• 冷冻治疗系统包括冷冻控制仪和冷冻探针，以及为完成冷冻治疗所需的冷冻监控设备
• 根据治疗的目的与对象，冷冻系统又分为开放型和闭合型。开放型系统是将液氮直接倾倒于或（通过喷嘴）喷洒于靶组织表面,主要用于表浅病变的治疗；闭合冷冻系统是通过冷冻探针将冷冻引入靶组织内（有液氮和氩氦两种系统）
• 液氮冷冻系统是将液氮压入特制探针，在探针尖端空间相对较大的“室”内，液氮沸腾，吸收周围热量，使局部降温
• 氩氦冷冻系统是根据Joule-Thomson原理，高压气体经过狭窄的喷嘴进入探针尖端，压力突然下降。不同的气体热力系数各异，引起相应的热交换，局部产生不同的温度变化。氩气引起温度降低（-187°C），氦气可使温度升高（67°C）
• 氩氦冷冻系统的应用标志冷冻原从液态发展到气态，这使得有可能大大减少冷冻探针的直径。超细探针不仅可直接经皮穿刺或经内镜置入靶组织内，而且可按靶组织大小、形状多根同时采用。
• 冷冻温度的监测主要采用温差电偶，可快速反映冷冻区的温度变化
• 冷冻过程的监控主要采用超声、CT或磁共振（MRI）
• The cryosurgery system includes freezing control apparatus and cryoprobe, and related monitoring instruments.
• The basic design of cryoprobes suitable for oncological purposes can be divided into open and closed systems.
• In open systems liquid nitrogen is sprayed directly on tissue and has been shown to be an effective, if not the most effective, way of cooling. The liquid nitrogen cools the tissue by boiling, which occurs as heat is extracted from the tissue surface.
  The closed systems employ two different principles for creating low temperatures at the end of a probe for liquid nitrogen and argon-helium, respectively.
• The first principle applied in cooling a cryoprobe is to allow liquid nitrogen to boil at the end of the tip of the probe. The probe is made of three long concentric tubes. The inner tube serves as a conduit for liquid nitrogen flow to the tip of the probe. The space between the inner tube and the middle tube serves as a path for the return of gaseous nitrogen from the tip of the probe. The space between the outer tube and the middle tube is vacuum insulated and has a radiative shield, which essentially allows the liquid nitrogen to be conducted without heat loss to the tip of the probe.
• The tip of the probe is a chamber into which the liquid nitrogen flows from the inner tube and from which the gaseous nitrogen returns through the space between the inner and the middle tube. By boiling it extracts latent heat from its surroundings, cooling it at the same time. As long as liquid nitrogen is passed through the tip fast enough to maintain boiling, the temperature at the tip of the probe will remain at the boiling point of liquid nitrogen: -196oC.
• The other principle used to cool the end of a cryoprobe in closed systems utilizes the Joule-Thomson effect. This cryosurgery marks the transition from systems circulating liquid nitrogen to gas-driven probes in which pressurized gas is permitted to depressurize through a narrow nozzle located at the tip of the probe. In accordance with the gas coefficient and the dimension of the nozzle, different gaseous elements generate different thermal exchange events at the area close to the nozzle. Argon gas is used for cooling (_187°C), and helium is used for heating (67°C)
• The use of gas permitted a dramatic reduction in the diameter of the cryoprobes. Ultrathin probes with sharp tips became feasible, allowing direct percutaneous probe placement without the necessity to use track dilation and insertion kits. A multiple port system is often used so that two or more probes could be used simultaneously. The thin, highly efficient probes, available in several sizes, can be placed in diseased sites via endoscopy or percutaneously in minimally invasive procedures
• It is important to monitor the freezing parameters for maximizing the destruction of cancer cells within a defined spatial domain while minimizing cryoinjury to the surrounding healthy tissue. Thermocouples are by far the only suitable device for intraoperative (real-time) temperature monitoring during cryosurgery
• The instruments used for monitoring cryosurgery procedure have ultrasound, CT and MRI.

