够让操作人员更全面的了解设备运转状况。别的反馈操控体系依据设定数据进行调 节，较人工操控更为精确和快捷。反馈的信息包含压力、液位、探头内置和外置传感器温度以及包含阀门开闭、作业状况等操控参数。
三、功用测验
选用4%明胶溶液作为测验对象，由于这种溶液的凝胶体挨近实在生物安排。测验条件为:刀头直径5 mm、环境温度20℃、液氮运送压力0. 25MPa。在距刀头8 mm、13 mm、18 mm、23 mm、28 mm、33 mm、38 mm放置外置温度传感器，得到温度随时刻的改变曲线如图5。由图可知，在间隔刀头约10 mm之内，温度抵达-50℃以下，可满足大部分手术要求，如需范围更大的低温，可经过调高液氮运送压力来完结。
液氮低温外科医治机以液氮为作业介质，适用于外科多种相关病症的医治。该设备*要特点有自增压加液功用、温度监测功用和人性化用户操控界面等。
自增压加液功用由PLC操控，一方面完结向液氮存贮器加液时的一键式操作，另一方面为液氮从存贮器流向刀头供给满足的稳定的压力;温度监测功用用于监测治 疗探头与外置温度传感器的温度，经PLC输出到显现屏，一起主动记录各路传感器的温度改变曲线，便利用户术后查阅与剖析;用户操控界面选用触摸屏方法，由 组态软件编写，清晰易懂，完结人性化人机交互。
本所经过多年的研讨与尝试，开发了以液氮为制冷介质的低温外科医治机，本文从硬件和软件两个方面论述了设备的开发进程。查特杜瓦瓶
一、液氮低温外科医治机的硬件规划
液氮低温外科医治机硬件*要由:液氮存贮器、加热自增压模块、液位计、压力传感器、低温电磁阀、运送管路、加液罐、泄压阀、医治探头、温度传感器、复温模块、收集转化模块、可编程操控器和五颜六色触摸屏等组成。
体系的作业原理为:阻隔变压器为加液罐加热模块、液氮存贮器加热模块以及PLC供给作业电压。PLC选用三菱PLC-FX1N系列可编程操控 器，是硬件部分的核心器件，它一方面经过收集转化模块获得医治探头以及周围安排的温度信息，以及液氮存贮器内压力信息，并输出到触摸屏，便利用户监测;另 一方面用户经过触摸屏设定温度参数或压力参数，当超越设定温度或压力时，PLC宣布操控信号，使卸压阀翻开，下降液氮存贮器内压力，从而使温度或压力保持 在设定值，完结体系功用。
【研讨】液氮深冷处理
1、要害部件的规划
神经外科低温医治机*要有以下3个要害部件组成:液氮存贮器、液氮运送管和冷冻医治探头
(1)液氮存贮器
液氮存贮器是供给冷源的场所，是整机中的一个重要部件。依据临床需求，冷冻探杆直径比较细，一般在6 mm以下，并且探杆真空*热层占了必定的空间，所以液氮运送的实践通道很窄，直径1. 6 mm左右，对流体传输阻力很大，因而液氮需求选用受压强制运送。
液氮容器一般应满足以下要求: (1)容器必须能接受液氮运送压力，耐压功用可靠; (2)容器自身具有必定的*热性，以有效存贮液氮; (3)需求有必定的容积，所存贮的液氮量满足一次手术之用。在全面剖析了医治设备的工况后，认为液氮存贮器虽然需求有必定的*热功用要求，以防止容器内液 氮迅速汽化，但对*热要求不高，由于存贮器需求保存液氮的
时刻不长，从将液氮注入到存贮器至*终手术结束，大约仅50 min—60 min时刻，并且设备作业时，也需求有部分的液氮汽化，以抵达容器增压运送的目的。
依据上述剖析，选用填充式结构液氮存贮器。这种存贮器为表里套筒结构，表里筒体为1Cr18Ni9Ti不锈钢资料，中心隔层填充珠光砂*热材 料，筒体口用夹布胶木制成的环将内筒体定位，以坚持表里两筒体的同心度一致。这种结构的液氮存贮器有以下3个特点: (1)当体系密闭增压时，其压力上升平稳缓慢，不会呈现骤变，压力易于操控，安全性好; (2)由于选用填充式结构，*热效果始终不会有多大的改变，运用寿数长; (3)加工工艺简略，制形成本低。
