低溫外科醫治機是選用某種物質作為制冷介質，利用該介質節流時吸收熱量發生的制冷效果效果于人體安排部位經歷降溫、凍住、復溫的進程，形成安排 發生冷凍壞死、冷凍阻滯、炎性反應及冷凍粘連等需求的效果。*要用于皮膚科、耳鼻喉科、肛腸科、婦科、消化科、神經外科等簡直一切外科科室的相關醫治。其 醫治機理是利用深低溫冷卻并凍住增生或腫瘤安排，使病變細胞發生生理或代謝性抑制，包含物理的、化學的和電解質的改變，使安排細胞遭到損害從而摧毀病灶組 織，抵達臨床醫治的目的[1-2]。

本所經過多年的研討與嘗試，開發了以液氮為制冷介質的低溫外科醫治機，本文從硬件和軟件兩個方面論述了設備的開發進程。

一、液氮低溫外科醫治機的硬件規劃

液氮低溫外科醫治機硬件*要由:液氮存貯器、加熱自增壓模塊、液位計、壓力傳感器、低溫電磁閥、運送管路、加液罐、泄壓閥、醫治探頭、溫度傳感器、復溫模塊、收集轉化模塊、可編程操控器和五顏六色觸摸屏等組成。

體系的作業原理為:阻隔變壓器為加液罐加熱模塊、液氮存貯器加熱模塊以及PLC供給作業電壓。PLC選用三菱PLC-FX1N系列可編程操控 器，是硬件部分的核心器件，它一方面經過收集轉化模塊獲得醫治探頭以及周圍安排的溫度信息，以及液氮存貯器內壓力信息，并輸出到觸摸屏，便利用戶監測;另 一方面用戶經過觸摸屏設定溫度參數或壓力參數，當超越設定溫度或壓力時，PLC宣布操控信號，使卸壓閥翻開，下降液氮存貯器內壓力，從而使溫度或壓力保持 在設定值，完結體系功用。

1、要害部件的規劃

神經外科低溫醫治機*要有以下3個要害部件組成:液氮存貯器、液氮運送管和冷凍醫治探頭

(1)液氮存貯器

液氮存貯器是供給冷源的場所，是整機中的一個重要部件。依據臨床需求，冷凍探桿直徑比較細，一般在6 mm以下，并且探桿真空*熱層占了必定的空間，所以液氮運送的實踐通道很窄，直徑1. 6 mm左右，對流體傳輸阻力很大，因而液氮需求選用受壓強制運送。

液氮容器一般應滿足以下要求: (1)容器必須能接受液氮運送壓力，耐壓功用可靠; (2)容器自身具有必定的*熱性，以有效存貯液氮; (3)需求有必定的容積，所存貯的液氮量滿足一次手術之用。在*剖析了醫治設備的工況后，認為液氮存貯器雖然需求有必定的*熱功用要求，以防止容器內液 氮迅速汽化，但對*熱要求不高，由于存貯器需求保存液氮的

時刻不長，從將液氮注入到存貯器至*終手術結束，大約僅50 min—60 min時刻，并且設備作業時，也需求有部分的液氮汽化，以抵達容器增壓運送的目的。

依據上述剖析，選用填充式結構液氮存貯器。這種存貯器為表里套筒結構，表里筒體為1Cr18Ni9Ti不銹鋼資料，中心隔層填充珠光砂*熱材 料，筒體口用夾布膠木制成的環將內筒體定位，以堅持表里兩筒體的同心度一致。這種結構的液氮存貯器有以下3個特點: (1)當體系密閉增壓時，其壓力上升平穩緩慢，不會呈現驟變，壓力易于操控，安全性好; (2)由于選用填充式結構，*熱效果始終不會有多大的改變，運用壽數長; (3)加工工藝簡略，制形成本低。

(2)液氮運送管

液氮運送管是銜接液氮存貯器與醫治探頭的部件，它要求將液氮迅速可靠地傳輸到冷凍探頭，盡可能削減運送進程中的汽化丟失。液氮從液相蒸發變為氣 相是一個氣液平衡的傳導進程，它跟傳熱進程和壓強改變有關，故氣、液兩相成分的比例決定于*熱和流動阻力，為了進步液相成分，需求對影響換熱和流動阻力的 幾個因素進行剖析[4]。

