消融系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及消融技术领域，特别地涉及一种消融系统及其控制方法。


背景技术：

2.消融系统中常用的低温液态工质，例如液氮，一般存储在压力容器中，其外部设置有真空层和自增压管路，通过自增压管路的管壁与外界产生热交换而汽化，使体积剧烈膨胀，从而实现压力容器的自增压以向消融器械中输送低温液态工质。在输送过程中，低温液态工质在管路中流动时不可避免地存在湍流的现象，其会影响液态工质的流动性，从而影响低温液态工质的利用率。


技术实现要素：

3.本发明提供一种消融系统及其控制方法，用于降低液态工质流阻，以提高其流动性，从而提高液态工质的利用率。
4.根据本发明的第一个方面，本发明提供一种消融系统，包括低温单元，所述低温单元包括：依次相连以形成闭合回路的常压冷罐、消融器械以及储气罐，其中，所述常压冷罐和所述储气罐之间设置有常温泵机构，所述常温泵机构用于压缩所述储气罐中的气态工质并输送至所述常压冷罐中以驱动低温液态工质向所述消融器械中流动；其中，所述常温泵机构在输送工质时，所述储气罐和所述消融器械内均形成负压环境。
5.在一个实施方式中，所述常温泵机构包括隔膜泵。
6.在一个实施方式中，所述低温单元还包括：冷热交换器，其分别与所述储气罐和所述消融器械的回流路径相连，所述冷热交换器用于使所述消融器械的回流路径出的液态工质进行热交换，所述储气罐接收所述冷热交换器中经过换热后的气态工质；以及相分离器，其分别与所述常压冷罐和所述冷热交换器相连，所述相分离器用于分离所述常压冷罐中输出的低温液态工质中的气体，并将其输入所述冷热交换器中进行热交换。
7.在一个实施方式中，还包括控制单元，所述控制单元包括控制器以及与所述控制器相连的电控调压阀，所述电控调压阀为常温阀；所述电控调压阀设置在所述常温泵机构的上游侧，所述控制器可控制所述电控调压阀输出侧的压力增加或降低，以使所述常压冷罐中的压力增加或降低；其中，所述电控调压阀输出侧的压力超过阈值时，所述电控调压阀自动泄压。
8.在一个实施方式中，所述常压冷罐中设置有至少一个隔板，所述隔板用于使所述常压冷罐内部形成温度分层。
9.在一个实施方式中，还包括微波单元，所述微波单元包括设置在所述消融器械的进流路径中的微波针，且所述微波针位于所述消融器械的换热区域内；
在一个实施方式中，所述微波针用于在所述常压冷罐向所述消融器械的进流路径中输入低温液态工质的低温操作期间，对目标区域进行微波输出加热；或者在所述常压冷罐向所述消融器械的进流路径中输入低温液态工质的低温操作完成后，对目标区域进行微波输出加热。
10.在一个实施方式中，所述微波单元还包括设置在所述消融器械的接口处的射频连接器，所述射频连接器与所述微波针通过线缆相连。
11.在一个实施方式中，所述控制单元还包括：冷阀，其设置在所述消融器械的回流路径与所述冷热交换器相连的管路上，用于控制所述消融器械向所述冷热交换器的回流；以及相分离阀，其设置在所述相分离器与所述冷热交换器相连的管路上。
12.所述常压冷罐上分别设置有安全阀、压力表、手阀、放气阀、压力传感器和液位计，所述放气阀、所述压力传感器和所述液位计分别与所述控制器相连。
13.根据本发明的第二个方面，本发明提供一种消融系统的控制方法，包括以下操作步骤：使所述常温泵机构抽吸所述储气罐内的气态工质，以将气态工质进行压缩后输出至所述常压冷罐中；使所述常压冷罐中的液态工质在压差作用下输入至消融器械的进流路径中以进行低温操作；在进行低温操作期间或者在低温操作完成后，使所述消融器械中的微波针对目标区域进行微波输出加热。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于，储存低温液态工质的冷罐为常压冷罐，并通过常温泵机构向其输入压缩气体来增加其内部的压力；其中，常温泵机构在输送工质时，储气罐和所述消融器械内均形成负压环境，因此实现“前推后拉”式的压力输送，从而可减少甚至消除液态工质的湍流现象，使得液态工质能够以粘滞流态进行流动，从而降低液态工质的流阻，其流动性得以提高，即可提高液态工质的利用率。此外，负压环境可使液态工质的相变温度更低，有利于消融器械前端针尖部分实现更低的温度。
