焦耳-汤姆逊效应临床应用及研究价值分析

徐志荣 徐 汀 李 晶 张良才 张卫东

①成都军区昆明总医院医学工程科 云南 昆明市 650032

②云南大学物理科学与技术学院 云南 昆明市 650033

1 焦耳-汤姆逊效应

气体通过多孔塞时所发生的温度变化现象，也可泛指较高压强气体经过多孔塞、毛细管、节流阀等装置降为低压气体时发生的温度变化现象。

1852年，焦耳和汤姆逊（Joule-Thomson Principle）设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。多孔塞两边的压差维持恒定。膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2＜T1)。如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。人们称它为焦耳-汤姆逊效应，也称为节流效应。焦耳-汤姆逊效应是一种等焓的绝热不可逆过程。它表示气体在初态时的焓H1=U1+p1V1等于在终态时的焓H2=U2+p2V2（U1、p1、V1及U2、p2、V2分别为气体在初态及终态时的内能、压强及体积），但在中间经历的状态均不是平衡态，对于这些中间状态，不能用H=U+pV来表示。理想气体在节流前后的温度不变，实际气体的温度可升高也可降低，其升温降温的范围随气体种类不同而有很大差异，其温度改变情况通常利用由实验测出的在T-p图中的等焓线求出。图中一条条接近水平的曲线表示了某种气体的等焓线。每一条等焓线上的焓值均相同。节流过程中只要能定出初态时的温度、压强及终态时的压强，即可由所对应的等焓线确定终态的温度。T-p图中等焓线的斜率称为焦耳-汤姆逊系数，以μ表示：

图1 等焓线的T-p

图1中任一条等焓线的最高点处的μ=0，把这些点联结起来的曲线称为转换曲线。在转换曲线以内的区域μ＞0，称为节流致冷区；转换曲线以外区域μ＜0，称为节流致热区。转换曲线中温度最高的那一点的温度称为转换温度。节流膨胀设备十分简单，无运动系统，节流膨胀致冷是在致冷流程中广为使用的一种降温手段。

2 氩氦刀工作原理

氩氦刀基于物理学焦耳-汤姆逊原理，当气体通过一个狭小的孔路（焦耳-汤姆逊孔），从较高压力的区域流入较低压力的区域时，它将被节流。大多数气体遭遇节流后温度将下降，而某些气体，例如氢气和氦气，温度反而上升。

氩氦刀的每个通道分配器控制氩气阀和氦气阀。分配器将氩气限压在大约2800 psi后供给冷刀，在冷刀尖通过一个直径很小的微孔（焦耳-汤姆逊孔），迫使气压急剧下降到大约150 psi。如此压降将造成氩气温度下降和在冷刀尖形成冰球（冷冻模式）。当1000 psi氦气通过焦耳-汤姆逊孔时，将使气体温度上升（加热模式）。

氩氦刀的结构（如图）特点：（1）高压气体喷射进刀尖内气室产生低温；（2）低压回气在刀内折返，释放剩余冷量；（3）刀尖内置测电偶实时测温，监控靶区温度；（4）致冷和致热只发生在刀头内，刀杆真空绝热。

针对各种人体组织的一系列试验证明， 冷冻速率和最终冷冻温度是影响肿瘤细胞死亡率的两个关键因素。当冷冻速率达到25 ℃/min以上，最终温度达到-20～-40 ℃时，才能有效杀灭肿瘤细胞。

3 临床应用优势

氩氦刀属微创治疗，出血也少，5 cm病灶一般要冷冻7 cm直径，基本上可以达到手术切除的效果，但较大且不规则的病灶，“冷切”效果不如手术彻底。对不具备手术切除条件者，则有独到之处。氩氦刀疗效确切，属于物理性治疗，治疗期限短，一般一次治疗，观察2～3 d即可出院，因而非治疗性开支少。氩氦刀不是真正意义上的手术刀，只是一根中空的不锈钢针，“氩氦刀”实质是冷冻+热疗治疗肿瘤，当氩气在针尖内急速释放时，可在十几秒内冷冻病变组织至-120～-165 ℃；当氦气在针尖急速释放时，将产生急速复温和升温，快速将冰球解冻，消除肿瘤。而且，降温和升温的速度、时间和冰球大小与形状，都可以精确设定和控制。另外，该方法能迅速减轻肿瘤负荷，直径小于4 cm的肿瘤可减轻负荷95%以上，直径大于5 cm的肿瘤可减少80%以上负荷，较小肿瘤可达根治效果，延长患者生存期。氩氦刀没有化疗和放疗带来的副作用，可用于肺癌、肝癌、前列腺癌、肾癌、乳腺癌等治疗。

