经支气管镜介入冷冻技术在呼吸系统疾病应用中的研究进展

王蓉蓉 陈志 张广宇

作者单位：100091 北京，解放军总医院第八医学中心 全军结核病研究所(王蓉蓉、陈志、张广宇)；河北大学医学院临床医学系 [王蓉蓉(在读研究生)]

很久以前，人们就发现冰有止痛及抗炎作用；但直到18世纪中叶人们才开始用冷冻的方法去破坏某些组织结构，应用于皮肤疾病、肿瘤的治疗，发现在止痛、止血及控制肿瘤生长方面取得了很好的效果[1]。Cooper和Lee[2]于1961年创制了一种自动冷冻器械，该设备配有一金属末端，温度可低至-196 ℃，当时主要应用于患者体内多个部位恶性肿瘤的治疗。自Neel等[3]将通过支气管镜引导下的冷冻治疗应用于治疗气管内肿瘤，从此开启了冷冻探针在支气管镜中的应用。随着支气管镜在临床应用的日益推广及普及，各种支气管腔内介入治疗技术蓬勃发展，包括热效应原理技术(激光、高频电灼、氩等离子体凝固等)、冷效应原理技术(冷冻)及机械辅助技术(气道支架、球囊扩张)等，逐渐成为复杂气道病变、良恶性病变所致的气道阻塞治疗的有效手段[4-5]。这其中，支气管镜介入冷冻技术具有如下优势[4,6]：(1)属于柔和性技术，因而支气管穿孔的危险性最小；(2)不损伤气管、支气管软骨；(3)没有高频电流效应，可以用于装有起搏器的患者；(4)不损伤金属和硅酮支架；(5)治疗后引起肉芽组织增生的作用小；(6)在儿童和幼儿支气管病变中是最受青睐的介入治疗技术。现就经支气管镜介入冷冻技术在呼吸系统疾病中的进展作一综述。

一、冷冻的原理及冷冻设备的进展

(一)冷冻的原理

经支气管镜介入冷冻探针的制冷原理是根据Joule-Thomson效应，即进入冷冻探针内的高压气体，通过喷管喷出后，在低压区急剧膨胀，使探针接触组织时，与组织进行热交换，将组织热量带走，使组织发生冷冻。而冷冻所致组织损伤可发生在细胞水平和组织水平。(1)根据Mazur[7]的观点，决定细胞冷损伤或死亡有6个方面因素：①细胞外冰晶化压迫并使细胞变形；②细胞内冰晶化；③细胞脱水和塌陷；④细胞内电解质浓度升高；⑤细胞膜脂蛋白变性；⑥热休克。(2)组织对冷冻的敏感性受微循环影响。在冷冻治疗后，在已冰冻的组织和未冰冻的组织之间形成一条明显的分界线，随着冷冻治疗，会出现冷冻性缺血和坏死，如果冰冻区发生融化，血液循环会迅速停止，这种由冷冻造成的血管梗塞可能与以下几方面有关[8]：轻度冷冻时动脉收缩和静脉阻塞；血管内皮改变；毛细血管通透性增高；血液黏滞性增高；毛细血管静压降低、血液缓慢及血栓形成，这些血管血流效应也可解释为冷冻止血作用的原理。

(二)冷冻设备研发的进展

1.内镜设备：自1897年，张捷和王长利[9]首先报道用长25 cm、直径8 mm的食管镜从气管内取出骨性异物，开创了硬质窥镜插入气管和支气管进行内镜操作的历史以来，经硬质支气管镜介入技术也随之发展起来，包括激光、支架等，有效解决了中央气道肿瘤和气道异物等气道阻塞问题。随着医疗器械技术的发展，创制了可曲性支气管镜，包括纤维支气管镜和电子支气管镜，较硬质支气管镜有管径细、方向可弯曲、照明采光好、视野范围大等优点，目前电子支气管镜在临床上应用最多[10-12]。

2.冷冻剂：常用的冷冻剂有液态二氧化碳、液氮、氧化亚氮。在室温条件下，液态二氧化碳从高压储气瓶内释放后会产生冰晶，可对操作有一定影响，因其可产生-79 ℃的低温，相对安全，且价格低廉，故临床应用较多。液氮虽能使冷冻探针末端的温度达到-196 ℃，但达到此温度可能需1 min左右，冷冻探针末端降温过程相对缓慢。而氧化亚氮从高压储气瓶内释放后虽可迅速使冷冻探针末端温度达到-89 ℃，且不形成冰晶，但所需治疗费用较高。