肿瘤冷冻治疗需要下列设备与条件：冷冻控制仪、冷冻原及其将冷冻引入靶组织的探针（冷冻探针）；温度监控设备；冷冻过程监控设备，包括超声、CT或磁共振（MRI）。

冷冻原理

相变制冷

溶点、升华点或沸点低的物质，在物态变化过程中（液体蒸发、固体溶解或升华），从周围环境吸收热量，引起局部温度急剧降低，是为相变制冷。常用的致冷物质（致冷原）有二氧化碳、氟利昂和液氮等，以液氮最常用[1]。

热电制冷

系按照Peltier热电效应（就是让电流通过两种不同电子密度的材料，可使一种材料变热，另一种变冷）制冷。用这种原理制作的冷却器可使温度降至-50℃。但因为存在组织血液的热循环效应，该种设备无法达到理想的治疗温度，因而未能应用于肿瘤治疗。

节流制冷

高压气体从管道经小孔突然释放进入一较大空间，随着压力突然降低，会使局部温度迅速降低。此即节流制冷，也称Joule-Thomson效应。常用的节流制冷介质为常温高压气体（如氩气、一氧化氮或混合气体）。后述的氩氦冷冻系统即采用此原理致冷。

冷冻治疗设备

用于肿瘤冷冻治疗的基本设备有两类：开放式和闭合式。开放式主要采用液氮，应用时将液氮直接倾注或用棉签蘸取涂布于靶组织上，或将液氮置于特殊喷射瓶内，对准病变喷洒。液氮接触表面温度较高的靶组织时，迅速沸腾，带走大量热量，引起组织内温度急剧降低。此法多用于皮肤等表浅部位的肿瘤，或用于开放性手术过程，对不能切除的肺、肝等器官表浅的肿瘤进行冷冻[2]。

闭合式冷冻即探针冷冻，致冷原（冷媒）不直接接触靶组织，而是在闭合系统内，引起探针顶端温度急剧降低。目前有两种闭合式致冷系统，即液氮系统和氩氦系统。

液氮冷冻系统

数十年来，陆续有多种液氮冷冻机问世并应用于临床治疗。20世纪70年代中期，英国生产的LCS型液氮冷冻机，是一种可弯曲的导管式液氮冷冻机，应用此设备能较好作靶区定位，但仍无法精确控制温度和冷冻区的大小；80年代中期，美国CMS公司和德国ERBE公司相继生产了插入式液氮低温冷冻机，促进了冷冻技术的发展。

目前应用的液氮冷冻设备主要为压力式液氮冷冻机，其制冷的工作压力由气泵产生。探针由3根同心长管组成（图2.1-1）。内层管用于输注液氮进入探针顶端，内层和中层管之间的间隙用于气化的氮气从探针顶端回流，外层和中层管的间隙是真空绝缘层，用于防止液氮输送过程中热量进入过早地沸腾。探针顶端是一空间相对大的“室”，液氮从内层管进入此室，气化的氮气再从此室回入内层与中层管的间隙中。液氮在探针尖端“室”内沸腾，从探针周围吸收热量，使局部冷冻。只要液氮快速通过探针顶端并维持沸腾状态，则探针顶端周围温度便维持液氮的沸点温度（-196℃）[2,3]。

图2.1-1 CMS Accuprobe System 450液氮冷冻机和配备的冷冻探针
    （引自：Baust J，et al．Cryobiology，1997；34：373～384）
    压缩液氮通过热交换系统，进入冷探针，在尖端产生超低温.液氮在探针内保持液态，回入控制器内（右图）

