HYG TC-I型热化学消融系统对碱金属消融剂的精确控制

江思达，陈懂，李雪冬，班帅，肖剑，刘静

1.海杰亚（北京）医疗器械有限公司，北京 100084；2.中国科学院 理化技术研究所，北京 100190；3.清华大学 医学院生物医学工程系，北京100084

HYG TC-I型热化学消融系统对碱金属消融剂的精确控制

江思达1，陈懂1，李雪冬1，班帅1，肖剑1，刘静2,3

1.海杰亚（北京）医疗器械有限公司，北京 100084；2.中国科学院 理化技术研究所，北京 100190；3.清华大学 医学院生物医学工程系，北京100084

本文对利用HYG TC-I型热化学消融系统进行碱金属消融剂精确注射控制中的一些问题和解决方法展开探讨。目前通用标准对注射泵类产品的注射精度没有明确的限定，大部分产品的流量精度在5%～20%范围，而碱金属消融的用量是微升级别的，这么大的误差会导致消融反应无法精确控制。本研发团队通过对存储方案和推进结构的优化设计，实现碱金属消融的强度和范围的精确控制，以保证热化学消融疗法的安全性和有效性。通过理论计算和实际测试，目前HYG TC-I型热化学消融系统的注射精度达到2%以内，可以实现对碱金属消融剂的精确控制，为碱金属消融疗法的实现提供了必要的基础条件。

热化学；消融；碱金属；精确控制

引言

近年来，肿瘤的热消融和化学消融都已经非常普遍，并在临床上得到了大量的应用，但是目前已有设备很难做到加热范围的精确化，刘静研发团队提出了采用碱金属作为消融剂的热化学消融疗法，并通过大量的前期基础研究澄清碱金属对器官类型、作用部位、持续时间、肿瘤大小等方面的作用规律[1-6]。热化学消融疗法从消融效率和机理上都是一种创新性的疗法，但其控制难度大，本文针对HYG TC-I型热化学消融系统对碱金属消融剂的靶向引入和精确控制的相关解决方案进行探讨。

基于碱金属热化学消融的肿瘤靶向治疗方法示意图，见图1。碱金属热化学消融疗法，使用由钠钾合金组成的室温液态碱金属流体制剂与肿瘤组织内存在的水放热化学反应，以达到高效的热消融目的，使用量通常在微升级别。碱金属消融剂只在进入目标部位遇到组织液时才释放热量，可以实现真正的体内定向加热，靶向组织最高温度甚至可达200℃以上，对周边组织无明显加热作用，靶向升温性能优于许多先进的高端热疗设备；本热疗方式不会给引导设备和医学影像监测仪器的使用带来困难，对采用常规测温手段如热电偶、红外甚至是测温型MRI等无影响，有利于手术的实施。

图1 基于碱金属热化学消融的肿瘤靶向治疗方法示意图

碱金属热消融的反应产物（Na+、K+）是人体所需的物质，易于被活体组织吸收。且碱金属用量很小，其反应产物完全可以被人体组织所吸收；OH-会与肿瘤组织中的蛋白质反应而消耗掉，微量碱离子引起的弱碱性环境，具有独特的抑制肿瘤再生的医学价值，不利于肿瘤细胞复发生长等。碱金属热化学消融疗法具有热消融和化学消融的双重效果，创造了肿瘤热疗的新优势。

刘静等[1]提出的碱金属热化学消融疗法是显著区别于传统高温消融理念的，已通过初步的离体及在体动物试验证实了相关理论。国际上的一些学者[7,9-20]也相继跟进，如美国Minnesota大学Cressman等[8]在刘静研发团队工作的基础上也开展了碱金属热疗问题研究，并相继获得美国国立卫生研究院、癌症研究院等权威机构的资金资助，相关工作确定了碱金属热疗技术的创新学术意义和临床应用价值。