3.冷冻探针：冷冻探针有刚性和柔性两种，刚性冷冻探针由整根刚性金属制成，其特点为外径较大，制冷力强，但由于制造材料和外形决定，其只能经平直途径，应用于直观可达区域；而柔性冷冻探针由柔性可曲材料制得探针主体，薄壁不锈钢管材作为进气管，内含连接冷媒的内套管，可以进入各种内窥镜的工作孔道，虽较刚性冷冻探针观察范围有所扩大，但就支气管介入冷冻治疗而言，既往应用的柔性冷冻探针，其所能到达的区域决定于支气管镜的到达区域，而且冷冻探针进入工作孔道使支气管镜的前屈角和后展角都有所减小；另外，对于一些疾病如支气管结核的好发部位，如双上叶的尖段、双下叶的背段等，其支气管开口角度较大，这是目前所用的常规冷冻探针难以进入和触及的；对于常规冷冻探针可以触及并进行治疗的肉芽肿样病灶，由于不能自弯曲，常规冷冻探针往往只能先进行病灶的上部治疗，待坏死组织脱落后才能进行病灶下部的治疗，从而延迟了治疗时机，降低了治疗效率。为解决这些难题，陈志[13]设计研发出一种具有自弯曲功能的新型冷冻探针，用外径0.6 mm、壁厚0.1 mm的Ni-Ti形状记忆合金毛细管代替以往冷冻探针薄壁不锈钢管材作为进气管材料，用节流孔新型生产手段代替节流管所制成，并在支气管镜操作模型、离体犬支气管-肺标本、在体犬支气管等多种支气管-肺环境下进行了模拟可及实验，发现新型可弯曲冷冻探针在支气管镜介导下进入各支气管肺段的操作困难度大大降低，到达的范围显著增加，有望通过新型冷冻探针自弯曲角度和支气管镜的操作角度的叠加而使其达到的区域大大增加；而且可以利用冷冻探针的自弯曲角度对支气管腔内的病灶行上方和下方的同时冷冻治疗，提高冷冻治疗的效率，但需在临床上进一步进行验证。

(三)冷冻技术分型及安全性分析

冷冻技术分为接触式和非接触式。接触式分为冷冻-融解治疗(简称“冻融治疗”)和冷冻切除(简称“冻切”)，冻融治疗即通常所指的传统的冷冻治疗，即反复冷冻和解冻，以诱导组织坏死，此种方法具有延迟性，故而使得其不能单独应用于处理腔内病变阻塞引起的急性气道梗阻[14]；而冻切较冻融治疗起效快，直接提取附着在冷冻探针上的冰冻组织，可迅速开通阻塞气道，但冻切较冻融产生的出血风险大，因其冻切病变组织后，大块组织脱落致病灶创面较大，出血量相对较多；同时在冻切组织提取的过程中，易损伤肺部血管而有造成大出血的风险。 虽然冻切术出血风险较高，但Franke等[15]的研究证明，冻切出血率较低，冷却组织的血管收缩可解释为冷冻治疗后出血量和出血持续时间减少的原因。

而另一种非接触冷冻技术喷射式冷冻治疗(spray cryotherapy，SCT)与冷冻探针治疗有着根本的区别，其是经7 F导管输送液氮直接接触病变组织，导致组织在-196 ℃ 瞬间冻结，这种闪光冷冻导致细胞死亡，但可保存细胞外基质，为伤口修复提供结构框架，减少瘢痕组织生成，使损伤愈合更接近正常组织；而且SCT不仅作用面积大，还使低温源在大面积上的分布更加均匀和线性，生物效应更加明显，但存在严重气道问题[16-17]。在气道中，液氮向气体转变过程中有2个主要的不良反应：首先是液氮相转变后立即产生的大量冷氮气体，其比例约为1∶700，而气道中缺少可用于新形成的氮气被排出的气道口径；此外，除了支气管镜和插管方式外，气道中任何额外放置的导管最终都会减少治疗病灶和被排放气体的可用工作空间。第2个危险因素是肺中氮气的排量，虽然我们在海平面上呼吸的空气约为78%的氮气和20%的氧气，但随着液态氮气的转化，肺部瞬间产生的大量氮气将迅速取代肺中的部分氧气，降低血氧浓度，并可能导致患者产生短暂的缺氧，因SCT可致严重气压伤和发生低氧血症，在临床呼吸系统疾病应用中相对较少，但在胃肠道疾病中应用广泛[18]。