附图说明
15.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
16.图1是本发明的实施例中消融系统的低温单元的结构框图；图2是本发明的实施例中消融系统的低温单元和控制单元的连接框图；图3是本发明的实施例中消融系统的低温单元、控制单元和微波单元的连接框图；图4是图1所示常压冷罐的结构示意图。
17.附图标记：100-低温单元；110-常压冷罐；120-消融器械；130-储气罐；140-常温泵机构；150-冷热交换器；160-相分离器；161-连接头；170-过滤器；180-压力开关；181-放气口；111-安全阀；112-压力表；113-手阀；114-放气阀；115-压力传感器；116-液位计；117-隔板；118-输出管
101-输出主管路；102-回流管路；103-输入主管路；104-抽气管；105-分离管路；200-控制单元；210-控制器；220-电控调压阀；230-冷阀；240-相分离阀；250-针阀；260-上位机；270-显示器；300-微波单元；310-微波针；320-固态源；330-输出控制器；340-隔离变压器。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
19.根据本发明的第一个方面，如图1、图2和图3所示，本发明提供一种消融系统，包括低温单元100、控制单元200和微波单元300。其中，如图1所示，低温单元100包括依次相连以形成闭合回路（如图1中粗实线所示）的常压冷罐110、消融器械120以及储气罐130，其中，常压冷罐110和储气罐130之间设置有常温泵机构140，常温泵机构140用于压缩储气罐130中的气态工质并输送至常压冷罐110中以形成低温液态工质。其中，常温泵机构140在输送工质时，储气罐130和消融器械120内均形成负压环境。
20.如图1所示，常压冷罐110的输出侧与消融器械120中的进流路径（未图示）通过输出主管路101相连，消融器械120的回流路径通过回流管路102与储气罐130相连，常温泵机构140的前端通过输入主管路103与常压冷罐110相连，常温泵机构140的后端通过抽气管104与常压冷罐110相连。由此，输出主管路101、回流管路102、输入主管路103以及抽气管104形成工质的循环回路。
21.因此，当常温泵机构140工作时，输出主管路101、输入主管路103、常压冷罐110以及消融器械120的进流测为高压侧；回流管路102、抽气管104、消融器械120的回流侧以及储气罐130则为低压侧。
22.本发明中通过常温泵机构140抽吸储气罐130中的气态工质（例如，氮气）进行压缩，压缩后的气态工质输入至常压冷罐110中，常压冷罐110中的压力增加，压力驱动液态工质（例如，液氮）流入输出主管路101，并进入消融器械120的进流路径中进行低温操作。在常温泵机构140的抽吸作用下，储气罐130内部形成负压环境，由于其与消融器械120的回流侧相连，因此使消融器械120的内部也形成负压环境。产生此负压环境的作用主要有以下几点。
23.第一，形成“前推后拉”式的压力输送。具体来说，“前推”即气态工质经过常温泵机构140的压缩沿输入主管路103输入至常压冷罐110中，会使常压冷罐110的压力增加，从而作用于常压冷罐110的低温液态工质，使其沿输出主管路101向消融器械120进行流动；“后拉”即常温泵机构140通过抽气管104抽吸储气罐130中的气态工质，储气罐130的内部形成负压环境，从而作用于消融器械120的回流侧输出的液态工质，使其沿回流管路102向储气罐130进行回流，因此输出主管路101、回流管路102以及输入主管路103形成工质的循环回路中可形成“前推后拉”式的压力输送，从而可减少甚至消除回流管路102中的液态工质的湍流现象，使液态工质能够以粘滞流态进行流动，从而降低液态工质的流阻，使其流动性提高。
24.第二，系统初始启动时，储气罐130内的真空环境可使液态工质在管路内流动时气
化而形成的气体排出，从而减少气阻，进一步提高液态供工质的流动性。
