一种带高效制冷功能的可移植脂肪存储装置的研制

欧伟强，李胜勋，吴观友，欧伟光，黄海玲，林薇薇，周志武

1. 暨南大学附属第一医院（广州华侨医院） a. 设备科；b. 后勤办公室；c. 整形美容科，广东 广州 510630；2. 暨南大学附属第五医院（深河人民医院） 设备科，广东 河源 517000

引言

近年来，自体脂肪移植术已被广泛应用于整形美容领域[1]。该技术应用广泛，实践手术方法较多，其中由Coleman改进的脂肪注射移植操作流程目前已被业界普遍认可[2-3]。在具体的整形修复手术中，医护人员使用负压吸引的方式从人体自身脂肪较为丰富的部位如腿、腹腰、大腿和上臂等抽取脂肪[4]。通过医学纯化处理去除肿胀液获得纯净颗粒脂肪[5-6]、添加生长因子[7-8]、瘦素[9]或干细胞[10]等步骤后注射移植到有凹陷或需要增大的组织区域，达到改善外观形态的目的。相比起传统的假体植入整形术[11]，自体脂肪移植术具有手术操作简单、取材容易、开刀创口面积少、疤痕不显著、患者恢复快等优点[12]。其所提取的脂肪组织来自患者自身，具有优良的生物特性，术后不会产生移植组织免疫和排斥反应。目前，自体脂肪移植术适应于修复各种先天或后天形成的凹陷、瘢痕修复[13]、脂肪缺失性畸形、隆鼻丰胸[14]、器官再造[15-16]等整形美容手术。

自体脂肪移植的术后效果与移植的脂肪组织的存活质量具有较强的相关性[1]，移植的脂肪组织存活质量越高，术后效果越好，并能显著减少移植脂肪组织坏死、溶解、被吸收、感染纤维化等手术后遗症。影响颗粒脂肪组织的存活质量的因素很多，包括脂肪组织提取的方法，体外存储的条件，接受移植组织部位的选择，抽吸、注射脂肪的压力，辅助药物的应用等[17]。多个实验研究表明，4℃是可移植脂肪存放的最佳温度，可以保持24 h内脂肪细胞的存活质量基本不变[17-20]。

传统的脂肪移植术中，医护人员把脂肪回收瓶放置在无菌冰水混合物中，脂肪回收瓶接触面不规则，难以均匀恒定在4℃，不利于瓶内脂肪组织的存活质量的保持。为解决上述技术缺陷，我院设备科联合整形美容科于2014年提出了“获取可移植脂肪颗粒装置”（简称“脂肪存储系统1”）以及“用于脂肪移植的颗粒脂肪低温收集装置”（简称“收集装置1”）[21-22]。其中，“收集装置1”为“脂肪存储系统1”中脂肪收集器的改良方案。“脂肪存储系统1”实现了脂肪收集及低温存储的功能，但因为冷水部件与脂肪收集部件分立，整体性差，不利于携带，且存在制冷效率低、术前准备时间长等缺点。本文针对“脂肪存储系统1”的上述缺点，研制一种具有高效制冷功能的脂肪存储装置（简称“脂肪存储系统2”，已申请国家发明专利，公开号CN113331180A）[23]。通过温控系统原理模拟机对照实验，比较“脂肪存储系统2”与“脂肪存储系统1”之间的制冷效率及恒温能力。

1 整体设计

1.1 脂肪存储系统1

“脂肪存储系统1”是由本课题成员于2014年提出的具有降温及恒温功能的脂肪存储系统，主要包括水冷部和脂肪存储部两部分。水冷部主要由制冷装置、水泵组成；脂肪存储部主要由负压装置、脂肪存储罐、用于水浴冷却脂肪存储罐的冷水存储部件以及脂肪抽吸装置组成；水冷部和脂肪存储部通过输水管连接。“脂肪存储系统1”的设计示意图如图1所示。

图1 “脂肪存储系统1”整体设计示意图

使用纯净水作为脂肪存储罐-制冷装置之间的热交换介质，并根据热力学第零定律和第二定律，采用导热性能好的材料制作脂肪存储罐罐壁。优良的导热性能和水泵循环可以保障纯净水与脂肪存储罐之间的动态热平衡具有较高的时效性和较短的弛豫时间，在较窄的时段内可把温感探头所测纯净水水温近似为脂肪存储罐罐温[24]。通过循环和冷却纯净水的方式，把脂肪存储罐罐体温度降到4℃左右并保持恒温，同时设置恒温偏差±0.1℃。具体过程如下：① 制冷装置冷却纯净水；② 水泵提供动力，把纯净水通过输水管路输送到冷水存储部件中；③ 冷水存储部件中纯净水与脂肪存储罐完成热交换；④ 在水泵的循环动力下，完成热交换的纯净水通过输水管路回到制冷装置，并被制冷装置进水口的温控探头监测水温；⑤ “步骤①”到“步骤④”形成循环，直到温控探头监测到水温降到3.9℃时，制冷装置停止制冷；⑥ 水泵持续工作，让纯净水持续循环，当温控探头监测到水温回升到4.1℃时，制冷装置启动制冷。

