汤姆逊效应

学术论著 国医学装备２０１１年８月第８卷第８期Ｃｈｉｎａ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ２０１１ Ａｕｇｕｓｔ Ｖｏ１．８ ＮＯ．８

焦耳一汤姆逊效应临床应用及研究价值分析

徐志荣①徐汀②李晶①张良才①ｍＹ－东①

［文章编号］１６７２—８２７０（２０１１）０８—００２８—０３［中图分类号］Ｒ ４５４［文献标识码］Ａ

【摘要】应用焦耳一汤姆逊效应所研制出的氩氦刀，已在临床上推广应用，其关键技术是

控制低温区域和冷冻速率。当氩气在针孔内急速释放时，可在十多秒内冷冻病变组织

至一１２０－１６５℃，当氦气在针孔内急速释放时，将产生急速升温至零上４５℃，冷冻温度

变化率大于２５￣Ｃ／ｒａｉｎ，最终温度达Ｎ－２ｏ℃至－４０℃时，就能够有效的杀灭肿瘤细胞。

［关键词］节流效应；氩氦刀；冷冻消融

Ｃｌｉｎｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｏｎ ｏｆ Ｊｏｕｌｅ－Ｔｈｏｍｓｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｔｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ／ＸＵ Ｚｈｉ・ｒｏｎｇ，ＸＵ Ｔｉｎｇ，ＬＩ Ｊｉｎｇ，ｅｔ ａｌ／／Ｃｈｉｎａ Ｍｅｄｉｃａｌ

Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，２０１１，８（８）：２８－３０．

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｒｇｏｎ－ｈｅｌｉｕｍ ｋｎｉｆｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｊｏｕｌｅ－Ｔｈｏｍｓｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ

ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｇｏｒｄｉａｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｅｇｉｏｎ

ｏｆ ｌＯＷ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｉｓｓｕｅｓ

ｈａｖｅ ｃａｎｃｅｒａｔｅｄ ｓｈａｒｐｌｙ ｆｅＵ ｄｏｗｎ ｔｏ．１２０℃～．１６５ ｏＣ ｗｉｔｈ Ａｒｇｏｎ ｇａｓ ｅｊｅｃｔｉｎｇ ｆｒｏｍ

ｐｉｎｈｏｌｅ ａｆｔｅｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｔｅｎ ｓｅｃｏｎｄｓ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｃａｎｃｅｒａｔｅｄ

ｒａｐｉｄｌｙ ｒｏｓｅ ｕｐ ｔｏ ４５℃ｗｉｔｈ ｈｅｌｉｕｍ ｇａｓ ｅｊｅｃｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｐｉｎｈｏｌｅ．Ｉｆ ｃｈａｎｇｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｒｉｖｅ ａｔ ２５℃／ｍｉｎ．ｔｕｍｏｒ ｃｅｌｌｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｋｉｌｌｅｄ．

［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ；Ａｒｇｏｎ－ｈｅｌｉｕｍ ｋｎｉｆｅ；Ｃｒｙｏａｂｌａｔｉｏｎ

［Ｆｉｒｓｔ．ａｕｔｈｏｒ’Ｓ ａｄｄｒｅｓｓ］Ｋｕｎｍｉｎｇ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｈｏｓｐｉｔａｌ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｃｏｍｍａｎｄ．

Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００３２，Ｃｈｉｎａ．

１ 焦耳一汤姆逊效应

气体通过多孔塞时所发生的温度变化现象，也可

泛指较高压强气体经过多孔塞、毛细管、节流阀等装

置降为低压气体时发生的温度变化现象。

１ ８５２年，焦耳和汤姆逊（Ｊｏｕｌｅ—Ｔｈｏｍｓｏｎ

Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）设计了一个节流膨胀实验，使温度为Ｔｌ的

气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压ｐ１经过多孔塞

（如棉花、软木塞等）缓慢地向低压ｐ２膨胀。多孔塞两

边的压差维持恒定。膨胀达稳态后，测量膨胀后气体

①成都军区昆明总医院医学工程科云南昆明市６５００３２

⑦云南大学物理科学与技术学院云南昆明市６５００３３

２８ ＺＨＯＮＧＧＵＯＹＩｘＵＥＺＨＵＡＮＧＢＥ

作者简介

徐志荣、男 （１９６２一），教

授，副主任，云南省医

学工程学会副主任委

员。威都军区昆明总医

院医学工程科，主要从

事医疗设备资源的合理

配置和管理，ｃ『、 等

大型医疗设备的安装维

修，医学计量和质量控

制方面的研究工作。

的温度Ｔ２。他们发现，在通常的温度Ｔｌ下，许多气

体（氢和氦除外）经节流膨胀后都变冷（Ｔ２＜Ｔ１）。如果

使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使

气体液化。人们称它为焦耳一汤姆逊效应，也称为节

流效应。焦耳一汤姆逊效应是一种等焓的绝热不可逆

过程。它表示气体在初态时的焓Ｈ１＝Ｕｌ＋ｐ１Ｖ１等于

在终态时的焓Ｈ２＝Ｕ２＋ｐ２Ｖ２（Ｕ１、ｐｌ、Ｖｌ及Ｕ２、

ｐ２、Ｖ２分别为气体在初态及终态时的内能、压强及体

积），但在中间经历的状态均不是平衡态，对于这些

生里堕兰茎鱼 ！竺！ 篁！童笙！塑竺！二 坚 鏊窒 生旦 堕窒 堕坌堑：．堡查苎簦 学术论著Ｉ

中间状态，不能用Ｈ：Ｕ＋ｐＶ来表示。理想气体在节流

前后的温度不变，实际气体的温度可升高也可降低，

其升温降温的范围随气体种类不同而有很大差异，其

温度改变情况通常利用由实验测出的在Ｔ－ｐ图中的等

焓线求出。图中一条条接近水平的曲线表示了某种气

体的等焓线。每一条等焓线上的焓值均相同。节流过

程中只要能定出初态时的温度、压强及终态时的压

强，即可由所对应的等焓线确定终态的温度。Ｔ－ｐ图

中等焓线的斜率称为焦耳一汤姆逊系数，以 表示：

Ｔ＿－●ｎ肾●‘鼢

＝（ａ ，）Ｈ １－［Ｔ（ ａＶ ］，Ｖ］

图１等焓线的Ｔ－ｐ

图１中任一条等焓线的最高点处的 ＝０，把这些

点联结起来的曲线称为转换曲线。在转换曲线以内的

区域 ＞０，称为节流致冷区；转换曲线以外区域

＜０，称为节流致热区。转换曲线中温度最高的那一

点的温度称为转换温度。节流膨胀设备十分简单，无

运动系统，节流膨胀致冷是在致冷流程中广为使用的

一种降温手段。

２氩氦刀工作原理

氩氦刀基于物理学焦耳～汤姆逊原理，当气体通过

一个狭小的孔路（焦耳一汤姆逊孔），从较高压力的

区域流入较低压力的区域时，它将被节流。大多数气

体遭遇节流后温度将下降，而某些气体，例如氢气和

氦气，温度反而上升。

氩氦刀的每个通道分配器控制氩气阀和氦气阀。

分配器将氩气限压在大约２８００ ｐｓｉ后供给冷刀，在冷刀

尖通过一个直径很小的微孔（焦耳一汤姆逊孔），迫

使气压急剧下降到大约１ ５０ ｐｓｉ。如此压降将造成氩气

温度下降和在冷刀尖形成冰球（冷冻模式）。当１０００

ｐｓｉ氦气通过焦耳一汤姆逊孔时，将使气体温度上升

（加热模式）。

氩氦刀的结构（如图）特点：（１）高压气体喷

射进刀尖内气室产生低温； （２）低压回气在刀内折

返，释放剩余冷量； （３）刀尖内置测电偶实时测

温，监控靶区温度； （４）致冷和致热只发生在刀头

内，刀杆真空绝热。

针对各种人体组织的一系列试验证明，冷冻速

率和最终冷冻温度是影响肿瘤细胞死亡率的两个关键

因素。当冷冻速率达到２５℃／ｍｉｎ以上，最终温度达

￣１１－２０～－４０ ｏＣ时，才能有效杀灭肿瘤细胞。

３临床应用优势

氩氦刀属微创治疗，出血也少，５ ｃｍ病灶一般

要冷冻７ ｃｍ直径，基本上可以达到手术切除的效

果，但较大且不规则的病灶， “冷切”效果不如