25.第三，输出主管路101中的液态工质可在低压的情况下进行传输，因此其相变温度更低，有利于消融器械120前端针尖部分实现更低的温度；并且由于减小了气阻，从而使得消融器械120前端针尖部分的温度降低到预定值后不会产生大幅（
±
10℃以上）的波动，即其达到低温预定值时更稳定，因此能够更快速地进入低温操作。
26.进一步地，由于消融器械120前端针尖部分的温度更低，那么系统低压范围内运行极限低温则会更低，因此低温操作的冻力更强，消融器械120中形成的冰球的生长速度更快、生长范围更大；同理，产生的-40℃的边界范围也更大。
27.根据流体力学，流体流动状态的判别可用克努曾数λ/d 或管路中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据，即λ/d《1/100，pd》1pa
•
m，则流体的流动状态可归入粘滞流态。
28.本发明中由于储气罐130内部和消融器械120的内部呈现负压状态，因此上述的管路中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd可以略大于1pa，显然该压力远小于一个标准大气压（101.325kpa），即本发明的液态工质是以粘滞流态进行流动。
29.由于在没有负压作用的情况下，流体在管路中流动时呈现湍流的现象，这种现象导致流体的流动受阻；并且在消融器械的温度降低到预定值时，其温度会产生大幅波动/反弹（例如从-196℃升高到-145℃），从而不利于低温操作的进行。本发明中储气罐130和消融器械120的负压状态，则有助于消除流体的湍流现象，使得流体的流向更统一，从而提高流体的流动性，并使消融器械120的温度达到更低的范围和保持更稳定的温度值。
30.综上所述，本发明通过使常温泵机构140的抽吸作用，使得储气罐130内部和消融器械120的内部呈现负压状态，从而使低温液态流体的湍流现象得以消除，低温液态流体能够以粘滞流态进行流动，从而提高流体的流动性，并可使消融器械120的温度达到更低的范围和保持更稳定的温度值。
31.因此通过设置常温泵机构140，本发明的用于液态工质可放置在常压冷罐110中，其在待机状态下是常压状态，相较于现有技术中通过设置复杂的自增压系统来使冷罐维持高压的方式，本发明的常压冷罐110的罐体结构更简单，漏热量也会大大减小，液氮的保存时间可相应地延长，并且也避免了高压保存的风险。
32.由于采用了常压冷罐110的形式，因此液态工质可以分离的方式实现灌装，从而可使常压冷罐110的体积控制在6-10l，便于移动和搬运，使系统实现小型化和轻量化。并且，在使用中，各连接管路也更简单轻便。
33.优选地，常温泵机构140包括隔膜泵，隔膜泵以压缩气态工质为动力，因此不会有油气等杂质混入工质中，也不会混入除气态工质之外的其他气体（例如空气），从而保证的工质的纯净性。
34.可选地，消融器械120可以是消融针、消融笔或消融枪等形式的器械。
35.低温单元100还包括冷热交换器150和相分离器160。
36.如图1所示，冷热交换器150设置在回流管路102上，其分别与储气罐130和消融器械120的回流路径相连，冷热交换器150用于使消融器械120的回流路径输出的液态工质进行热交换，储气罐130接收冷热交换器150中经过换热后的气态工质。
37.如上文所述，由于常温泵机构140的抽吸作用，储气罐130中形成负压环境，因此可大大降低甚至消除回流管路102中由于冷热交换器150形成的热阻效应，从而减少液态介质
在回流管路102中的流动阻力。
38.消融器械120的回流路径输出的液态工质为经过低温操作后的液态工质，其在冷热交换器150中与空气进行热交换，从而相变为常温的气态工质，则可输入至储气罐130中以继续向隔膜泵供气，从而实现单一工质的循环。其中，由于隔膜泵的压缩气量较大，因此可以将气态工质完全排空，从而使储气罐130的内部形成真空环境。
39.如图1所示，相分离器160设置在输出主管路101上，并分别与常压冷罐110和冷热交换器150相连，相分离器160用于分离常压冷罐110中输出的低温液态工质中的气体，并将其输入冷热交换器150中进行热交换。具体来说，相分离器160上可设置连接头161（例如螺纹连接头），其通过螺纹连接的方式与输出主管路101相连。