在手术开始之前，医护人员会启动制冷装置，把系统中的纯净水、脂肪存储罐先预冷到4℃。在术中，医护人员把负压装置连接到脂肪存储罐，使存放脂肪的罐体内产生额定负压。医护人员把脂肪抽吸装置连接到脂肪存储罐上，利用脂肪存储罐内部负压从患者身上吸取脂肪，存到脂肪存储罐中。

1.2 脂肪存储系统2

“脂肪存储系统2”的设计思路是把“脂肪存储系统1”的水冷部和脂肪存储部集合成一体，使水冷部的制冷装置冷端与脂肪存储部的冷水存储部件直接连接在一起，避免了输水管冷却水输送环节造成的能效浪费，并减免了水泵设计（图2）。

图2 “脂肪存储系统2”整体设计示意图

系统运行时，“脂肪存储系统2”的脂肪存储罐、负压装置和脂肪抽吸装置连接与操作方式、温度控制设置、脂肪存储罐材质等方面与“脂肪存储系统1”相似，而热交换模式有所调整，具体表现为：① 制冷装置冷却冷水存储部件内的纯净水；② 冷却水存储部件内的纯净水与脂肪存储罐实现热交换；③ 温控探头监测到冷水存储部件内的水温降到3.9℃时，制冷装置停止制冷；④ 温控探头监测到冷水存储部件内的水温升到4.1℃时，制冷装置启动制冷。

与“脂肪存储系统1”相同，医护人员在开展术前准备工作时，需要把“脂肪存储系统2”中的纯净水预冷到4℃。在术中，通过外接脂肪抽吸针（或管）和负压吸引器的方式把脂肪吸入到脂肪存储罐中。

2 硬件设计

2.1 脂肪存储系统1

专利《一种获取可移植脂肪颗粒装置》[21]是“脂肪存储系统1”的硬件设计方案，具体如图3所示。“脂肪存储系统1”的水冷部的功能由循环抽吸水冷机13实现，该水冷机内置水泵和制冷装置。冷水开口罐5为冷水存储部件，内存用于与脂肪存储罐1实施热交换的纯净水。抽脂管6与抽脂针4组成脂肪抽吸装置。冷水循环回路12为连接水冷部和脂肪存储部的输水管。第一导管7、压力监测保护装置9、过滤网8、单向阀2、第二导管10、负压吸引装置3和压力表11组合成负压装置，与医院中心设备带负压端口或者电动负压吸引器连接并为脂肪存储罐提供负压吸引力。

图3 “脂肪存储系统1”硬件结构设计示意图

在实施脂肪移植手术前，医护人员按上述结构组装“脂肪存储系统1”，冷水开口罐5盛装无菌纯净水，启动水冷机13经冷水循环回路12抽吸冷水开口罐5中的纯净水进行冷却降温，经冷却后的水再经回路12返回到冷水开口罐5中。如此循环，使纯净水从室温逐步降低到4℃，然后保持恒温。

该系统各核心部件之间结构紧凑性差，设备搬迁前后需要较为繁琐的拆解与组装，不便于设备转移。

2.2 脂肪存储系统2

专利《一种带水浴功能的负压存储装置》[23]为“脂肪存储系统2”的硬件设计方案，具体如图4所示。“脂肪存储系统2”的水冷部由固定环绕在外罐夹层10侧面内壁的制冷器8、温度传感器11以及带有温控功能的微电脑控制器7组成。外罐3的内腔作为冷水存储部件，顶部设有可以用来往外罐3内腔加注纯净水的进水口13，底部加装了带万向轮2的底座1，方便装置的整体移动。内罐5作为脂肪存储罐，可与外罐3内腔底部的支撑架4连接，顶部可安装内罐盖6对内里的内容物实现封存，底部中央设有管柱12便于对内罐腔内的内容物均匀冷却。内罐盖6设有脂肪进入口14、负压吸引口15、脂肪提取口16以及堵头17，其中脂肪进入口14可外接市面上现有的脂肪抽吸针形成脂肪抽吸装置；负压吸引口15可通过负压管路外接市面上现有的负压设备或中心设备带负压端口，使内罐5内腔形成负压。内罐5与内罐盖6、支撑架4之间的连接均可以拆卸，方便内罐5与内罐盖6的清洗消毒。