(2)液氮运送管
液氮运送管是衔接液氮存贮器与医治探头的部件，它要求将液氮迅速可靠地传输到冷冻探头，尽可能削减运送进程中的汽化丢失。液氮从液相蒸发变为气 相是一个气液平衡的传导进程，它跟传热进程和压强改变有关，故气、液两相成分的比例决定于*热和流动阻力，为了进步液相成分，需求对影响换热和流动阻力的 几个因素进行剖析[4]。
基于上述剖析，规划了表里双管式液氮运送管，内管为直径2 mm的不锈钢管，外管为直径12 mm的不锈钢波纹管，两管之间选用聚四氟乙烯三角形支撑片定位，一起在夹层抽取真空，液氮在内管中传输，运送管两头为不锈钢螺母接头，其一端衔接冷冻探 头，另一端接液氮存贮器上的液氮出口。依据手术要求，一般运送管长度为1. 5m—1. 7m为宜，运送管太短，手术医生不便利，太长了会增加液氮在运送途中的损耗。查特杜瓦瓶
(3)冷冻医治探头
医治探头是与患者相触摸的部件，是液氮低温医治机的核心部件，它的好坏直接影响设备的功用。为防止冷冻探头损害相触摸的正常安排，冷冻探头非冷 冻区应具有杰出的*热功用。别的，为了便于探头顺利刺入病灶安排，还应在在*端安装刀头。依据这些临床要求，规划了3套管式结构，即为3根不同直径的不锈 钢管套接而成。其外管直径为6 mm，壁厚0·2mm;中心管直径为4mm，壁厚0. 2mm;内管直径为2 mm，壁厚0. 2 mm。液氮经内管流入汽化腔，汽化制冷后经中心管与内管的空腔排出。外管与中心管之间为真空腔体，一方面使非冷冻区探杆表面坚持常温，另一方面能够有效地 削减液氮的汽化丢失。
依据临床运用需求，冷冻探头工艺上还具有以下要求: (1)医治探头和探杆便于消毒，与安排触摸部分的壁面四周镀银，以防止氧化。(2)医治探头端部需安装测温的铜、康铜热电偶，用以测验和操控冷冻手术的温 度。(3)为了能使冷冻探头进步传热效果，需将其做成薄壁空心形状，资料选用导热较好的紫铜。为充分利用液氮的潜热。
2、功用模块规划
与PLC衔接的硬件*要有加热自增压模块、收集转化模块和复温模块。
(1)加热自增压模块
加热自增压模块是为液氮在管道内流动供给动力的功用模块。它有两个效果，一是加液时为加液罐供给压力，二是设备作业时为刀杆供给压力。
手术前，需求将液氮加入到液氮存贮器内，这就靠加液罐中的加热自增压模块完结。*先衔接好加液罐与液氮存贮器之的管路，然后经过触摸屏的加液开 关，操控加液与否。别的，在液氮存贮器和外置储液罐中都安装了液位计，一方面能够在显现屏上显现当时液位量，便于实时监测，另一方面当在液氮存贮器液位达 到*高或许外置储罐液氮缺乏时，能够主动切断加液开关，完结人性化规划。液位计选用了比较器的翻转原理，电路如图2所示。
手术时，液氮从存贮器中经液氮运送管抵达刀头，汽化释放冷量后排出。由于管路细且长，需求很高的压力，加热自增压模块应能为其供给满足的压力。 一起，存贮器内压力应能自由操控，当液氮存贮器内压力高于设定压力时，应中止加热，必要时翻开卸压阀下降压力，以保持存贮器内压力。
(2)收集转化模块
不同人体部位或安排，会对制冷效果发生不同的影响。例如大血管中血液的流动会带走相当的冷量，而在人体安排中，由于热阻，每1 cm大约形成35℃的温差[3-4] 。为了掌握在医治区域鸿沟上的温度，以免医治进程中损害正常安排，需求实时监测医治区域的温度。因而，设备配备了多路外置针式温度传感器，便于操作者监督 冷冻探头周围安排温度。温度探针的资料为T分度热电偶线，其一端衔接到收集转化模块，另一端插入人体安排中。作业时，热电偶线将温度信号转化成热电动势信 号，经过收集转化模块转化为温度，并经通讯线在触摸屏上显现出来。压力的收集则是经过T分度热电偶将压力信号转化成4mA-20 mA标准信号，经过收集转化模块再转化为压力，并在触摸屏上显现出来。