热化学消融疗法是采用NaK合金（78:22）作为消融剂，该合金熔点为-10℃，在常温下为液态，与水的反应如下：

通过计算，1 mL NaK合金释放的热量在3 kJ左右，放热反应非常激烈，并通过离体及在体动物实验，确认碱金属消融剂的使用量为微升级别，必须实现微升级别的精度注射，才能使消融反应可控。

HYG TC-I型热化学消融系统是海杰亚针对碱金属消融剂微量注射的精度控制所研发的精密控制系统，为消融剂提供靶向引入和精确控制。通过离体及在体动物实验验证，目前已可实现对1～100 μL碱金属消融剂的微量控制，同时对热化学消融强度进行调控，整个过程可完全在热化学消融系统的运行下实现自动输送，实验表明，HYG TC-I型热化学消融系统可以达到对全过程的精确化、数字化控制。通过理论计算和实验验证，在1～120 μL/min的流速范围，该系统的注射精度可以控制到±2%以内。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

材料与设备信息，见表1。

表1 材料与设备信息

1.2 试验方案

目前医疗所使用的注射泵、蠕动泵多用于化学消融，所使用的注射器（储存装置）、传输软管由于自身的尺寸稳定性及可变形性，导致注射时产生的误差很难控制（多在±15%～±20%），注射泵标准中对相关性能参数并无明确规定，且由于其注射液多为水溶液，注射量多为数毫升至数百毫升，为避免注射时产生较大的压力，所用针直径尺寸较大。

碱金属消融剂使用量为微升级别，对注射精度的要求极为苛刻，所使用控制系统必须杜绝上述注射装置出现的问题，并从注射器材到推进装置的设计等方面都要控制好精度，才能实现微升级别的精确注射，以保证消融反应可控。

1.2.1 注射器材质选择

注射器作为消融剂的储存装置，其尺寸稳定性对注射精度有决定性作用。要确保注射器的尺寸性，首先注射器主体材料必须尺寸稳定性好，玻璃材质热胀冷缩带来的尺寸误差要小于其他塑料、金属等材质；其次通过采用精密加工工艺，对注射器玻璃内表面做特殊处理，可以有效控制加工所带来的结构误差。经过上述工艺的摸索，最终注射器成品的热涨冷缩及加工所产生的尺寸误差δr控制在±0.2%以内。

1.2.2 推进装置结构设计

一般的注射推进装置中推进丝杆与注射装置为平行结构，平行结构很难避免装配所产生的误差以及注射过程中结构受力形变产生的误差，而直推结构则容易避免这些误差，同时在结构设计上对直推结构做了精度限定，见图2。推进装置为笔式结构，内部采用对称的双轨限定轨道，可以确保推进方向的准确性，并设计多个配合插孔以确保装配的精度，经过测算，推进方向的结构误差δL1在±0.1%以内。

图2 推进装置原理示意图

1.2.3 步进电机的选择

由于消融系统本身所需的推进力度较小，推进系统所采用的步进电机尺寸为28 mm×28 mm×40 mm，步进角为1.8°，所用电流为0.3 A，在保证精度和使用要求的同时，减小了尺寸，降低了使用能耗。经过配套丝杠测试，推进误差δL2在±0.3%以内。

1.2.4 注射精度推算

以注射量来计算理论注射精度，按照体积公式：

其中，V为注射体积；S为横截面积；L为推进距离。

S精度的影响因素为注射器截面半径的误差δr；L的影响因素为推进装置结构误差δL1和步进电机推进误差δL2。则总的流量精度可以按以下公式计算

其中，

故

通过理论计算，HYG TC-I型热化学消融系统的流量精度在0.8%。

1.2.5 碱金属封装

碱金属性质非常活泼，可以与空气中微量的水和氧气发生反应。碱金属的稳定性对治疗精确性的影响非常大，一般保存中多使用轻质硅油、液体石蜡或惰性气体密封。其中单纯使用轻质硅油、液体石蜡封装的碱金属在常温常压下保存也会出现明显的氧化，保存困难。而气体密封工艺比较复杂，常用的气体密封装置只适用于单次使用，且开放时间短，不利于稳定的操作。研发团队综合两种方法的优劣，使用氩气氛围保护进行碱金属的封装，彻底隔绝微量反应所带来的影响，并对封装的轻质硅油做特殊处理，结合封装装置的窄口结构，实现了对碱金属的有效封装，见图3。氩气封装后的样品可以长期保存无变化（图中透明液体为轻质硅油），可以确保碱金属储存的稳定，长期保存后消融剂中的有效成分比例保持不变，保证消融强度和范围的可控性。