40.此外，相分离器160还与冷热交换器150通过分离管路105相连。图1中以虚线的方式示出了分离管路105。相分离器160可与分离管路105的一端通过焊接等方式进行连接，分离管路105的另一端则与冷热交换器150相连。
41.常压冷罐110中设置有至少一个隔板117，隔板117用于使常压冷罐110内部形成温度分层。由于常温气体在遇到低温液体时会遇冷凝结，从而会降低增压效率。因此通过在常压冷罐110内部设置隔板117，可形成物理的温度分层，从而降低常温气体冷凝的过程，以稳定常压冷罐110内的压力。
42.如图4所示，常压冷罐110中设置有多个隔板117，多个隔板117沿常压冷罐110的轴向间隔设置，并且其隔板117交错地与常压冷罐110的内壁相连，从而形成了“之”字型或“回”字型结构。
43.此外，常压冷罐110中还设置有用于输出液态工质的输出管118，输出管118的端部位于常压冷罐110的底部。当常压冷罐110中的压力增加时，液态工质在压力作用下被压入输出主管路101。
44.如图1所示，常温泵机构140的上游侧还设置有过滤器170，以对常温泵机构140泵送的工质进行过滤。
45.如图2所示，本发明的消融系统还包括控制单元200，控制单元200包括控制器210以及与控制器210相连的电控调压阀220，其中，电控调压阀220为常温阀。
46.电控调压阀220设置在常温泵机构140的上游侧，控制器210可控制电控调压阀220输出侧的压力增加或降低，以使常压冷罐110中的压力增加或降低。其中，电控调压阀220输出侧的压力超过阈值时，电控调压阀220自动泄压。
47.其中，在启动低温操作阶段，控制器210调整电控调压阀220输出侧的压力，例如大于0.4mpa，常温泵机构140抽吸储气罐130内的气态工质进行压缩，并输入常压冷罐110中。当消融器械120的温度达到设定温度（例如-196℃）后，控制器210根据消融器械120上温度传感器的反馈信号，控制电控调压阀220输出侧的压力降低，使常压冷罐110内压力降低，以逐步降低液态工质的流速，使消融器械120的温度稳定在设定温度即可，从而可减少液态工质的浪费，延长常压冷罐110中储存的液态工质的使用时间。
48.进一步地，控制器210通过调整电控调压阀220输出侧的压力，可将输出的液态工质的温度维持在-100℃、-140℃或-10℃等特殊温度（或上述温度附近的区间内），以满足不同的临床治疗的使用要求。
49.此外，输入主管路103上还设置有压力开关180（压力开关传感器），如图1所示，压
力开关180具有放气口181，当达到压力开关180设定的压力后，多余的气体从压力开关180的放气口181排出，此时液态工质可在整个系统内流动起来。
50.控制单元200还包括冷阀230和相分离阀240。冷阀230设置在回流管路102上，位于消融器械120的回流路径与冷热交换器150之间，用于控制消融器械120向冷热交换器150的回流。
51.由于冷阀230设置在系统闭合回路的后端（回流管路102），而在系统闭合回路的前端（输出主管路101）并未设置冷阀，因此冷阀230不参与系统运行前期降温吸热过程，从而可增加消融器械120的降温速度。
52.当系统开始运行时，常温泵机构140开启，冷阀230开启，由于常压冷罐110的体积较小，因此其内部的压力很快即可满足输出要求。
53.相应地，由于输出主管路101上没有大质量的阀门，因此可采用壁厚较小（例如，0.15mm）的细毛细管，使得输出主管路101的漏热量极小，可以快速将液态工质输送到消融器械120的换热区域，实现快速降温。
54.相分离阀240设置在分离管路105上。在液态工质的输送过程中，控制器210控制相分离阀240间歇性开启，以排出初始漏热形成的气体。
55.此外，分离管路105上还设置有针阀250（手阀），可通过手动开启针阀250来排出漏热形成的气体。
56.输出主管路101和回流管路102的外部均可包覆低温绝热材料，以减少漏热量，降低液态工质的热阻，达到快速降温的目的。
