自制冷热刀医疗设备靶向治疗肿瘤的性能实验

目的:考察新研制的真正集深低温冷冻治疗与高温热疗功能于一体的先进肿瘤治疗临床试验设备(冷热聚能刀,中国科学院理化技术研究所自主研制开发)的实际工作性能,为后期的临床实验提供初步而又有价值的参考依据。方法:将冷热刀探针(外径5mm)置于空气、明胶、猪肉以及活体兔子组织中实施局部靶向的快速冷冻(-196℃)及升温(88℃)试验,以检测探针外壁、针尖内部以及周边测温点的温度响应特性,并观察冰球的生长过程;同时,还基于红外热像仪及数码相机,对相应的冷冻及升温效果进行影像评估。结果:冷热刀工作时,探针刀头外壁总体上能在大约4min以内下降到极低温度(约-160℃),并维持稳定;而当冷热刀处于升温阶段时,刀头外壁温度可迅速上升,在大约2min左右即达到80℃,冰球紧贴刀杆部分随即熔化。结论:冷热刀临床试验设备具有优异的快速冷冻和高强度加热功能,可望在肿瘤的高效微创治疗上发挥关键作用。

脑肿瘤的冷热治疗及其热学问题分析

脑内肿瘤因牵涉大量丰富的血管、神经及存在血脑屏障,其临床治疗有一定特殊性,以采用副作用小的物理疗法较为安全。此方面,冷热治疗可望发挥重要作用。本文对脑肿瘤的冷、热疗机理进行了分析对比,讨论了其中一些亟待解决的关键热学问题,并展望了该领域的发展前景。

定量刻画冷冻手术中生物组织损伤度的熵产理论

从不可逆热力学角度出发,建立了有一定通用性、能涵盖各类冻融损伤要素的熵产理论分析方法。基于经典Pennes生物传热方程,导出了描述活体组织传热过程熵产率的热力学模型,初步提出了用以刻画低温手术过程中组织冻融损伤程度的公式,在此基础上,采用有限元数值计算并借助熵产公式,就血液灌注率、代谢产热及手术时间等因素对手术疗效的影响进行了考察,为从组织层次定量刻画低温手术过程中的冻融损伤提供了新的理论途径。

基于隔热薄层的高安全性冷热治疗探针

冷热刀系统既可对肿瘤组织实施快速降温冻结又可对其进行高温热疗,是新一代综合医疗设备。其治疗过程是在医学影像引导下将探针经皮插入至深部靶点部位,通过探针内冷媒和热媒的交替输送来确保探针工作段的冷冻及加热治疗,因此减少探针非工作段的漏冷或漏热、避免对沿途正常组织造成损害至关重要。本文针对冷热刀系统治疗模式的特殊要求,在探针非工作段引入一层具有良好生物兼容性及绝热性的薄壁管,以有效减少非正常冷量或热量的泄漏,并开展了相应的实验验证。同时,基于该方式建立了传热数学模型并推导出生物组织在探针作用下冷冻阶段的稳态温度场解析解,开展了相应的参数化研究,为今后进一步合理优化探针及套管提供依据。理论及试验研究均表明该方法能够简单有效地解决治疗探针的冷热保护问题,可望为今后实施安全高效的肿瘤冷热治疗创造条件。

红外热图监测微波辐照式全身热疗中体表温度的变化

目的:探讨利用红外热像仪监测微波辐照式全身热疗中体表温度的可行性。方法:于2004-04/05选择在北京大学第一医院肿瘤中心参加全身热疗治疗的患者3例,女2例(分别为43岁和60岁,患有肺癌并已发生转移),男1例(67岁,肺癌)。实验经医院伦理委员会批准,3例患者均知情同意。采用红外热像仪对3例全身热疗患者的体表温度进行定量测定和分析,重点考察局部血液循环相对较差容易造成热聚集的脸部、胸部、颈部、手部、小腿部、脚部的温度变化。治疗过程中同时对患者直肠温度实时监测。结果:患者热疗前后全身各部位体表的热状态易于显示在监视器上,有助于整个治疗过程的进程控制及评价。3例患者中只有1例的脚背部温度稍有升高,但未出现皮肤烫伤。结论:使用红外热像仪监测全身热疗中人体表面温度特别是局部血液循环较差的四肢具有重要的参考价值,可有效防止皮肤烫伤。

高功率激光-血管-组织相互作用的红外试验

目的:通过一系列活体和体外实验来考察激光诱导间质热疗过程中血管及器官受高功率激光作用时的温度场发展规律。方法:实验性家兔1只,麻醉状态下应用波长为10.6mm的KD-Ⅲ型CO2激光器(北京科电微波电子有限公司生产)在不同功率激光照射其耳部不同部位,观察血管稀疏区与丰富区在激光照射下的反应。隔2d,将其麻醉处死,取出胃、肝、肺、肾、心等不同器官,进行激光照射。实验中引入红外成像仪来定量刻画被测对象表面的瞬态温度分布图像。结果:①当激光热量不足以完全切断血管时,血管丰富组织区的复温能力强于血管稀疏区;当激光准确作用于主血管并且达到一定能量时,不仅下游供血及加热可被切断,且上游供血也会受到影响。②在相同的激光频率、功率及作用时间下,胃部的穿透最深,肾部温度变化率最大。结论:①组织局部的血液灌注率会影响激光作用的效果。②不同器官由于热容量不同,且对激光的反射和吸收率存在差异,导致激光穿透厚度及组织温度变化的幅度不同。

温度、时间及葡萄糖加载对深低温(-15℃附近)冻存蚂蚁复活的影响

微小生命个体的冷冻复活研究,可以为今后实现极具挑战性的动物个体乃至人体的冷冻复活提供实验依据。对黑背蚂蚁进行了冷冻(-15℃左右)复活研究,试验探讨了蚂蚁复活率与冷冻速率、时间、温度水平的关系,以及喂饲葡萄糖对蚂蚁复活率的干预作用。结果显示:蚂蚁冷冻后的复活率可能与降温速度呈正比,至少快速降温不会降低蚂蚁的复活率;冷冻时间越长,温度越低,蚂蚁复活率越低;喂饲葡萄糖则可以增加蚂蚁的抗冷冻损伤能力。