图3 氩气氛围封闭后保存30 d样品

2 结果

HYG TC-I型热化学消融系统在天津市医疗器械质量监督检验中心进行了型式检验，使用Infutest 2000 Series E进行测试，该仪器的测试精度为±1%，所测的流量精度，见表2。

表2 流量精度测试结果

实际测量值大于理论值，主要是由于热化学消融系统的精度比较高，测试仪器的误差无法忽略。考虑这个误差，实测精度在1.8%（精度理论值0.8%+测试仪器精度1%）以内都是合理的。从实测数据看出，测试精度均在1.8%以内，因此可以判定热化学消融系统流量精度达到了2%以内的要求。

3 讨论

本项目研发团队通过对碱金属热化学消融过程各个环节的分析和技术处理，实现了微量碱金属注射的精确定量控制。在消融针的有效保存方面，实施的碱金属封装工艺非常实用有效，与目前主流的封装工艺相比，不但保证了封装的有效性，且更加简单和易用，具有普适性。在实现消融剂精确注射方面，HYG TC-I型热化学消融系统的理论和实测注射精度可以控制在2%以内，优于市场上同类产品的注射精度范围（5%～20%），完全可以满足消融剂注射的精确控制要求，为碱金属热化学消融疗法提供了可靠的基础条件。

碱金属热消融突破了传统施热技术的理念，为肿瘤治疗提供了一种毒副作用小、实施简便、成本低廉的方案，将大大降低患者的身心痛苦，减轻其经济负担，具有显著的社会价值和经济价值。作为一种新型疗法，其真正应用还取决于今后大量深入细致的研究。热化学消融治疗系统的研制进一步推动了该疗法的临床应用进程，最终将有助于将价格高昂的肿瘤治疗推进到门诊水平。

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本文编辑 袁隽玲

Precise Injection Control of Alkali Metal Ablation Agents by HYG TC-I Type Thermo Chemical Ablation System

JI A N G S i-d a1, C H E N D o n g1, L I X u e-d o n g1, B A N S h u a i1, X I A O J i a n1, L I U J i n g2,3

1.Hygea Medical Technology Co. Ltd, Beijing 100084, China; 2.Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 3.Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

This article was intended to carry out the study and discussion with regard to the problems as well as solutions in the process of using HYG TC-I type thermo chemical ablation system for the precise injection control of the alkali metal ablation agents. Until now, the general standard of precision injection pumps has not been clearly defined, and the flow accuracy of most such products are in the range of 5%～20%. However, the alkali metal ablation dosage is microliter grade, such a large error will lead to a less accurate control in ablation reaction. Via the optimized design of the storage scheme and the drive structure, the accurate intensity and extent of alkali metal ablation can be achieved in order to ensure the safety and effectiveness of the thermo chemical ablation therapy. Through the theoretic calculation and measurement, the injection accuracy of thermochemical ablation system for HYG TC-I type can be controlled within 2%. Therefore, the precise control of the alkali metal ablation agents can be realized, which provides the basic conditions for the realization of alkali metal ablation therapy.

thermo chemical; ablation; alkali metal; precise control

R314；R730.59

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.005

1674-1633(2017)07-0018-03

2017-01-10

2017-04-07

国家自然科学基金（5137610）；创新品种临床前研究（Z141100000514005）。

刘静，博士生导师，主要研究方向为生物传热学、肿瘤治疗、液态金属基础理论及应用。

通讯作者邮箱：jliu@mail.ipc.ac.cn