用於冷凍消融治療的方法和系統的製作方法

2023-06-25 03:35:16

專利名稱：用於冷凍消融治療的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總地涉及用於執行冷凍手術程序的系統和方法。更具體地，本發明涉及 將具有冷凍尖端的探針用於將生物組織冷卻至低溫溫度的系統和方法。本發明尤其地但 非排他地可用作閉環系統，其中液體製冷劑在其於其源與探針的冷凍尖端之間循環通過 系統時保持處於液體狀態。
背景技術：
用於冷凍手術的探針必須設計有最理想地小的形狀和尺寸，以實現生物組織有 選擇的冷卻。冷凍手術系統還必須設計成提供冷凍探針的與待治療的目標生物組織直接 熱接觸的部分(即冷凍尖端)的可靠的冷卻。對於許多低溫治療應用，低於_90°C的溫度是合乎需要的，並且有些已知的冷凍 手術系統使用液體製冷劑諸如氮、氬、氧化亞氮、二氧化碳、各種氫氟碳化物及其他。 液氮具有大約-200°C的非常合乎需要的低溫，但當液氮被引入冷凍探針的該液氮與周圍 溫暖的生物組織熱接觸的凍結區時，液氮的溫度上升至沸點溫度(_196°C)以上。因此， 該液氮蒸發並在大氣壓力下在體積上膨脹幾百倍，並快速地從探針尖端吸收熱。當冷凍 探針的微針被氣態氮「堵塞」時，該巨大的體積增大導致「汽阻」效應。另外，在這 些系統中，氣態氮通常被直接拋棄至大氣。這在手術室中對大氣溼度的暴露時產生大量 冷凝物，並且需要液氮貯罐頻繁的再填充或更換。已提出多種液氮系統。例如，在授予Baust等的美國專利No.5,520,682和美國專 利No.7,192,426中公開了用於將液氮供應至探針尖端的改進的冷凍手術系統和方法。此 外，在授予Rubinsky等的美國專利No.5,334,181中公開了用於液氮到探針尖端的直接和/ 或間接輸送的系統。對於這些系統及其他相似類型的系統，冷凍手術實踐表明，當前作 為冷卻微型探針尖端的裝置、基於液氮的使用的冷卻系統和方法在實踐上不可行。在很 大程度上，這是由於緊跟著不可避免的「汽阻」的液氮到氣態的快速轉變。當加壓氣體膨脹通過設置在冷凍探針的端部尖端處的諸如小的孔口、節流閥、 或其他類型的流動結構的焦耳-湯姆遜(Joule-Thomson)膨脹元件時，氧化亞氮和二氧化 碳系統通常實現冷卻。例如，通常的氧化亞氮系統將氣體加壓至大約5至5.5MPa，以在 大約O.lMPa的壓力處達到不低於大約_85°C至_65°C的溫度。對於二氧化碳，通過大約 5.5MPa的初始壓力實現O.lMPa的相同壓力處大約_76°C的溫度。然而，氧化亞氮和二氧 化碳冷卻系統不能實現由液氮系統所提供的溫度和冷卻能力。另一方面，當高度加壓的 氣體到達探針尖端處的焦耳_湯姆遜節流部件或其他膨脹裝置時，由於在室溫下高度加 壓的氣體的入口排除了對系統的隔熱的需求，所以氧化亞氮和二氧化碳冷卻系統具有一些優點。然而，由於與相對高的初始壓力相結合的不夠低的操作溫度，冷凍手術應用嚴 格受限。另外，焦耳-湯姆遜系統通常使用熱交換器，以用輸出的膨脹氣體冷卻輸入的 高壓氣體，以便通過使壓縮的氣體膨脹實現必要的降溫。換句話說，這些熱交換器系統 不與必須在直徑上小於至少3mm的探針尖端的預期微型尺寸相適合。已經提出了多種混合氣體製冷系統(例如焦耳_湯普森系統)用於執行冷卻手術 程序。尤其地，均授予Dobak，III等的美國專利No.5,787,715、美國專利No.5,956,958、 和美國專利No.6,530,234公開了利用具有混合氣體製冷系統的裝置的低溫程序。其中制 凍劑從液體轉變成氣體(例如焦耳-湯姆遜效應)的其他系統包括在授予Li等的美國專 利No.6,074,572和授予Lentz等的美國專利No.6,981,382中公開的系統。在檢查中，用作冷卻微型探針尖端的裝置的使用液氮的系統易受「汽阻」。