基于上述剖析，規劃了表里雙管式液氮運送管，內管為直徑2 mm的不銹鋼管，外管為直徑12 mm的不銹鋼波紋管，兩管之間選用聚四氟乙烯三角形支撐片定位，一起在夾層抽取真空，液氮在內管中傳輸，運送管兩頭為不銹鋼螺母接頭，其一端銜接冷凍探 頭，另一端接液氮存貯器上的液氮出口。依據手術要求，一般運送管長度為1. 5m—1. 7m為宜，運送管太短，手術醫生不便利，太長了會增加液氮在運送途中的損耗。

(3)冷凍醫治探頭

醫治探頭是與患者相觸摸的部件，是液氮低溫醫治機的核心部件，它的好壞直接影響設備的功用。為防止冷凍探頭損害相觸摸的正常安排，冷凍探頭非冷 凍區應具有杰出的*熱功用。別的，為了便于探頭順利刺入病灶安排，還應在在*端安裝刀頭。依據這些臨床要求，規劃了3套管式結構，即為3根不同直徑的不銹 鋼管套接而成。其外管直徑為6 mm，壁厚0·2mm;中心管直徑為4mm，壁厚0. 2mm;內管直徑為2 mm，壁厚0. 2 mm。液氮經內管流入汽化腔，汽化制冷后經中心管與內管的空腔排出。外管與中心管之間為真空腔體，一方面使非冷凍區探桿表面堅持常溫，另一方面能夠有效地 削減液氮的汽化丟失。

依據臨床運用需求，冷凍探頭工藝上還具有以下要求: (1)醫治探頭和探桿便于消毒，與安排觸摸部分的壁面四周鍍銀，以防止氧化。(2)醫治探頭端部需安裝測溫的銅、康銅熱電偶，用以測驗和操控冷凍手術的溫 度。(3)為了能使冷凍探頭進步傳熱效果，需將其做成薄壁空心形狀，資料選用導熱較好的紫銅。為充分利用液氮的潛熱。

2、功用模塊規劃

與PLC銜接的硬件*要有加熱自增壓模塊、收集轉化模塊和復溫模塊。

(1)加熱自增壓模塊

加熱自增壓模塊是為液氮在管道內流動供給動力的功用模塊。它有兩個效果，一是加液時為加液罐供給壓力，二是設備作業時為刀桿供給壓力。

手術前，需求將液氮加入到液氮存貯器內，這就靠加液罐中的加熱自增壓模塊完結。*先銜接好加液罐與液氮存貯器之的管路，然后經過觸摸屏的加液開 關，操控加液與否。別的，在液氮存貯器和外置儲液罐中都安裝了液位計，一方面能夠在顯現屏上顯現當時液位量，便于實時監測，另一方面當在液氮存貯器液位達 到*高或許外置儲罐液氮缺乏時，能夠主動切斷加液開關，完結人性化規劃。液位計選用了比較器的翻轉原理，電路如圖2所示。

手術時，液氮從存貯器中經液氮運送管抵達刀頭，汽化釋放冷量后排出。由于管路細且長，需求很高的壓力，加熱自增壓模塊應能為其供給滿足的壓力。 一起，存貯器內壓力應能自由操控，當液氮存貯器內壓力高于設定壓力時，應中止加熱，必要時翻開卸壓閥下降壓力，以保持存貯器內壓力。

(2)收集轉化模塊

不同人體部位或安排，會對制冷效果發生不同的影響。例如大血管中血液的流動會帶走相當的冷量，而在人體安排中，由于熱阻，每1 cm大約形成35℃的溫差[3-4] 。為了掌握在醫治區域鴻溝上的溫度，以免醫治進程中損害正常安排，需求實時監測醫治區域的溫度。因而，設備配備了多路外置針式溫度傳感器，便于操作者監督 冷凍探頭周圍安排溫度。溫度探針的資料為T分度熱電偶線，其一端銜接到收集轉化模塊，另一端插入人體安排中。作業時，熱電偶線將溫度信號轉化成熱電動勢信 號，經過收集轉化模塊轉化為溫度，并經通訊線在觸摸屏上顯現出來。壓力的收集則是經過T分度熱電偶將壓力信號轉化成4mA-20 mA標準信號，經過收集轉化模塊再轉化為壓力，并在觸摸屏上顯現出來。