压力式液氮冷冻设备具有下列特点：

• 液氮价格相对低廉；液氮泵将液氮输注到探针的制冷头端可回收使用，节省了冷源的消耗
• 可同时应用6根冷冻探针，缩短治疗时间
• 可分别对每根探针设置不同的冷冻温度，并进行温度监控
• 可使靶组织内温度降至-196℃的绝对低温，降温速度为-160℃/min
• 系统配有6根温度测量探针，能精确地进行温度监测，判断冷冻范围
• 冷冻与解冻所需的工作压力会自动调节；自动解冻，无需加热
• 探针可耐134℃的高温消毒，可重复应用；探针真空绝缘，防漏气，保证了治疗的安全性
• 冷冻过程由软件控制，所有探针的实际温度及所设置的温度均能清晰地在显示屏上显示
• 系统轻巧，操作中移动灵活，即使是在需要补充氮气的情况下也无需停止手术

该设备冷冻探针按头部形状有尖头或尖头弯曲探针，直径有3.2mm、5mm、10mm多种；扁平头冷冻探针与浆式冷冻头探针直径分别为25mm和50mm。这些冷冻探针既可用于术中冷冻，又可用于经皮冷冻。

当3.2mm探针的温度降到-195℃时，在探针周围能形成直径为22mm的冷冻区。在此区域内的等温线中部可测量到-50℃或更低的温度。同时使用2根或多根探针可以获得更大的冷冻区域。对直径不足2cm的肿瘤通常插入1根探针于病灶中心，2～5cm的肿瘤至少插入3根探针；对直径超过5cm的肿瘤有时需要4~5根探针。

扁平或浆式冷冻探头用于局部肿瘤切除后，对切除组织边缘进行冷冻处理，以清除残存瘤组织，预防复发。这种特殊探针是其他冷冻设备所没有的。

液氮冷冻仪的缺点：需要液氮输出和回收，因此设备体积较大，使用不便；穿刺探针较粗，组织损伤大；冷冻速度慢，靶区冷冻不完全。

氩氦冷冻系统

该系统以氩气为冷媒、氦气为热媒。冷冻原理是根据Joule-Thomson定律：常温高压气体突然释放进入低压区后，可在局部产生温度急剧变化。氩氦冷冻系统即根据此原理，利用氩气快速降温，利用氦气快速升温。

氩氦冷冻系统的关键技术集中于冷冻探针，在中国习称为“氩氦刀”（图 2.1-2）。探针直径2~8mm 不等。针杆内有盘形进流管，管道外有翅形换热器，针尖有温差电偶测温器和节流喷嘴。高压氩气或氦气通过传输管进入针杆，高速通过进流管，从节流喷嘴释放，进入容积相对较大的膨胀区，高压急剧降至常压，从而产生急速降温或升温的绝热节流效应。降至常压的气体通过进流管外的翅片返回并释放于大气中。节流后的氩气可通过翅形换热器，促进进流管内氩气的温度进一步降低（图 2.1-3）。上述氩气的降温和氦气的升温均在极短时间内发生，一般在数十秒内氩气可使针尖温度降至-165 ℃，氦气使温度升至40℃。

氩氦冷冻系统的应用标志冷冻原从液态发展到气态，这使得有可能大大减少冷冻探针的直径。超细探针不仅可直接经皮穿刺或经内镜置入靶组织内，而且可按靶组织大小、形状多根同时采用。

