焦耳-湯姆遜效應臨床應用及研究價值分析

徐志榮 徐 汀 李 晶 張良才 張衛東

①成都軍區昆明總醫院醫學工程科 云南 昆明市 650032

②云南大學物理科學與技術學院 云南 昆明市 650033

1 焦耳-湯姆遜效應

氣體通過多孔塞時所發生的溫度變化現象，也可泛指較高壓強氣體經過多孔塞、毛細管、節流閥等裝置降為低壓氣體時發生的溫度變化現象。

1852年，焦耳和湯姆遜（Joule-Thomson Principle）設計了一個節流膨脹實驗，使溫度為T1的氣體在一個絕熱的圓筒中由給定的高壓p1經過多孔塞(如棉花、軟木塞等)緩慢地向低壓p2膨脹。多孔塞兩邊的壓差維持恒定。膨脹達穩態后，測量膨脹后氣體的溫度T2。他們發現，在通常的溫度T1下，許多氣體(氫和氦除外)經節流膨脹后都變冷(T2＜T1)。如果使氣體反復進行節流膨脹，溫度不斷降低，最后可使氣體液化。人們稱它為焦耳-湯姆遜效應，也稱為節流效應。焦耳-湯姆遜效應是一種等焓的絕熱不可逆過程。它表示氣體在初態時的焓H1=U1+p1V1等于在終態時的焓H2=U2+p2V2（U1、p1、V1及U2、p2、V2分別為氣體在初態及終態時的內能、壓強及體積），但在中間經歷的狀態均不是平衡態，對于這些中間狀態，不能用H=U+pV來表示。理想氣體在節流前后的溫度不變，實際氣體的溫度可升高也可降低，其升溫降溫的范圍隨氣體種類不同而有很大差異，其溫度改變情況通常利用由實驗測出的在T-p圖中的等焓線求出。圖中一條條接近水平的曲線表示了某種氣體的等焓線。每一條等焓線上的焓值均相同。節流過程中只要能定出初態時的溫度、壓強及終態時的壓強，即可由所對應的等焓線確定終態的溫度。T-p圖中等焓線的斜率稱為焦耳-湯姆遜系數，以μ表示：

圖1 等焓線的T-p

圖1中任一條等焓線的最高點處的μ=0，把這些點聯結起來的曲線稱為轉換曲線。在轉換曲線以內的區域μ＞0，稱為節流致冷區；轉換曲線以外區域μ＜0，稱為節流致熱區。轉換曲線中溫度最高的那一點的溫度稱為轉換溫度。節流膨脹設備十分簡單，無運動系統，節流膨脹致冷是在致冷流程中廣為使用的一種降溫手段。

2 氬氦刀工作原理

氬氦刀基于物理學焦耳-湯姆遜原理，當氣體通過一個狹小的孔路（焦耳-湯姆遜孔），從較高壓力的區域流入較低壓力的區域時，它將被節流。大多數氣體遭遇節流后溫度將下降，而某些氣體，例如氫氣和氦氣，溫度反而上升。

氬氦刀的每個通道分配器控制氬氣閥和氦氣閥。分配器將氬氣限壓在大約2800 psi后供給冷刀，在冷刀尖通過一個直徑很小的微孔（焦耳-湯姆遜孔），迫使氣壓急劇下降到大約150 psi。如此壓降將造成氬氣溫度下降和在冷刀尖形成冰球（冷凍模式）。當1000 psi氦氣通過焦耳-湯姆遜孔時，將使氣體溫度上升（加熱模式）。

氬氦刀的結構（如圖）特點：（1）高壓氣體噴射進刀尖內氣室產生低溫；（2）低壓回氣在刀內折返，釋放剩余冷量；（3）刀尖內置測電偶實時測溫，監控靶區溫度；（4）致冷和致熱只發生在刀頭內，刀桿真空絕熱。

針對各種人體組織的一系列試驗證明， 冷凍速率和最終冷凍溫度是影響腫瘤細胞死亡率的兩個關鍵因素。當冷凍速率達到25 ℃/min以上，最終溫度達到-20～-40 ℃時，才能有效殺滅腫瘤細胞。