图4 “脂肪存储系统2”硬件结构设计示意图

在实际手术操作中，医护人员把内罐5安装到支撑架4上，盖上内罐盖6，通过进水口13灌注无菌纯水。启动微电脑控制器7，把目标温度设置为4℃，环绕在外罐夹层侧面的制冷管8即可对外罐内侧、内罐外侧中的无菌纯水进行冷却。当纯净水温度降到4℃，微电脑控制器启动动态恒温控制。

该系统各核心部件之间的结构紧凑性强，设备搬迁无需繁琐的拆解与组装，且底座自带万向轮，非常便于移动。

2.3 温控系统原理模拟机制作

为比较“脂肪存储系统1”和“脂肪存储系统2”的温控效果，根据上述硬件设计特点，制造“脂肪存储系统1”和“脂肪存储系统2”的温控系统原理模拟机。如图5所示，搭建原理模拟机所用配件包括：① 半导体制冷器；② 水冷头；③ 金属水杯；④ 水泵；⑤ 温控电源；⑥ 直流电源。半导体制冷器额定功率为50 W。温控电源自带温感探头，可设置温控电源通路温度t1和断路温度t2。当设置t1＜t2时，则温感探头探测到的温度t＜t1时温控电源处于通路状态，可对外输出220 V交流电；t＞t2时温控电源处于断路状态，停止对外输出。当设置t1＜t2时，则t＞t1时温控电源处于通路状态；t＜t2时温控电源处于断路状态。

图5 温控系统原理模拟机所用配件。

“脂肪存储系统1”和“脂肪存储系统2”的温控系统本质区别在于：“脂肪存储系统1”经制冷装置冷却的纯净水是通过水泵和输水管运送到冷水存储部，而“脂肪存储系统2”的制冷装置冷端直接对冷水存储部里的纯净水进行冷却。根据上述特点，本课题组在不改变其本质区别的前提下，在实际模拟实验中对两系统进行一定程度的简化：① 使用金属水杯代表脂肪存储罐和冷水存储部；② 省去底座、台架、抽脂装置、负压装置等部件。定义“脂肪存储系统1”的温控系统原理模拟机为“温控系统1”，“脂肪存储系统2”的温控系统原理模拟机为“温控系统2”。

如图6所示，“温控系统1”由直流电源、半导体制冷器、水冷头、温控电源、水泵、金属水杯组成。温控电源的电源输入接头与市电连接。直流电源的电源输入接头连接在温控电源输出端上，电源输出接头与半导体制冷器连接。水冷头通过导热硅胶安装固定在半导体制冷器冷端。水冷头进水输水管管口与水泵连接，和出水输水管管口、温控电源的温感探头一并置于金属水杯纯净水内。系统运行时，金属水杯中的纯净水通过水泵从进水输水管抽吸到水冷头内与半导体制冷器冷端进行热交换，然后从出水输水管回流到金属水杯中。“温控系统2”由直流电源、半导体制冷器、温控电源、金属水杯组成。市电、温控电源、直流电源之间的连接方式和“温控系统1”一致。金属水杯直接置于半导体制冷器冷端上，温控电源的温感探头置于金属水杯纯净水内。

图6 温控系统实图

3 软件控制系统设计

“脂肪存储系统1”和“脂肪存储系统2”均需通过制冷装置、微电脑以及温度传感器实现温度控制，其程序控制流程为（图7）：① 设定制冷装置启动工作温度T1；② 设定制冷装置停止工作温度T2；③ 按启动按钮后，检测所设定的T1是否大于T2（如果是，则温度设置正确，可以启动制冷装置制冷，如果不是，则提示制冷机启动及停止温度设置错误，返回步骤①）；④ 当温度传感器检测到纯净水温度t≥T1时，启动制冷装置进入制冷降温模式；⑤ 制冷装置制冷使脂肪存储罐降温；⑥ 当温度传感器监测到纯净水温度t≤T2时，进入恒温模式，停止制冷装置制冷；⑦ 当温度传感器监测到纯净水温度t≥T1时，启动制冷装置制冷，与步骤⑥构成动态恒温控制循环，把纯净水水温控制在T1和T2之间。

图7 温控程序流程图

对于“温控系统1”和“温控系统2”，其温度控制逻辑与图7一致。设置温控电源通路温度t1＞断路温度t2，当温度探头探测到的纯水温度t＞t1时，温控电源通电向半导体制冷器输出电压，制冷器制冷；t＜t2时，温控电源断路停止向半导体制冷器供电，制冷器停止制冷。

4 结果

把“温控系统1”和“温控系统2”置于相同的室温环境，半导体制冷器工作功率均为50 W。取300 mL纯净水置于金属水杯中，通过温控电源的电子温度计记录系统开始运行后第0、5、10、25、40、55、70和85 min的纯净水温度。在实际测试中，环境温度在15～17 ℃时，“温控系统1”无法把纯净水水温下降到4℃。因此，为测试两系统的冷却和恒温能力，选取4℃和8℃作为目标恒温控制温度，分别做3组对照实验。当目标恒温控制温度为4℃时，设置温控电源通路温度4.1℃，断路温度3.9℃；当目标恒温控制温度为8℃时，设置温控电源通路温度8.1℃，断路温度7.9℃。通过测试共获得6组数据，见图8。