手术彻底。对不具备手术切除条件者，则有独到之

处。氩氦刀疗效确切，属于物理性治疗，治疗期限

短，一般一次治疗，观察２～３ ｄ即可出院，因而非

治疗性开支少。氩氦刀不是真正意义上的手术刀，

只是一根中空的不锈钢针， “氩氦刀”实质是冷冻

＋热疗治疗肿瘤，当氩气在针尖内急速释放时，可

在十几秒内冷冻病变组织至一１２０～一１６５℃；当氦

气在针尖急速释放时，将产生急速复温和升温，快

速将冰球解冻，消除肿瘤。而且，降温和升温的速

度、时间和冰球大小与形状，都可以精确设定和控

制。另外，该方法能迅速减轻肿瘤负荷，直径小于４

ｆｉｎｎａｄ ｔｕｂｅ ｈｅｌｉｃａｌ ｃｏｉｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ

图２氩氦刀的结构剖面图

ＺＨＯＮＧＧＵＯＹ｝ｘＵＥＺＨＵＡＮＧＢＥｊ ２９

学术论著 里堕堂 鱼 兰 堂笙 塑蔓 二 塑 鏊堕Ｉ堕 堕 窒 堕坌堑一．堡：苎 篁

ｃｍ的肿瘤可减轻负荷９５％以上，直径大于５ ｃｍ的肿

瘤可减少８０％以上负荷，较小肿瘤可达根治效果，

延长患者生存期。氩氦刀没有化疗和放疗带来的副

作用，可用于肺癌、肝癌、前列腺癌、肾癌、乳腺

癌等治疗。

目前，这项技术已在５０多家医院推广应用。由

于这项技术只在刀尖冷冻和加热治疗肿瘤，对患者

损伤小、出血少、并发症少、恢复快、可重复治

疗，也可与化疗、放疗或手术疗法相结合。它具有

操作简单、靶向性强、适应症广、治疗中靶区可以

适时监测，术后可以立即评价，肿瘤消融效果确切

等优势。２～１０ ｃｍ的肿瘤多数可一次治疗达到局部

消融的目的，它是继射频、微波、激光、超声聚焦

刀、伽玛刀、Ｘ一刀、中子刀之后又一新的肿瘤局部

治疗手段，这项新技术的规范化治疗程序已为肿瘤

患者提供了一种新的理想选择。氩氦刀术中定位准

确，术中Ｂ超监测方便，实体肿瘤手术切除前对肿瘤

组织进行超低温冷冻，瘤组织在冷冻状态下被切除

是目前较理想的无瘤手术方法。同时有临床报告资

料显示，术前对肺肿瘤组织实施冷冻，术后可以明

显提高病人的免疫功能。与没有冷冻切除的对照组

相比，肿瘤转移和复发率减低，病人存活期延长。

氩氦刀对病人的创伤小，恢复快治疗肿瘤多数不会

对脏器的正常功能造成严重影响，可以在Ｂ超，腹

腔镜，胸腔镜的引导下开展微创外科手术治疗，也

可以在Ｂ超，ＣＴ、ＭＲ，Ｘ线模拟定位机及ｘ线透视

引导下经皮穿刺实施靶向冷冻治疗。氩氦刀可以增

强综合治疗的临床效果，局部治疗后亚临床病灶的

处理以及局部治疗后全身治疗如何选择是肿瘤临床

的重要问题。全身治疗疗效有赖于局部肿瘤负荷的

消除，局部治疗疗效的维持也有赖于全身治疗的配

合。氩氦刀治疗能够快速消除局部肿瘤负荷，可以

极大的提高化疗，免疫治疗，中药治疗及放射治疗

的效果，为临床开辟了新的治疗和研究途径。

４价值分析

传统的低温冷冻治疗由于靶向性差、局部复发

率高，主要用于中晚期肿瘤的姑息性治疗。氩氦刀

３Ｏ ＺＨｏＮＧＧＵＯ ＹＩ×ＵＥＺＨＵＡＮＧ８Ｅ

的出现，改变了对传统低温肿瘤治疗方法的认识。

氩氦刀最佳治疗效果：冷冻速率达到２５℃／ｍｉｎ以

上、最终温度达到－２０～一４０℃、双循环冷冻一复

温。双循环比单循环增强了冷冻治疗效力，极大提

高了肿瘤灭活率。

靶区冷冻消融效应（直接杀伤）：快速冷冻时

细胞内冰晶快速生长并撕裂细胞，导致细胞壁损坏

和蛋白质变性；慢速冷冻时细胞外冰晶生长导致水

渗出细胞、电解质进入细胞，造成细胞脱水和电解

质超浓缩。升温时，水快速涌入细胞，导致细胞涨

破。慢速冷冻损毁发生在一１５～一４０℃，温度越低，

损毁越严重。

血管冷冻栓塞效应（间接杀伤）：治疗靶区快速

冷热交替、冻融循环，可引起微小血管内皮细胞脱

水、蛋白质变性、脂质层融解、微血管内膜损伤、

冰晶及微血栓在微静脉及微动脉内形成，导致治疗

靶区血小板聚集、血管阻塞，引致局部缺血和细胞

凋亡。

抗肿瘤免疫激活效应（冷冻免疫）治疗中肿瘤

细胞爆裂和坏死，促使肿瘤免疫调节因子停止分

泌，逆转免疫抑制状态，引起血清肿瘤标志物如

ＣＥＡ，ＡＦＰ，ＰＳＡ的水平下降。治疗过程可调控肿

瘤表面抗原，促进淋巴细胞增殖，ＩＬ一２、ＩＬ ６、肿

瘤坏死因子和抗肿瘤免疫抗体分泌增加，提高抗肿

瘤免疫能力。

参考文献

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收稿日期：２０１卜０５—２５