图2 氩氦刀的结构剖面图

目前，这项技术已在50多家医院推广应用。由于这项技术只在刀尖冷冻和加热治疗肿瘤，对患者损伤小、出血少、并发症少、恢复快、可重复治疗，也可与化疗、放疗或手术疗法相结合。它具有操作简单、靶向性强、适应症广、治疗中靶区可以适时监测，术后可以立即评价，肿瘤消融效果确切等优势。2～10 cm的肿瘤多数可一次治疗达到局部消融的目的，它是继射频、微波、激光、超声聚焦刀、伽玛刀、X-刀、中子刀之后又一新的肿瘤局部治疗手段，这项新技术的规范化治疗程序已为肿瘤患者提供了一种新的理想选择。氩氦刀术中定位准确，术中B超监测方便，实体肿瘤手术切除前对肿瘤组织进行超低温冷冻，瘤组织在冷冻状态下被切除是目前较理想的无瘤手术方法。同时有临床报告资料显示，术前对肺肿瘤组织实施冷冻，术后可以明显提高病人的免疫功能。与没有冷冻切除的对照组相比，肿瘤转移和复发率减低，病人存活期延长。氩氦刀对病人的创伤小，恢复快治疗肿瘤多数不会对脏器的正常功能造成严重影响，可以在B超，腹腔镜，胸腔镜的引导下开展微创外科手术治疗，也可以在B超，CT、MR，X线模拟定位机及X线透视引导下经皮穿刺实施靶向冷冻治疗。氩氦刀可以增强综合治疗的临床效果，局部治疗后亚临床病灶的处理以及局部治疗后全身治疗如何选择是肿瘤临床的重要问题。全身治疗疗效有赖于局部肿瘤负荷的消除，局部治疗疗效的维持也有赖于全身治疗的配合。氩氦刀治疗能够快速消除局部肿瘤负荷，可以极大的提高化疗，免疫治疗，中药治疗及放射治疗的效果，为临床开辟了新的治疗和研究途径。

4 价值分析

传统的低温冷冻治疗由于靶向性差、局部复发率高，主要用于中晚期肿瘤的姑息性治疗。氩氦刀的出现，改变了对传统低温肿瘤治疗方法的认识。氩氦刀最佳治疗效果：冷冻速率达到25 ℃/min以上、最终温度达到-20～-40 ℃、双循环冷冻-复温。双循环比单循环增强了冷冻治疗效力，极大提高了肿瘤灭活率。

靶区冷冻消融效应（直接杀伤）：快速冷冻时细胞内冰晶快速生长并撕裂细胞，导致细胞壁损坏和蛋白质变性；慢速冷冻时细胞外冰晶生长导致水渗出细胞、电解质进入细胞，造成细胞脱水和电解质超浓缩。升温时，水快速涌入细胞，导致细胞涨破。慢速冷冻损毁发生在-15～-40 ℃，温度越低，损毁越严重。

血管冷冻栓塞效应（间接杀伤）：治疗靶区快速冷热交替、冻融循环，可引起微小血管内皮细胞脱水、蛋白质变性、脂质层融解、微血管内膜损伤、冰晶及微血栓在微静脉及微动脉内形成，导致治疗靶区血小板聚集、血管阻塞，引致局部缺血和细胞凋亡。

抗肿瘤免疫激活效应（冷冻免疫）治疗中肿瘤细胞爆裂和坏死，促使肿瘤免疫调节因子停止分泌，逆转免疫抑制状态，引起血清肿瘤标志物如CEA，AFP，PSA的水平下降。治疗过程可调控肿瘤表面抗原，促进淋巴细胞增殖，IL-2、IL-6、肿瘤坏死因子和抗肿瘤免疫抗体分泌增加，提高抗肿瘤免疫能力。

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