(3)復溫模塊

冷凍手術在操作完結后，如何加熱使探頭與凍住的安排能夠快速脫離，是一個技術難題。傳統的計劃是在醫治探頭的端部布置電加熱元件，可是電加熱元 件在液氮的低溫和加熱發生的高溫的重復更迭下，線路、焊點以及元件自身很容易由于熱脹冷縮呈現故障，壽數無法進步。本設備則將儲罐中液氮蒸發所發生的氮氣 收集起來，在加熱到室溫后經過原有的液氮運送管路送至醫治探頭，完結探頭復溫。這樣的計劃由于加熱元件不在低溫下作業，具有更高的可靠性和壽數，運用時也 更為安全，在某些特殊運用場合(如心臟手術中)不會由于電壓對病人形成傷害。

二、液氮低溫外科醫治機的軟件規劃

1、主程序規劃

規劃軟件時遵循模塊化規劃原則，分別規劃了主程序和模塊子程序。除主程序外，針對不同功用規劃了子程序，*要包含:溫度檢測子程序、加液操控子程序、過壓放氣子程序和復溫子程序等。液氮低溫外科醫治機的軟件主程序流程圖如圖3。

經過觸摸屏和按鍵配合操作可完結各種功用擇和參數的設置。開機后一切外圍器件和按鍵狀況都復位到初始化狀況。用戶在操控界面中的“數據監控”分 界面上設置醫治手術所需的壓力和溫度參數值。當罐內壓力小于設定值時，加熱模塊作業，使液氮加速氣化，快速進步存貯器中壓力。當存貯器中實踐壓力值大于用 戶所設定的壓力參數值時，操控體系主動封閉加熱模塊，并翻開卸壓閥放出必定量的氣體，以使罐內壓力保持在設定壓力。

用戶按下開端作業開關，低溫電磁閥開端向低溫探頭運送液氮使探頭降溫。當溫度降到設置溫度參數值以下時，體系主動封閉低溫電磁閥，中止繼續降 溫。由于手術醫治并不是溫度抵達醫治溫度時就完結，而是需求繼續醫治溫度必定時刻后才能抵達醫治目的，所以在溫度高于設定值時，體系將再度翻開低溫電磁 閥，使溫度堅持在設定值，直至手術結束時手動中止作業開關。

手術完結后翻開復溫模塊作業，儲氣罐中的熱氣經過運送管運送到探頭處開端復溫，等待探頭溫度抵達0℃以上時，將低溫探頭從病體中拔出，并封閉復溫電磁閥。

2、用戶操控界面開發

用戶操控模塊完結運轉數據的實時監測以及用戶對體系參數的實時操控。觸摸屏是人機交互的窗口，一切操控均由觸摸屏完結，顯現操控界面由組態軟件 編寫，清晰易懂，便于操作。一起，傳感器信息經過PLC*終顯現在屏幕上，能夠讓操作人員更*的了解設備運轉狀況。別的反饋操控體系依據設定數據進行調 節，較人工操控更為*和快捷。反饋的信息包含壓力、液位、探頭內置和外置傳感器溫度以及包含閥門開閉、作業狀況等操控參數。

三、功用測驗

選用4%明膠溶液作為測驗對象，由于這種溶液的凝膠體挨近實在生物安排。測驗條件為:刀頭直徑5 mm、環境溫度20℃、液氮運送壓力0. 25MPa。在距刀頭8 mm、13 mm、18 mm、23 mm、28 mm、33 mm、38 mm放置外置溫度傳感器，得到溫度隨時刻的改變曲線如圖5。由圖可知，在間隔刀頭約10 mm之內，溫度抵達-50℃以下，可滿足大部分手術要求，如需范圍更大的低溫，可經過調高液氮運送壓力來完結。

液氮低溫外科醫治機以液氮為作業介質，適用于外科多種相關病癥的醫治。該設備*要特點有自增壓加液功用、溫度監測功用和人性化用戶操控界面等。

自增壓加液功用由PLC操控，一方面完結向液氮存貯器加液時的一鍵式操作，另一方面為液氮從存貯器流向刀頭供給滿足的穩定的壓力;溫度監測功用用于監測治 療探頭與外置溫度傳感器的溫度，經PLC輸出到顯現屏，一起主動記錄各路傳感器的溫度改變曲線，便利用戶術后查閱與剖析;用戶操控界面選用觸摸屏方法，由 組態軟件編寫，清晰易懂，完結人性化人機交互。