图8 实验数据原始记录表

对上述数据求平均值，结果如表1所示。

表1中“第一、二、三组实验数据平均值”表明，在初始水温约15.8℃，环境温度约16.2℃，半导体制冷器件额定工作功率均为50 W的情况下，“温控系统1”在启动55～85 min时，金属水杯内的纯水温度只有6.6℃左右，且已处于恒温状态，无法达到设定的目标温度4℃，模拟实验结果不满足Erdim等[20]提出4℃脂肪组织存储方法；“温控系统2”在启动后约40 min时，金属水杯内的纯水温度已经降到目标温度4℃，并在40～85 min时间段内保持很好的恒温效果，模拟实验结果满足4℃脂肪组织存储方法[20]。表1“第四、五、六组实验数据平均值”表明，在初始水温约17.1℃，环境温度约17.4℃，半导体制冷器件额定工作功率均为50 W的情况下，目标温度为8℃时，在系统启动约25 min后，“温控系统1”和“温控系统2”的金属水杯水温均能接近或达到目标温度，并在25～85 min时间段内保持很好的恒温效果。

表1 实验数据平均值

5 讨论

在传统的自体脂肪移植术中，医护人员采用无菌冰水混合物冷冻脂肪回收瓶的模式来存放术中取出来的脂肪组织。由于冰水混合物的温度为0℃，且会随着冰块的融化从0℃开始往上升高，不能达到Erdim等[20]提出4℃脂肪组织存储方法的控温要求。

为解决上述传统脂肪移植术的温控问题，本课题组成员分别于2014年和2021年提出了“脂肪存储系统1”[21]和“脂肪存储系统2”[23]。本文根据这两个系统的硬件结构特点制造了温控原理模拟机“温控系统1”和“温控系统2”。在环境温度为16.2℃和17.1℃时，进行目标温度分别为4℃和8℃的降温与恒温对比实验。从实验数据可以得知，当目标温度为8℃时，“温控系统1”和“温控系统2”均能把纯净水水温冷却到8℃，并表现出优越的恒温能力；目标温度为4℃时，“温控系统1”并不能把水温冷却到4℃，并在水温到达6.6℃时保持恒温，而“温控系统2”能够把水温冷却到4℃并表现出良好的恒温能力。

根据傅里叶定律，热传导速率Q与冷热源之间的温度差dt成正比，与冷热源之间的接触横截面积dS成正比，和冷热源之间的距离dx成反比，设其物理关系表达式为Q=λ×dS×dt/dx，其中λ为导热系数，该系数对于一个给定的介质系统为常数[24-25]。根据上述定律，可以推导出，对于特定的热源温度t热和冷源温度t冷，见公式(1)。

设50 W功率的半导体制冷器的最大制冷速率为QMax，空气和纯净水之间的导热系数为λA。设“温控系统1”和“温控系统2”的纯净水与空气之间的有效热传导率分别为Q1和Q2，有效横截面积分别为S1和S2，有效距离分别为x1和 x2，则根据傅里叶定律可得 Q1=λA（t热-t冷）×S1/x1，Q2=λA（t热-t冷）×S2/x2。当环境温度大于温控系统纯净水水温时，即有环境温度为t热。当t热=16.2℃时，“温控系统1”只能把纯净水的温度冷却到6.6℃，见公式(2)。

结合公式(1)～(2)，可得“温控系统1”冷却纯净水的最低温度，见公式(3)。

公式(3)表明，在不改变环境温度的情况下，使用配备更大QMax的半导体制冷器或者通过修改系统的结构提高x1/(λ×S1)值，均能使“温控系统1”的最低制冷温度t冷Min低于6.6℃。

同理，因“温控系统2”能把纯净水温度降到4℃，则有公式(4)。

结 合 公 式(2)和(4)可 得S1/x1≥ 1.27×S2/x2， 即Q1≥1.27×Q2，说明在相同的环境温度和纯水温度的条件下，环境空气对“温控系统1”的热量输入速率至少是“温控系统2”的1.27倍。由此可得，“温控系统2”所模拟的“脂肪存储系统2”比“温控系统1”所模拟的“脂肪存储系统1”更能有效阻隔外界环境的热量输入，具有更高的制冷效率，有助于缩短术前系统预冷时间与减少系统恒温控制的能耗。此外，“脂肪存储系统2”比“脂肪存储系统1”结构更加紧凑，设备搬迁无需繁琐地拆解与组装，便于移动设备。