        A B C
        图 2.1-2 氩氦冷冻探针
        A/B．不同规格的Endocare 冷冻探针；C．冷冻探针前端结构剖面

        图2.1-3 氩氦冷冻探针的结构

目前有美国Endocare和以色列Galilmedical公司生产氩氦冷冻系统。美国Endocare公司生产的氩氦冷冻治疗系统（Endocare Cryocare System）由控制主机和4或8根冷冻探针（“氩氦刀”、“超导刀”）组成（图2.1-4）。探针中空，有2mm、3mm、5mm、8mm多种直径。气体输出功率的调控范围为0~100%，可按需要选择。配备的氩气容器的最大压力为6000Psi，产生冷冻效应所需的压力范围是2500~6000Psi。降温和升温速度、时间和温度、冰球大小与形状，可预先精确设定或自动控制。应用不同直径的冷冻探针，在冷冻过程的不同时间，可产生不同大小和形状的冰球（图2.1-5，2.1-6，2.1-7）。调节氩气输出功率也可产生不同大小的冰球。当输出功率为100%时，2mm、3 mm、5 mm、8 mm直径的冷冻探针，可分别产生最大直径范围为2 ~ 3cm，5 ~ 6cm，7 ~ 8cm，9 ~ 10cm的冰球；当输出功率为50 %时，则分别产生最大直径范围为1 ~ 1.5cm，2.5 ~ 3cm，3.5 ~4cm，4.5 ~ 5cm的冰球。

        A                              B
        图2.1-4 氩氦冷冻治疗系统（Endocare Cryocare System）
        A．氩氦冷冻主机和探针；B．冷冻指标显示屏

        A                              B                              C
        图 2.1-5 不同直径的冷冻探针形成不同大小的冰球示意图
        A．1.7mm 探针；B．2.4mm探针；C．3.8mm探针

        图2.1-6 不同直径的冷冻探针产生的不同的低温

        A                                B                               C                               D
        图2.1-7 1.5mm冷冻探针冷冻不同时间形成的冰球
        A．冷冻5分钟后形成直径约为1.5cm的冰球; B．8分钟后形成直径约为2.0cm的冰球;
        C．10分钟后形成直径约为3cm的冰球; D．15分钟后形成冰球的直径约为3.5cm

与液氮冷冻系统相比，氩氦冷冻系统有下列特点。

• 可调控温度范围大（40℃~-165℃），降温速度比液氮冷冻更快（图 2.1-8）
• 氩气、氦气为正常空气中含有的惰性气体，在刀尖内释放后可自行排出，无需回收
• 冷冻探针直径较细，冰球仅出现于针尖，针杆不会被冷冻，不易损伤穿刺路径上的组织（图 2.1-9）
• 在系统中引入了氦气热效应系统。氦气在针尖内急速释放，几秒内即可使靶组织急速复温或升温，通过热效应杀伤瘤细胞
• 冷冻与复温均在主机液晶显示屏上明确显示。每一根冷冻探针的针尖温度均显示为温度曲线，从而使操作者能及时了解靶组织内冷冻过程
• 温差电偶直接安装在针尖，可连续监测靶组织内的温度
• 配有多达8根独立的温差电偶测温计，主要用于监控冷冻边缘区的温度，既可保证有效冷冻区的建立，又可预防损伤不应冷冻的重要的邻近器官或组织

        图2.1-8 氩氦冷冻系统降温速度与液氮降温的比较

        A                                             B
        图 2.1-9 液氮冷冻和氩氦冷冻形成的冰球
        A．液氮冷冻针杆部有结冰，而氩氦冷冻的冰球只限于探针顶端；B．氩氦冷冻探顶端的冰球

美国Endocare 公司生产的氩氦冷冻设备尚具有下列特点：（1）形成的冰球较大，3根3mm冷冻探针可产生7.5cm×6.5cm×6.5cm 大小的冰球；（2）节约气体，氩气的有效工作压力为1000~2000 psi（磅/平方英寸）；（3）冷冻探针可多次使用。

以色列Galilmedical公司生产的氩氦冷冻设备（Seedsice, seednet Cryotherapy, Cryo-Hit）（图2.1-10），与Endocare氩氦系统具有相似的技术原理，但配置上有其特点：（1）标准冷冻探针型号多（包括1.47mm、1.5mm 、2mm、3mm等多种直径），顶端呈圆头/尖头；直径5mm，顶端尖锐和45o角弯曲圆钝；顶端直径为5mm、8mm的半球形；（2）主机有三种型号，可分别连接5根直径2mm以上、25根直径1.5mm和30根直径1.47mm以上的冷冻探针； （3）备有5个独立外置式温度探针，用于实时监测靶组织内温度； （4）部分标准冷冻探针设计与MRI兼容，可在MRI室内使用。