57.如图1所示，常压冷罐110上分别设置有安全阀111、压力表112、手阀113、放气阀114、压力传感器115和液位计116，其中，放气阀114、压力传感器115和液位计116分别与控制器210相连。控制器210根据压力传感器115和液位计116的数据，分别控制放气阀114、隔膜泵和电控调压阀220执行相应的操作。
58.除冷阀230之外，本发明的消融系统中其他阀门均为常温阀门，因此可减少设计和选型的难度，可降低系统的成本、提高维护性和可操作性。
59.如图2所示，控制单元200还包括与控制器210相连的上位机260以及与上位机260相连的显示器270。图2中虚线为控制单元200中各部件与低温单元100中各部件之间电性连接的示意。
60.优选地，本发明的消融系统通过微波加热的方式来进行高温操作。如图3所示，本发明的消融系统还包括微波单元300，微波单元300包括设置在消融器械120的进流路径中的微波针310，并且微波针310及其上连接的电缆与进流路径同轴设置，其不会干涉回流路径，因此不会影响液态工质的输出。此外，微波针310位于消融器械120的换热区域内，以进行高温操作。
61.进一步地，由于消融器械120中的液态工质，例如液氮为非极性分子，因此不会吸收微波，从而可将微波针310（包括发射极）完全浸没在消融器械120的进流路径中的液态工质中，则既不会降低微波的发射效率，又可以冷却微波针310，降低其表面的温度，避免微波过热焦化。
62.可选的一个方案为，在常压冷罐110向消融器械120的进流路径中输入低温液态工质的低温操作期间，微波针310对目标区域进行微波输出加热。由于微波针310位于消融器
械120的进流路径中，因此通过输出主管路101向该进流路径中输入低温液态工质时，可使微波针310略微冷却，避免微波过热焦化。
63.另一个可选的一个方案为，在常压冷罐110向消融器械120的进流路径中输入低温液态工质的低温操作完成后，微波针310对目标区域进行微波输出加热。此外，通过微波针310进行微波加热，其加热响应时间短，因此可缩短整体操作时间；并且由于没有其他介质的切换，加热在低温操作完成后即可执行，从而使低温操作和高温操作在一次循环中即可完成，从而可减少整体操作时间。
64.此外由于使用单一工质进行操作，从而使系统的维护更简单。
65.在本发明的该方案中，并未采用向消融器械120中输入传统的热工质（例如无水乙醇等）来进行高温操作，而是通过微波针310来进行微波加热，以使目标区域升温。由于省略了多种工质之间的切换操作，而是通过微波针310来进行微波加热，因此低温操作完成后可立即执行高温操作，因此可减少操作时间。
66.此外，与传统的热工质进行高温操作相比，本发明采用微波输出加热的方式进行高温操作，其输出的能量密度更大。
67.如图3所示，微波单元300还包括设置在消融器械120的接口（可以是机械接口或电气接口）处的射频连接器、固态源320、输出控制器330和隔离变压器340。射频连接器与微波针310通过线缆相连。
68.根据本发明的第二个方面，本发明提供一种消融系统的控制方法，具体地，本发明提供一种消融系统的工质循环控制方法；更具体地，本发明提供一种消融系统在测试阶段的工质循环控制方法。因此，可以理解地，本发明的消融系统的控制方法是应用于消融系统的测试阶段，而不涉及临床应用阶段。
69.本发明提供一种消融系统的控制方法包括以下操作步骤：s1：系统开始运行，放气阀114关闭，常压冷罐110封闭，常温泵机构140开启，冷阀230开启。
70.s2：使常温泵机构140抽吸储气罐130内的气态工质，以将气态工质进行压缩后输出至常压冷罐110中。
71.s3：使常压冷罐110中的液态工质在压差作用下输入至消融器械120的进流路径中以进行低温操作；s4：在进行低温操作期间或者在低温操作完成后，使消融器械120中的微波针对目标区域进行微波输出加热。
72.下面以具体的实施例为例对本发明的消融系统及其控制方法进行详细地说明。
73.实施例1首先执行低温操作。
74.系统开始运行，放气阀114关闭，使常压冷罐110封闭。常温泵机构140开启，冷阀230开启。
75.控制器210使电控调压阀220输出侧的压力大于0.4mpa。