二、冷冻技术的应用

(一)诊断

应用于肺部疾病诊断的传统经支气管镜组织学取材方法有4种：分别是支气管灌洗、针吸活检、活检钳活检和毛刷刷检。自20世纪90年代以来，介入性肺脏病学快速发展，Hetzel等[19]提出了“冷冻活检”的概念，冷冻活检是在冻切的基础上发展起来的，二者实际上是同一技术应用在疾病诊断及治疗方面的两种不同表现形式。支气管镜冷冻活检已被引入临床实践作为一种新的诊断技术。

1.肺部肿瘤的诊断：陈慧冬和詹枝华[20]回顾性分析了65例中央型肺癌患者，每例均经支气管灌洗、针吸活检、毛刷刷检、活检钳活检和冷冻活检取材方式，并对其病理结果进行分析，结果显示，冷冻活检阳性率最高，为83.08%，其次为活检钳活检，阳性率为67.69%，支气管灌洗(13.85%)、针吸活检(30.77%)、毛刷刷检(43.08%)阳性率均偏低，且冷冻活检与活检钳活检所获标本大小差别明显，冷冻活检为12.35 mm2，活检钳活检为5.68 mm2，冷冻活检与传统取材方式阳性率差异性明显的主要原因是冷冻活检取材组织较大，标本所含肿瘤细胞最多，但冷冻活检较传统取材方式出血风险大，少量出血可先观察，必要时局部使用止血药物或氩等离子体凝固(argon plasma coagulation，APC)、电凝等方法。另外，黄江等[21]和Aktas等[22]做了类似的临床研究，均得出冷冻活检较传统取材方式阳性检出率高，所获取的标本组织较大。冷冻活检最常见的并发症是出血，与传统的取材方式相比，因冷冻活检实质是冻切肿瘤组织，大块组织脱落后致病灶创面大，出血量相对较多，所以冻切肿瘤组织时动作需准确、轻柔，不可粗暴急躁。但是，冷冻活检和钳夹活检在出血方面差异无统计学意义[20-22]，一般局部使用止血药物即可有效止血，如止血药物使用后效果欠佳，应用APC或电凝等方法常可获得满意止血效果，且冷冻自身具有收缩、闭塞血管的作用。

2．感染性肺疾病的诊断：Dhooria等[23]对1例胸部CT扫描显示双肺弥漫小结节的患者分别使用冷冻活检、钳夹活检方法。经支气管镜冷冻活检所得标本大小为70.90 mm3，镜下发现9个肉芽肿结构，且有中央坏死区；而钳夹活检所得标本大小为1.65 mm3，镜下仅见1个肉芽结构，未见中央坏死区。在经支气管镜冷冻活检后，最终该患者确诊为结核病而非结节病。另外，在一项双盲、多中心随机临床试验中，也进行了冷冻活检和钳夹活检的比较，并证明了类似的结果。在本试验中，593例支气管内病变患者被随机分配到冷冻活检组或钳夹活检组，最终得出的结论是冷冻活检诊断率(95.0%，268/282)高于钳夹活检的诊断率(85.1%，239/281)(P<0.001)。在操作过程中，虽冷冻活检轻度出血(不需干预)发生率较高，但是需要进行干预的出血率在两组之间是相似的(分别为17.8%、18.2%)，两组均无未能控制的出血事件，也无死亡患者[24]。

3.间质性肺疾病的诊断：陶峰等[25]对60例老年弥漫性肺疾病患者进行了冷冻活检、传统取材方式钳夹活检的比较。结果显示冷冻活检标本直径是(3.91±0.43) mm，而钳夹活检标本的直径为(1.72±0.44) mm；且冷冻活检的诊断率(46.67%)高于钳夹活检的诊断率(16.67%)。有研究发现在进行系统病例分析时，冷冻活检的诊断率在51%～98%之间[26]。而Babiak等[27]研究也证实经支气管镜冷冻活检较传统取材方式钳夹活检能获取更大直径的组织标本，且冷冻所取的标本均包含肺组织，大大提高了诊断率。

冷冻活检这种取材新技术不同于传统取材方式，因为冷冻剂可使冷冻探针产生的冰晶致所接触的组织发生冷冻性缺血坏死，形成透明的缺血坏死带，通过这样的冻切方式，可以获取大块的标本组织，而且标本质量也较好，能保持标本内部组织结构完整性，较真实地反映组织的在体状态，极大程度提高了诊断率[28]；此外，与传统取材方式相比，冷冻活检虽出血风险较高，但及时使用APC、电凝等创面止血，必要时静脉使用止血药物，可达到满意的止血效果，且操作过程动作要轻柔，注意避免强行撕拉，以免损伤肺部大血管。以上研究表明，经支气管镜冷冻活检是一项相对安全、有效的操作技术，在肺部疾病的诊断中具有重大意义。