但Galilmedical 冷冻系统所需氩气工作压力较大（4000psi）；冷冻探针仅能一次性使用；形成的冰球相对较小。

A	Ba	Bb

图 2.1-10 “Cryo-Hit”主机和冷冻探针
        A．主机；B．冷冻探针：Ba上图示直径2~5mm顶端尖锐和圆钝、8mm顶端半球状的探针；Bb上图示直径1.5mm顶端尖锐的探针；Ba下图示1.47mm尖头细探针；Bb下图示尖头温度传感器探针，直径为1.5mm

冷冻温度的监测

长期以来，困扰冷冻治疗的因素之一是在冷冻过程中的温度监测问题。只有准确地测出形状特不规则的靶区内冷冻的温度及范围，了解冰球的延伸状况，从而确定“有效冷冻区”（温度低于-40℃），才有可能准确而有效地实施冷冻治疗。有选择性地冷冻在肿瘤治疗中极具意义，它既能在病变区充分冷冻，以完全破坏肿瘤细胞；又可防止冷冻范围过大，避免过多伤及健康组织，导致严重并发症。

直接监测温度的方法有下列两种

电阻法

20世纪70年代末，Le Pivert提倡用此法监控冷冻过程，其原理是：当组织被冷冻时，其电流传导能力下降，电阻值增加。测量时，将电阻针插入靶组织内，根据电阻值改变可判断温度的变化。但此法需将多根电极插入组织中，测定的数据仅限于局部较小范围，灵敏度也不高，因此未获推广应用。

温度传感器法

常用温差电偶，可快速反映温度变化。温差电偶是唯一适合于实时监测冷冻温度的设施，它由铜/铜-镍合金构成，装在一50mm长0.8mm直径的注射针样探针顶端，其内有一组不同的传导器，构成闭合电路。当温差电偶的金属面临温度变化时，电路内电势产生。电势大小与温度变化成正比，根据电压变化就可测定温度改变。温差电偶测定的温度误差不足0.1 ℃，反应温度变化时间短于0.3秒钟。温度资料可显示在装备有温差电偶扫描器的数字万用表上，再通过与其相连的电脑，可实时显示温度变化曲线，并储存记录温度资料。

一些冷冻设备备有4~8根独立的外部测温探针，测温时将其插入与冷冻探针不同距离的部位，可对冷冻过程进行实时温度监测。氩氦冷冻系统将温差电偶直接安装在冷冻探针尖端，可十分方便地实时监测温度改变（但仅能监测冷探针周围的温度，对周边区温度的监测仍需外插温差电偶计），这对确定“有效冷冻区”十分重要。

冷冻过程的监控

常用于监控冷冻过程的方法有超声、CT或MRI。超声的优点是能准确监测冷冻后的组织，实时成像，多角度探测和引导定位，使用方便，易于携带。CT能二维成像显示冰球，所测的冰球大小形状和与组织学证实的坏死区基本一致。但CT不便于实时引导穿刺及冷冻定位。超声与CT结合应用为一有效的手段：超声应用于定位穿刺，而CT用于冰球形成的监测。MRI系统具有对温度高敏感性和三维成像优点，较CT更明显而准确地区分冷冻区与周围组织，已越来越多地用于冷冻治疗过程的监控。应用开放式MRI，将冷冻探针直接与红外线照相机偶联，可实时监测冷冻区的大小、形状和演变过程，尤适用于经皮冷冻治疗（详见“2.5 影像技术在冷冻治疗中应用”）。

结语
现代冷冻治疗学的建立得益于冷冻工程学的发展。液氮和氩气是目前两大主要致冷原；按Joule-Thomson定律设计的氩氦冷冻系统是当前最先进的冷冻治疗设备；以超声、CT 和MRI 为代表的影像设备和技术使冷冻疗法进入微创治疗领域。