(3)复温模块
冷冻手术在操作完结后，如何加热使探头与冻住的安排能够快速脱离，是一个技术难题。传统的计划是在医治探头的端部布置电加热元件，可是电加热元 件在液氮的低温和加热发生的高温的重复更迭下，线路、焊点以及元件自身很容易由于热胀冷缩呈现故障，寿数无法进步。本设备则将储罐中液氮蒸发所发生的氮气 收集起来，在加热到室温后经过原有的液氮运送管路送至医治探头，完结探头复温。这样的计划由于加热元件不在低温下作业，具有更高的可靠性和寿数，运用时也 更为安全，在某些特殊运用场合(如心脏手术中)不会由于电压对病人形成伤害。
二、液氮低温外科医治机的软件规划
1、主程序规划
规划软件时遵循模块化规划原则，分别规划了主程序和模块子程序。除主程序外，针对不同功用规划了子程序，*要包含:温度检测子程序、加液操控子程序、过压放气子程序和复温子程序等。液氮低温外科医治机的软件主程序流程图如图3。
经过触摸屏和按键配合操作可完结各种功用择和参数的设置。开机后一切外围器件和按键状况都复位到初始化状况。用户在操控界面中的“数据监控”分 界面上设置医治手术所需的压力和温度参数值。当罐内压力小于设定值时，加热模块作业，使液氮加速气化，快速进步存贮器中压力。当存贮器中实践压力值大于用 户所设定的压力参数值时，操控体系主动封闭加热模块，并翻开卸压阀放出必定量的气体，以使罐内压力保持在设定压力。查特杜瓦瓶
用户按下开端作业开关，低温电磁阀开端向低温探头运送液氮使探头降温。当温度降到设置温度参数值以下时，体系主动封闭低温电磁阀，中止继续降 温。由于手术医治并不是温度抵达医治温度时就完结，而是需求继续医治温度必定时刻后才能抵达医治目的，所以在温度高于设定值时，体系将再度翻开低温电磁 阀，使温度坚持在设定值，直至手术结束时手动中止作业开关。
手术完结后翻开复温模块作业，储气罐中的热气经过运送管运送到探头处开端复温，等待探头温度抵达0℃以上时，将低温探头从病体中拔出，并封闭复温电磁阀。
2、用户操控界面开发
用户操控模块完结运转数据的实时监测以及用户对体系参数的实时操控。触摸屏是人机交互的窗口，一切操控均由触摸屏完结，显现操控界面由组态软件 编写，清晰易懂，便于操作。一起，传感器信息经过PLC*终显现在屏幕上，能够让操作人员更全面的了解设备运转状况。别的反馈操控体系依据设定数据进行调 节，较人工操控更为精确和快捷。反馈的信息包含压力、液位、探头内置和外置传感器温度以及包含阀门开闭、作业状况等操控参数。
三、功用测验
选用4%明胶溶液作为测验对象，由于这种溶液的凝胶体挨近实在生物安排。测验条件为:刀头直径5 mm、环境温度20℃、液氮运送压力0. 25MPa。在距刀头8 mm、13 mm、18 mm、23 mm、28 mm、33 mm、38 mm放置外置温度传感器，得到温度随时刻的改变曲线如图5。由图可知，在间隔刀头约10 mm之内，温度抵达-50℃以下，可满足大部分手术要求，如需范围更大的低温，可经过调高液氮运送压力来完结。
液氮低温外科医治机以液氮为作业介质，适用于外科多种相关病症的医治。该设备*要特点有自增压加液功用、温度监测功用和人性化用户操控界面等。
自增压加液功用由PLC操控，一方面完结向液氮存贮器加液时的一键式操作，另一方面为液氮从存贮器流向刀头供给满足的稳定的压力;温度监测功用用于监测治 疗探头与外置温度传感器的温度，经PLC输出到显现屏，一起主动记录各路传感器的温度改变曲线，便利用户术后查阅与剖析;用户操控界面选用触摸屏方法，由 组态软件编写，清晰易懂，完结人性化人机交互。