(二)治疗

对儿童进行支气管内介入治疗时，可选用直径4.0 mm和5.0 mm的支气管镜，其活检腔较粗(2.0 mm)；对于成人进行支气管内介入治疗时一般无特殊要求。

1.气管支气管异物的治疗：气管及支气管异物多见于儿童和中老年人，常可致肺不张、阻塞性肺炎、气道肉芽组织增生及狭窄等相关并发症，传统取气管支气管异物主要通过喉镜，支气管镜钳取，甚至需要开胸等创伤较大的手术方式，随着医疗技术的发展、临床治疗需要，经支气管镜冷冻摘取异物应运而生，成为临床上一项重要技术[29-30]。

有研究报道，经支气管镜冷冻取异物成功率高达96.5%[31]。Ni等[32]对多种病因所致气道狭窄的156例中因气道异物所致狭窄的31例患儿进行了支气管镜下冻融治疗，取得了很好的效果，经治疗后，完全显效，气道恢复>50%，且无严重并发症发生。Rubio等[33]报道了胸部CT扫描证实在左主支气管近端存有一异物(咀嚼的口香糖)的1例 58岁的女性，在使用传统钳夹方法取物失败后，使用支气管镜下冷冻提取法成功将整块口香糖取出；且患者对手术的耐受性很好，于术后第2日出院，无并发症，胸部不适感症状也得到缓解，在之后的4周随访期间未见任何异常。就冷冻治疗机制而言，其对含水组织敏感性较好，若在异物没有任何或足够含水量的情况下，可考虑在物体上喷洒盐水，并立即冻结含有水的异物，以便成功冷冻。在支气管镜下取异物过程中，避免撕拉强拽，以免损伤支气管、肺部血管造成大出血，或发生气胸、喉水肿及呼吸困难等危险，因此要尽可能保证镜下操作定位准、取物稳、时间掌控好，且术前准备好球囊、气管插管等急救措施。

2.肺部肿瘤的治疗：传统治疗肺部肿瘤需要开胸进行肿瘤切除，创伤较大，患者耐受性较低，随着内镜介入治疗技术日臻成熟和在我国的广泛应用，各种介入手段蓬勃发展。对于中心型肺部肿瘤的治疗，因冷冻技术独特的优势，日益受到人们的重视而被广泛应用于临床。石彬等[34]对31例不能耐受开胸手术的中、晚期中心型肺癌患者进行支气管镜下冻切治疗，结果显示所有患者症状明显缓解，阻塞性肺炎和肺不张消失，肺功能检查明显好转，患者生活质量明显提高，后经支气管镜复查可见肿瘤均明显缩小，支气管管腔变宽。另外Kim等[35]对1例在支气管镜下可见左肺上叶有一可致气道梗阻的息肉样肿瘤的患者，实施支气管镜下冷冻治疗，成功去除肿瘤，病理证实为错构瘤，治疗1个月后，无残余瘤组织，也未见肿瘤复发。冷冻治疗为气道癌性阻塞的处理提供了一种新的选择，与激光和电凝治疗相比，冷冻治疗有费用低、易防护、不易发生气道壁穿孔、不会引起腔内燃烧的危险[36]。经支气管镜介入冷冻治疗肺部肿瘤，不仅扩大了适应证范围，使一些高龄、不能耐受开胸手术及肺癌术后复发者均可进行治疗，而且冷冻治疗操作简便易行、安全有效，费用较低，可增加放疗与化疗的敏感性及增强患者机体抗肿瘤的免疫力，是一项安全有效的治疗手段。

3.气管支气管结核的治疗：气管支气管结核是结核病的特殊临床类型，支气管结核在支气管镜下分为6型：炎症浸润型、溃疡坏死型、肉芽增殖型、瘢痕狭窄型、管壁软化型和淋巴结瘘型。全身用抗结核药物、局部雾化治疗手段不能及时清除支气管病灶干酪坏死物及缓解支气管堵塞症状，随着介入技术发展，腔内治疗手段不断更新，包括微波、激光、APC、冷冻、球囊、支架等，联合全身用药和介入手段可大大提高治疗效果。研究报道，其中经支气管镜下冷冻治疗对溃疡坏死型和肉芽增殖型效果较好[37]。

