載冷液循環型皮膚低溫麻醉機的研制與性能測試

閆贊揚，陳東，謝繼紅，樊佳琪，雷學儉

天津科技大學 機械工程學院，天津 300222

引言

在皮膚美容、針刺等場合需要對皮膚進行麻醉處理，傳統的麻醉方法多采用藥物麻醉，而在針對皮膚局部麻醉處理時，麻醉師除要清楚麻醉藥的相關藥理作用、臨床應用外，還要了解所使用麻藥的毒性反應，因此利用藥物進行麻醉處理對操作人員資質有嚴格要求，而且麻醉藥物所含成分可能對部分人體存在不良反應，其中包括過敏反應和毒性反應[1-2]，所以藥物麻醉在皮膚麻醉處理過程中存在很多限制[3-4]。

在低溫狀態下，人的機體代謝率降低，對外界刺激反應輕微，能有效提高組織耐受能力，因此低溫麻醉成為了現代臨床麻醉的重要技術手段之一。如淺低溫神經外科手術[5]、深低溫血管手術[6]、燒傷局部冷療[7]以及對腦部損傷的治療均表現出了良好的應用前景[8-10]。目前實現低溫麻醉常見的制冷方法有很多種，比如相變制冷、氣體膨脹制冷、半導體制冷等，基于這些制冷方法研制出了不同類型的低溫治療器械，如液氮低溫治療儀、固態二氧化碳（干冰）低溫治療儀、氣體節流型低溫治療儀（也稱為J-T型低溫治療儀）、熱電制冷（半導體制冷）低溫治療儀等[11]。其中，固態二氧化碳（干冰）低溫治療儀應用于美容[12]，氬氦刀應用于肝癌[13]、肺癌[14]的治療等均取得了令人鼓舞的醫療效果。但是對于廣泛使用液氮、二氧化碳、氬、一氧化氮等制冷介質的低溫治療儀，介質的運輸和保存會給低溫手術帶來一定的不便，而對于一些偏遠地區還很難得到。與之相比，利用蒸氣壓縮制冷[12,15]或半導體制冷[16-17]低溫治療儀在有電源的情況下即可實現連續制冷。

目前市場上已有用于皮膚美容、針刺等用途的半導體制冷皮膚低溫麻醉機、但由于半導體制冷效率較低，冷卻頭溫度降低受到一定限制，使其在實際應用中的效果受到很大影響，基于此研制了一種基于壓縮式制冷的載冷液循環型皮膚低溫麻醉機。

1 裝置的構成和工作原理

載冷液循環型皮膚低溫麻醉機的基本構成，見圖1。

圖1 載冷液循環型皮膚低溫麻醉機構成圖

由圖1可見，載冷液循環型皮膚低溫麻醉機由兩個單元構成：制冷單元和載冷液循環單元。其中制冷單元包括壓縮機、散熱器組件（包括散熱器和風機）、過濾器、節流元件、冷卻器，其中的循環介質為制冷劑；載冷液循環單元包括載冷液容器、循環泵、冷卻頭，其中的循環介質為乙二醇溶液。冷卻器放置在載冷液容器中，兩者構成冷卻器組件，冷卻器組件把制冷單元和載冷液循環單元耦合成一個載冷液循環型皮膚低溫麻醉系統。

載冷液循環型皮膚低溫麻醉機工作過程如下：當裝置首次開機時，制冷單元工作，壓縮機和風機啟動，制冷劑經壓縮機升壓升溫后進入散熱器組件，在散熱器組件內放熱冷凝為液體進入節流元件，經節流后變為低壓低溫的制冷劑液體，并進入冷卻器組件，在冷卻器組件內，制冷劑蒸發冷卻載冷液后變為氣體，再進入壓縮機開始下一個循環。通過制冷單元的工作，載冷液容器中的載冷液溫度逐漸降低直至達到設定溫度為止，壓縮機和風機停止工作，此后通過溫控儀表控制壓縮機和風機的開啟與關閉，使載冷液溫度維持在穩定值。當需要進行皮膚美容或針刺時，載冷液循環單元工作，循環泵啟動，載冷液通過循環泵進入冷卻頭（圖2），將冷卻頭放置在待冷卻皮膚表面適當的時間后，即可實現對皮膚的低溫麻醉。

圖2 冷卻頭結構

2 樣機研制

參照圖2研制了載冷液循環型皮膚低溫麻醉機，該裝置的主要部件簡況，見表1。

表1 載冷液循環型低溫麻醉機部件簡況

實驗裝置效果圖和實物圖，見圖3。

圖3 載冷液循環型皮膚低溫麻醉機實驗裝置圖

3 樣機性能實驗

3.1 初次開機降溫速度實驗

初次開機前，在載冷液容器中注入3 L的乙二醇溶液。制冷單元工作，測得乙二醇溶液隨機組運行時間的變化規律，見圖4。

圖4 載冷液循環型皮膚降溫麻醉機降溫曲線

從圖4可以看出，載冷液（乙二醇溶液）從室溫降低到0℃，降溫速度較快，平均約為1℃/min；當載冷液溫度低于0℃之后，由于此時制冷機組制冷量減少同時冷損失增大，所以降溫速度變緩；降低至-10℃左右大約需要45 min。