另 一方面，利用高度加壓的氣體混合物以便實現焦耳_湯姆遜效應的系統不能提供低於大 約-90°C的操作溫度。因此，所述系統對於許多冷凍手術程序而言是不合需要的。根據以上所述，本發明的目的是提供一種用於利用冷凍探針執行冷凍手術程序 的閉環系統，該冷凍探針在液體製冷劑通過系統時維持該液體製冷劑處於其液體狀態。 更具體地說，本發明的目的是提供用於執行冷凍消融治療的系統和方法，該冷凍消融治 療在低壓(例如0.3MPa)下和在低溫(例如低於-10(TC )下採用不蒸發的液體製冷劑。 本發明的另一目的是提供一種冷凍消融系統，其被定製成使用多種不同的液體製冷劑中 的任一種液體製冷劑。本發明的又一目的是提供一種冷凍消融系統，其結合用於去除凍 結生物組織的裝置，該裝置在冷凍手術治療期間可粘附至冷凍探針。本發明的再一目的 是提供一種冷凍消融系統，其易於使用、製造相對簡單，並且相對節省成本。

發明內容
用於執行生物組織的冷凍手術治療的程序的系統和方法包括探針(即冷凍探針) 和液體製冷劑，該液體製冷劑用於冷卻用於該程序的探針的尖端。該系統為閉環的，並 且重要的是，液體製冷劑在其循環通過系統時總是保持處於液體狀態。如本發明所設想 的，可在冷凍探針的尖端處實現低溫(例如低於-100°C )和低壓(例如低到0.3MPa)。在結構上，本發明的冷凍消融系統包括用於保持液體製冷劑的容器。取決於所 使用的特定的液體製冷劑，液體製冷劑在基準壓力「PB」下和在溫度「TR」下作為液體 保持在容器中。具體地，Tr大致與容器所處的環境溫度相同或稍低於該環境溫度。對 本發明來說，液體製冷劑優選地選自包括R124、R218、R290、R1270和R600A的製冷 劑組。除液體製冷劑容器之外，系統還包括冷凍探針。詳細地，該冷凍探針包括具有 近端和遠端的中空的大致管狀的真空殼。形成有液密腔室的冷凍尖端附連到真空殼的遠 端。並且，冷進入管線從真空殼的近端至真空殼的遠端延伸通過該真空殼，以建立與冷 凍尖端的腔室的流體連通。類似地，返回管線近側地從冷凍尖端的腔室延伸，並通過真 空殼返回，以建立冷凍尖端的腔室與冷凍探針的近端之間的流體連通。優選地，冷凍尖 端和真空殼的外徑小於大約3mm。如為本發明所設計的，提供真空殼，以便在為程序定 位冷凍探針的同時將冷進入管線和返回管線與周圍組織的接觸熱隔離。此外，紊流器可 定位在冷凍尖端的腔室中，以幫助液體製冷劑通過冷凍探針的運動。
沿冷進入管線按次序設置在液體製冷劑容器與冷凍探針之間的是液泵和致冷 器。對於本發明，液泵用於以升高的操作壓力P-使液體製冷劑初始地從容器移動並隨 後通過系統。致冷器如上所述地設置以在操作壓力P。pn下從泵接收液體製冷劑，然後使 液體製冷劑冷卻至溫度T·。Tmm和P。pn的示例性的值分別為低於大約-100°C的溫度和 介於大約0.3MPa與大約5.0MPa的範圍中的壓力。因此，液體製冷劑以溫度Tmm和壓力 P。pn進入冷進入管線，以用於傳送到冷凍尖端的腔室。在本發明的優選實施例中，系統提供用於在存在粘附時將冷凍尖端與目標組織 分開的裝置。為此，冷進入管線還可包括加熱器，該加熱器用於從泵接收液體製冷劑的 一部分，並用於加熱液體製冷劑的該部分。然後，加熱的或變暖的液體製冷劑直接傳送 至冷凍探針，用於清除生物組織的可能已在冷凍手術治療期間出現的任何粘附。在該操 作中，可控制加熱的液體製冷劑的溫度。更具體地說，系統包括第一滑閥，該第一滑閥 用於控制液體製冷劑從泵到致冷器的流動。還存在用於控制液體製冷劑從泵到加熱器的 流動的第二滑閥。然後，可協調第一滑閥和第二滑閥的操作，以將來自加熱器的液體制 冷劑和來自致冷器的液體製冷劑混合，從而為將清除粘附的冷凍探針中的液體製冷劑建 立預定的溫度Tp。當然，為了達到這一點，Tp需要高於TR。此外，在本發明優選的實施例中，致冷器將包括用於保持液體冷凍劑的壓力器 皿。