76.常温泵机构140抽吸储气罐130内的气态工质，以将气态工质进行压缩后输出至常压冷罐110中。常压冷罐110中压力增加到大于0.4mpa。
77.常压冷罐110中的液态工质在压差作用下输入至消融器械120的进流路径中以进
行低温操作。
78.由于常温泵机构140的抽吸作用，在储气罐130内产生10~1pa左右的低真空度，并作用到消融器械120的后端，使消融器械120进流路径和回流路径上的压差可以达到0.5mpa左右，从而可增大液态工质的流速。相应地，上述低真空度可减小消融器械120的回流路径以及回流管路102中液态工质的湍流形式，使液态工质以粘滞流态进行流动，从而降低流阻，并增加其流动性。
79.消融器械120中低温液氮沿回流路径被压差压出，进入冷热交换器150进行热交换，气体的体积扩张600倍左右，继续向常温泵机构140供气。
80.在低温操作期间，可逐步降低电控调压阀220输出侧的压力，以避免液态工质的浪费。
81.在低温操作结束后，控制器210降低电控调压阀220输出侧的压力，输出控制器330启动微波针310在冷冻区内进行微波加热。输出控制器330发出微波加热命令，由输出控制器330控制固态源320以50w功率输出微波，以进行加热。
82.因此本实施例为低温操作结束后执行高温操作的示例。
83.实施例2系统开始运行时与上述实施例1类似，所不同的是，控制器210降低电控调压阀220输出侧的压力，使液态工质的温度保持在例如-10℃的特殊温度（或其附近的温度区间），以满足手术锚定针管的要求。
84.消融器械120上温度传感器反馈温度信号，使液态工质的温度能够满足冷却微波针310即可。输出控制器330启动微波针310在冷冻区内进行微波加热。输出控制器330发出微波加热命令，由输出控制器330控制固态源320以80w功率输出微波，持续15min，可以形成40
×
55mm大小的热疗范围。
85.由于液态工质的冷却质量较大，可以控制微波针310针尖部分的温度较低，从而有效减少微波过热焦化。
86.因此本实施例为单种加热的示例。
87.实施例3系统运行时，控制器210调节电控调压阀220输出侧的压力达到0.4mpa，以进行低温冷冻操作。低温冷冻操作持续20分钟后，由于消融器械120后端的低压压差，使得消融器械120前端的极限温度更低，可使得冰球生长到5
×
6cm大小。
88.随后控制器210降低电控调压阀220输出侧的压力，使液态工质的流速降低。根据消融器械120上的温度传感器反馈的温度信号，当温度低于-10℃时，控制器210控制放气阀114打开，则可将常压冷罐110内的压力控制在0.1mpa范围内。
89.控制器210降低电控调压阀220输出侧的压力至不大于0.1mpa的范围内，以满足冷却微波针310的需求。
90.输出控制器330启动微波针310在冷冻区内进行微波加热。输出控制器330发出微波加热命令，由输出控制器330控制固态源320以80w功率输出微波，以在冰球内部进行加热。
91.微波加热在5分钟内完成，此时整个冰球影响范围的外部温度并没有降低，但内部已产生80℃以上的高温。因此进行热操作时，产生了冰球包裹热消融的效果。
92.本实施例中，先冷冻后加热的形式，可减少单纯加热带来的组织脱水收缩对其他区域的拉扯位移的现象。
93.因此本实施例为冷热复合且在消融器械120形成的冰球内部加热的示例。
94.实施例4系统运行时，可以同时进行低温和加热输出。增大微波加热功率，并控制低温输出降微波针310温度的同时，可以在微波针310的周围形成一定的低温区域，由此可将中心范围保持在低温范围。由于微波的穿透效应，可以穿出冰球所控制的低温范围而将该低温范围之外的部分进行加热，从而形成外部80℃、内部-20℃的外热内冷的效果。因此本实施例4可以实现消融外部、保护内部组织的特殊形式。
95.控制器210降低电控调压阀220输出侧的压力，可同样控制冷量的输出，也可以减少在微波大功率输出情况下，微波针310中心部温度过高的现象。
96.因此本实施例为冷热复合，在热主导下，保持目标区域中心低温。
97.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。