Mu等[38]将76例肉芽增殖型支气管结核患者平均分为两组，一组使用抗结核药物联合冷冻治疗，另一组单独使用抗结核药物治疗，从中发现76例患者病变部位以双上叶(31.5%)、双下叶(17.9%)为多，联合使用抗结核药物和冷冻治疗的38例患者均完全治愈，单独使用抗结核药物治疗的38例患者中有30例治愈，两组治愈比为1∶0.79，整个疗程需2个月，且无大出血等严重并发症发生。刘福升等[39]对102例支气管结核患者进行支气管镜下冻融治疗，其中溃疡干酪坏死和肉芽增殖型有97例，瘢痕狭窄型有5例，且病变部位双上叶占31.4%，双下叶占44.1%。经冷冻治疗2～6次后，97例溃疡坏死及肉芽增殖型患者的支气管黏膜充血水肿好转或消失，溃疡愈合，肉芽肿完全脱落，支气管腔完全通畅，原有阻塞性肺炎、肺不张消失，而5例瘢痕狭窄型患者的支气管管腔较治疗前无明显改变，总有效率达95.1%(97/102)，未出现出血、穿孔等并发症和不良反应。从以上临床研究可看出，支气管结核好发部位以上叶、下叶为多，若进行冷冻治疗的冷冻探针能够触及弯曲度较大的支气管，或许能实现更高质量的治疗效果，而这也是陈志[13]所研发的新型可弯曲冷冻探针的初衷，他们通过动物实验发现新型可弯曲冷冻探针在支气管镜介导下到达的范围显著增加，而且可以利用冷冻探针的自弯曲角度对支气管腔内的病灶行上方和下方的同时冷冻治疗，提高冷冻治疗的效率，有望应用于临床。此外经支气管镜冷冻治疗溃疡坏死型和肉芽增殖型支气管结核，不仅能尽快缓解患者的临床症状、促进病灶吸收、通畅呼吸道，还可有效控制肉芽增生，避免瘢痕纤维组织形成致气道狭窄或闭锁等不良后果[38-39]。

4.气管支气管结石的治疗：气管支气管结石是指存在于气管支气管腔内的钙化或骨化物质，治疗方法可经支气管镜钳取或开胸手术，但钳取方式成功率较低，开胸手术创伤较大，因此冷冻治疗的应用具有一定价值。虽然冷冻对含水组织敏感性较好，但国外有关于经支气管镜冷冻成功取石的个案报道。Lee等[40]报道了2例经纤维支气管镜冷冻治疗成功取出支气管结石的患者，1例使用反复冻融法，另1例使用冷冻拔出法，操作过程中使用APC来控制出血，未见其他并发症。另外Campbell等[41]对1例65岁右上叶支气管结石的男性患者进行纤维支气管镜冷冻治疗，成功取出结石，后期复查，患者反复咳嗽症状较前大有改善，胸部CT扫描显示右上叶支气管阻塞征象消失，支气管镜下未见残留物质，无复发征象。在行支气管镜下治疗气管支气管结石的过程中，要避免暴力或撕拉，可予以支气管灌洗将结石与支气管壁分开，以免损伤支气管壁和邻近的肺血管而发生意外。

5.其他疾病的治疗：插管后气管狭窄是致气管狭窄的最常见因素，传统缓解因气管狭窄致呼吸困难的方法为气管切开，是有创操作，易感染，患者耐受性较差，也增加护理负担，而冷冻技术的出现，为其提供了一种新方式。Jung等[42]报道了1例使用支气管镜冷冻治疗复发性气管插管后气管狭窄的成功案例，将冷冻探针尖端直接接触狭窄处，进行冻融循环6次，每次冷冻周期持续30 s，手术过程未出现并发症，后期支气管镜复检病变狭窄处逐渐改善，管腔增大，2年随访期间未复发。另外，厉银平等[43]对6例气管插管后狭窄的患者在机械通气的情况下采用静脉全麻方式，联合应用经支气管镜高频电和冷冻进行治疗，发现采用高频电消除增生组织后配合冷冻治疗，可有效防止复发，可达治愈效果。此外，也有报道经支气管镜冷冻成功取出气道痰栓、血栓等[44-45]。

三、展望

经支气管镜介入冷冻技术至今已有40余年的发展历程，经过一代又一代具有创新精神的医务工作者的不懈努力，技术在不断改进、完善、发展着。支气管镜先后历经硬质支气管镜、纤维支气管镜和电子支气管镜3个阶段[11]，冷冻探针由原先的直型硬性向可弯曲软性方向不断改进着[13]，随着支气管镜技术的不断发展和医疗器械的不断改进，介入技术是临床医学发展的必然趋势。而新型可弯曲冷冻探针是否会在支气管介入领域引起一场新的变革，让我们拭目以待。