载冷液循环型皮肤低温麻醉机的研制与性能测试

闫赞扬，陈东，谢继红，樊佳琪，雷学俭

天津科技大学 机械工程学院，天津 300222

引言

在皮肤美容、针刺等场合需要对皮肤进行麻醉处理，传统的麻醉方法多采用药物麻醉，而在针对皮肤局部麻醉处理时，麻醉师除要清楚麻醉药的相关药理作用、临床应用外，还要了解所使用麻药的毒性反应，因此利用药物进行麻醉处理对操作人员资质有严格要求，而且麻醉药物所含成分可能对部分人体存在不良反应，其中包括过敏反应和毒性反应[1-2]，所以药物麻醉在皮肤麻醉处理过程中存在很多限制[3-4]。

在低温状态下，人的机体代谢率降低，对外界刺激反应轻微，能有效提高组织耐受能力，因此低温麻醉成为了现代临床麻醉的重要技术手段之一。如浅低温神经外科手术[5]、深低温血管手术[6]、烧伤局部冷疗[7]以及对脑部损伤的治疗均表现出了良好的应用前景[8-10]。目前实现低温麻醉常见的制冷方法有很多种，比如相变制冷、气体膨胀制冷、半导体制冷等，基于这些制冷方法研制出了不同类型的低温治疗器械，如液氮低温治疗仪、固态二氧化碳（干冰）低温治疗仪、气体节流型低温治疗仪（也称为J-T型低温治疗仪）、热电制冷（半导体制冷）低温治疗仪等[11]。其中，固态二氧化碳（干冰）低温治疗仪应用于美容[12]，氩氦刀应用于肝癌[13]、肺癌[14]的治疗等均取得了令人鼓舞的医疗效果。但是对于广泛使用液氮、二氧化碳、氩、一氧化氮等制冷介质的低温治疗仪，介质的运输和保存会给低温手术带来一定的不便，而对于一些偏远地区还很难得到。与之相比，利用蒸气压缩制冷[12,15]或半导体制冷[16-17]低温治疗仪在有电源的情况下即可实现连续制冷。

目前市场上已有用于皮肤美容、针刺等用途的半导体制冷皮肤低温麻醉机、但由于半导体制冷效率较低，冷却头温度降低受到一定限制，使其在实际应用中的效果受到很大影响，基于此研制了一种基于压缩式制冷的载冷液循环型皮肤低温麻醉机。

1 装置的构成和工作原理

载冷液循环型皮肤低温麻醉机的基本构成，见图1。

图1 载冷液循环型皮肤低温麻醉机构成图

由图1可见，载冷液循环型皮肤低温麻醉机由两个单元构成：制冷单元和载冷液循环单元。其中制冷单元包括压缩机、散热器组件（包括散热器和风机）、过滤器、节流元件、冷却器，其中的循环介质为制冷剂；载冷液循环单元包括载冷液容器、循环泵、冷却头，其中的循环介质为乙二醇溶液。冷却器放置在载冷液容器中，两者构成冷却器组件，冷却器组件把制冷单元和载冷液循环单元耦合成一个载冷液循环型皮肤低温麻醉系统。

载冷液循环型皮肤低温麻醉机工作过程如下：当装置首次开机时，制冷单元工作，压缩机和风机启动，制冷剂经压缩机升压升温后进入散热器组件，在散热器组件内放热冷凝为液体进入节流元件，经节流后变为低压低温的制冷剂液体，并进入冷却器组件，在冷却器组件内，制冷剂蒸发冷却载冷液后变为气体，再进入压缩机开始下一个循环。通过制冷单元的工作，载冷液容器中的载冷液温度逐渐降低直至达到设定温度为止，压缩机和风机停止工作，此后通过温控仪表控制压缩机和风机的开启与关闭，使载冷液温度维持在稳定值。当需要进行皮肤美容或针刺时，载冷液循环单元工作，循环泵启动，载冷液通过循环泵进入冷却头（图2），将冷却头放置在待冷却皮肤表面适当的时间后，即可实现对皮肤的低温麻醉。

图2 冷却头结构

2 样机研制

参照图2研制了载冷液循环型皮肤低温麻醉机，该装置的主要部件简况，见表1。

表1 载冷液循环型低温麻醉机部件简况

实验装置效果图和实物图，见图3。

图3 载冷液循环型皮肤低温麻醉机实验装置图

3 样机性能实验

3.1 初次开机降温速度实验

初次开机前，在载冷液容器中注入3 L的乙二醇溶液。制冷单元工作，测得乙二醇溶液随机组运行时间的变化规律，见图4。

图4 载冷液循环型皮肤降温麻醉机降温曲线

从图4可以看出，载冷液（乙二醇溶液）从室温降低到0℃，降温速度较快，平均约为1℃/min；当载冷液温度低于0℃之后，由于此时制冷机组制冷量减少同时冷损失增大，所以降温速度变缓；降低至-10℃左右大约需要45 min。

3.2 皮肤低温麻醉实验

实验中随机挑选了5名测试对象，包括：4名男生、1名女生，分别在2℃、0℃、-2℃、-4℃、-6℃温度下，记录5名测试对象在经过不同时间的低温麻醉后针刺时的疼痛程度，测试过程，见图5。

图5 皮肤低温麻醉效果测试

对选定的5名测试对象，在不同温度下对其皮肤进行不同时间的麻醉处理，随着处理时间的增加，针刺所带来的疼痛感逐渐减弱，当测试对象针刺基本感觉不到疼痛时记录皮肤低温处理时间，见图6。

图6 皮肤低温麻醉效果图

由图6可知：① 冷却头温度越低，皮肤基本感觉不到疼痛时，冷却头对皮肤低温麻醉的用时越短；2℃时用时约25 s左右，-6℃只需要10 s左右即可；② 不同人群的皮肤进行低温麻醉时，所用时间有所不同；③ 建议纹身低温麻醉时在-4℃～-6℃下对皮肤处理10～15 s左右。

4 讨论与结论

针对药物皮肤麻醉受到一定限制、半导体制冷皮肤低温麻醉制冷效率低，且麻醉效果较差，本文研制了一种基于压缩式制冷的载冷液循环型皮肤低温麻醉机。该装置主要通过对载冷液（乙二醇）温度进行调节达到皮肤低温麻醉的目的，相较于传统的药物局部麻醉具有安全，易于实现的目的。载冷液循环型皮肤低温麻醉机可使冷却头温度降至-10℃以下，且设有载冷液容器，具有较好的保温蓄冷作用，可做到随时为冷却头提供低温冷源；通过对冷却头五个不同温度的设置开展皮肤低温麻醉实验，旨在探讨冷却头合适的设置温度以及使用过程对皮肤进行低温麻醉的接触时间，以达到保证良好麻醉效果的同时避免冻伤皮肤的目的，结果表明冷却头在-4℃～-6℃之间时用于针刺皮肤低温麻醉具有较好的效果，10～15 s即可实现麻醉效果。

基于压缩式制冷的载冷液循环型皮肤低温麻醉机，目前还有两点不足：一是装置部件的体积较大，整体占用空间较多，进一步需进行部件的微型化和装置整体的空间布置优化；二是载冷液循环需要微型泵进行输送，使所需的管路布置较复杂，进一步可考虑结合热管等措施，简化载冷液循环输冷所需的部件和管路。

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