3 臨床應用優勢

氬氦刀屬微創治療，出血也少，5 cm病灶一般要冷凍7 cm直徑，基本上可以達到手術切除的效果，但較大且不規則的病灶，“冷切”效果不如手術徹底。對不具備手術切除條件者，則有獨到之處。氬氦刀療效確切，屬于物理性治療，治療期限短，一般一次治療，觀察2～3 d即可出院，因而非治療性開支少。氬氦刀不是真正意義上的手術刀，只是一根中空的不銹鋼針，“氬氦刀”實質是冷凍+熱療治療腫瘤，當氬氣在針尖內急速釋放時，可在十幾秒內冷凍病變組織至-120～-165 ℃；當氦氣在針尖急速釋放時，將產生急速復溫和升溫，快速將冰球解凍，消除腫瘤。而且，降溫和升溫的速度、時間和冰球大小與形狀，都可以精確設定和控制。另外，該方法能迅速減輕腫瘤負荷，直徑小于4 cm的腫瘤可減輕負荷95%以上，直徑大于5 cm的腫瘤可減少80%以上負荷，較小腫瘤可達根治效果，延長患者生存期。氬氦刀沒有化療和放療帶來的副作用，可用于肺癌、肝癌、前列腺癌、腎癌、乳腺癌等治療。

圖2 氬氦刀的結構剖面圖

目前，這項技術已在50多家醫院推廣應用。由于這項技術只在刀尖冷凍和加熱治療腫瘤，對患者損傷小、出血少、并發癥少、恢復快、可重復治療，也可與化療、放療或手術療法相結合。它具有操作簡單、靶向性強、適應癥廣、治療中靶區可以適時監測，術后可以立即評價，腫瘤消融效果確切等優勢。2～10 cm的腫瘤多數可一次治療達到局部消融的目的，它是繼射頻、微波、激光、超聲聚焦刀、伽瑪刀、X-刀、中子刀之后又一新的腫瘤局部治療手段，這項新技術的規范化治療程序已為腫瘤患者提供了一種新的理想選擇。氬氦刀術中定位準確，術中B超監測方便，實體腫瘤手術切除前對腫瘤組織進行超低溫冷凍，瘤組織在冷凍狀態下被切除是目前較理想的無瘤手術方法。同時有臨床報告資料顯示，術前對肺腫瘤組織實施冷凍，術后可以明顯提高病人的免疫功能。與沒有冷凍切除的對照組相比，腫瘤轉移和復發率減低，病人存活期延長。氬氦刀對病人的創傷小，恢復快治療腫瘤多數不會對臟器的正常功能造成嚴重影響，可以在B超，腹腔鏡，胸腔鏡的引導下開展微創外科手術治療，也可以在B超，CT、MR，X線模擬定位機及X線透視引導下經皮穿刺實施靶向冷凍治療。氬氦刀可以增強綜合治療的臨床效果，局部治療后亞臨床病灶的處理以及局部治療后全身治療如何選擇是腫瘤臨床的重要問題。全身治療療效有賴于局部腫瘤負荷的消除，局部治療療效的維持也有賴于全身治療的配合。氬氦刀治療能夠快速消除局部腫瘤負荷，可以極大的提高化療，免疫治療，中藥治療及放射治療的效果，為臨床開辟了新的治療和研究途徑。

4 價值分析

傳統的低溫冷凍治療由于靶向性差、局部復發率高，主要用于中晚期腫瘤的姑息性治療。氬氦刀的出現，改變了對傳統低溫腫瘤治療方法的認識。氬氦刀最佳治療效果：冷凍速率達到25 ℃/min以上、最終溫度達到-20～-40 ℃、雙循環冷凍-復溫。雙循環比單循環增強了冷凍治療效力，極大提高了腫瘤滅活率。

靶區冷凍消融效應（直接殺傷）：快速冷凍時細胞內冰晶快速生長并撕裂細胞，導致細胞壁損壞和蛋白質變性；慢速冷凍時細胞外冰晶生長導致水滲出細胞、電解質進入細胞，造成細胞脫水和電解質超濃縮。升溫時，水快速涌入細胞，導致細胞漲破。慢速冷凍損毀發生在-15～-40 ℃，溫度越低，損毀越嚴重。

血管冷凍栓塞效應（間接殺傷）：治療靶區快速冷熱交替、凍融循環，可引起微小血管內皮細胞脫水、蛋白質變性、脂質層融解、微血管內膜損傷、冰晶及微血栓在微靜脈及微動脈內形成，導致治療靶區血小板聚集、血管阻塞，引致局部缺血和細胞凋亡。

抗腫瘤免疫激活效應（冷凍免疫）治療中腫瘤細胞爆裂和壞死，促使腫瘤免疫調節因子停止分泌，逆轉免疫抑制狀態，引起血清腫瘤標志物如CEA，AFP，PSA的水平下降。治療過程可調控腫瘤表面抗原，促進淋巴細胞增殖，IL-2、IL-6、腫瘤壞死因子和抗腫瘤免疫抗體分泌增加，提高抗腫瘤免疫能力。

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