3.2 皮膚低溫麻醉實驗

實驗中隨機挑選了5名測試對象，包括：4名男生、1名女生，分別在2℃、0℃、-2℃、-4℃、-6℃溫度下，記錄5名測試對象在經過不同時間的低溫麻醉后針刺時的疼痛程度，測試過程，見圖5。

圖5 皮膚低溫麻醉效果測試

對選定的5名測試對象，在不同溫度下對其皮膚進行不同時間的麻醉處理，隨著處理時間的增加，針刺所帶來的疼痛感逐漸減弱，當測試對象針刺基本感覺不到疼痛時記錄皮膚低溫處理時間，見圖6。

圖6 皮膚低溫麻醉效果圖

由圖6可知：① 冷卻頭溫度越低，皮膚基本感覺不到疼痛時，冷卻頭對皮膚低溫麻醉的用時越短；2℃時用時約25 s左右，-6℃只需要10 s左右即可；② 不同人群的皮膚進行低溫麻醉時，所用時間有所不同；③ 建議紋身低溫麻醉時在-4℃～-6℃下對皮膚處理10～15 s左右。

4 討論與結論

針對藥物皮膚麻醉受到一定限制、半導體制冷皮膚低溫麻醉制冷效率低，且麻醉效果較差，本文研制了一種基于壓縮式制冷的載冷液循環型皮膚低溫麻醉機。該裝置主要通過對載冷液（乙二醇）溫度進行調節達到皮膚低溫麻醉的目的，相較于傳統的藥物局部麻醉具有安全，易于實現的目的。載冷液循環型皮膚低溫麻醉機可使冷卻頭溫度降至-10℃以下，且設有載冷液容器，具有較好的保溫蓄冷作用，可做到隨時為冷卻頭提供低溫冷源；通過對冷卻頭五個不同溫度的設置開展皮膚低溫麻醉實驗，旨在探討冷卻頭合適的設置溫度以及使用過程對皮膚進行低溫麻醉的接觸時間，以達到保證良好麻醉效果的同時避免凍傷皮膚的目的，結果表明冷卻頭在-4℃～-6℃之間時用于針刺皮膚低溫麻醉具有較好的效果，10～15 s即可實現麻醉效果。

基于壓縮式制冷的載冷液循環型皮膚低溫麻醉機，目前還有兩點不足：一是裝置部件的體積較大，整體占用空間較多，進一步需進行部件的微型化和裝置整體的空間布置優化；二是載冷液循環需要微型泵進行輸送，使所需的管路布置較復雜，進一步可考慮結合熱管等措施，簡化載冷液循環輸冷所需的部件和管路。

[1] 沈亞建.局部麻醉藥及其不良反應研究進展[J].臨床合理用藥,2011,4(8):154-155.

[2] 王輝,封雪瓊.局部麻醉藥毒性反應分析[J].基層醫學論壇,2009,13(2):998-1000．

[3] 新京報網.出租房內自制麻藥賣給紋身店[EB/OL].http://www.bjnews.com.cn/news/2013/09/25/284946.html.

[4] 中國服裝時尚網.無痛紋身真實幕后[EB/OL].http://www.ef360.com/Fashion/Articles/2006-10-31/41148.html.

[5] 賈勇.體表降溫法在神經外科術中控制性淺低溫的效果觀察與護理[J].中國實用疾病雜志,2014,17(15):133.

[6] 趙振儒,劉俊.深低溫停循環下大血管手術的麻醉處理[J].寧夏醫科大學學報,2015,37(3):303-306.

[7] 高建川.大面積燒傷患者低溫麻醉療法[J].現代診斷與治療,1994,5(4):229.

[8] Alzaga AG,Cerdan M,Varon J.Therapeutic hypothermia[J].Best Prac Res Clin Anaes,2006,70(3):369.

[9] De Georgia MA,Krieger DW,Abouchebl A,et al.Cooling for acute ischemic brain damage (COOL AID):A feasibility trial of endovascular cooling[J].Dkg World Lat Med Infor,2004,63(2):312-317.

[10] 宿瑩瑩,范琳琳,張運周,等.大面積梗死患者血管內低溫治療的安全性分析[J].中國腦血管病雜志,2013,(6):291-297

[11] 于天驊,劉靜.最新低溫治療儀技術的研究技術及其評價[J].中國醫療器械雜志,2004,28(5):350-367.

[12] 雷杰.移動式低溫治療儀研究[D].浙江:浙江大學,2007.

[13] 吳滿庭.肝癌氬氦刀術后并發癥的觀察及護理[J].護士進修雜志,2013,(1):85-86.

[14] 胡小波,曹建民,許建,等.氬氦刀冷凍治療肺癌的療效評估[J].當代醫學,2010,(11):176-179.

[15] 吳東波,張紹忠,陳光明.采用自動復疊制冷的低溫治療儀研究[A].中國制冷學會第六專業委員會.第六屆低溫生物醫學及器械學術大會論文集[C].北京:中國制冷學會第六專業委員會,2009,144-147.

[16] 張偉斌,付安英,郭軼,等.半導體制冷技術在臨床醫學的應用研究[J].電子設計工程,2011,(22):51-53.

[17] 王南林,吳太虎.半導體制冷與醫療儀器[J].醫療衛生裝備,2002,(6):28-30.