於是，連接與冷凍探針流體連通的容器的冷進入管線的一部分是捲曲的，並且浸在 液體冷凍劑中。對於本發明，液體冷凍劑優選地是在介於0.5MPa與3.0MPa的範圍中 的壓力處具有介於-180°C與-150°C的範圍中的溫度的液氮，該液氮將液體製冷劑冷卻至 T min °在返回管線中，在冷凍探針與容器之間設置有熱交換器和止回閥。功能上地， 該熱交換器設置在返回管線中，以將液體製冷劑加熱至TR。並且，止回閥設置在返回管 線中，以將液體製冷劑上的壓力降低至PB。因此，液體製冷劑大致以溫度^和以壓 返回至容器。在本發明的冷凍手術探針的操作中，液體製冷劑初始地作為液體以預定的溫度 和壓力(Tr和Pb)保持在容器中。然後，在液體製冷劑大致保持在溫度(Tr)的同時，液 泵將液體製冷劑加壓至操作壓力(P。pn)。接下來，致冷器將液體製冷劑的溫度從(Tr)降 低至(Tmm)。然後，冷的並且加壓的液體製冷劑通過真空殼傳送至其用於冷凍手術程序的 冷凍尖端(Tmm和P。pn)。一旦液體製冷劑已經穿過冷凍尖端，其就被熱交換器溫暖至預定的溫度(Tr)。 另外，止回閥將液體製冷劑上的壓力降低至(Pb)。該目的在此是雙重的。作為一個，其 確保製冷劑保持處於其液相通過冷凍尖端、以及因此通過系統。作為另一個，然後可使 液體製冷劑以初始溫度和壓力(TR*PB)返回至容器，以便再循環。如上所述，在冷凍探針的替代實施例中，可在冷凍手術程序結束時加熱液體制 冷劑，以從可能已與生物組織建立的任何粘附去除冷凍尖端。更具體地說，該中間加熱 在冷凍尖端中使液體製冷劑達到溫度(Tp)，以便從該冷凍尖端去除粘附。另外，如果將 該程序中的製冷劑的溫度維持高於60°c，則該製冷劑可用於產生消除出血的局部組織凝 結。詳細地，液體製冷劑將引起該加熱，該液體製冷劑在其旁通過致冷器但在其被引入 冷凍尖端之前時被加熱。然後，如上所述可將液體製冷劑冷卻至TR。


結合所附的說明，將從附圖清楚地理解本發明的關於其結構和其操作的新穎的 特徵、以及發明本身，其中相似的附圖標記指的是相似的部件，並且其中圖1是根據本發明的冷凍探針系統的示意圖；圖2是與冷凍探針系統一起使用的致冷器的替代實施例；圖3是與冷凍探針系統一起使用的、結合加熱器示出的致冷器的又一替代實施 例，該加熱器在冷凍手術程序完成之後用於從生物組織釋放冷凍探針的冷凍尖端；以及圖4是示例性液體製冷劑的相圖，其示出在利用R124製冷劑的冷凍探針系統的 操作循環期間的液體製冷劑的壓力和溫度的變化。
具體實施例方式首先參考圖1，示出並總體以10標明根據本發明的用於執行冷凍手術程序的系 統。如所示，該系統10主要包括液體容器12和冷凍探針14。詳細地，冷凍探針14包 括具有遠端18和近端20的大致管狀的真空殼16。為了以下更詳細地公開，近端20可分 叉成分開的近端20a和20b。在任何情況下，冷凍探針14還包括冷凍尖端22，該冷凍尖 端22在真空殼16的遠端18處固定至插頭24。在結構上，冷凍尖端22形成有液密腔室 26，並且在液密腔室26內可設置有紊流器28。如圖1所指示地，冷凍探針14的外徑30 對於真空殼16和冷凍尖端22大致是一樣的，並且優選地小於3_。圖1還示出系統10包括冷進入管線32，該冷進入管線32從液體容器12延伸以 便與冷凍尖端22的液密腔室26流體連通。液泵34和致冷器36結合到在容器12與冷凍 探針14的近端20a之間的冷進入管線32中。此外，圖1示出系統10包括返回管線38， 該返回管線38從冷凍尖端22的液密腔室26延伸通過真空殼16的近端20b以便與容器 12流體連通。重要的是，如由圖1所示的真空殼16的近端20a和20b的放大分叉所強調 地，冷進入管線32和返回管線38需要彼此熱隔離。提供上述插頭24以幫助實現上述熱 隔離。具體地，插頭24位於液密腔室26與真空殼16之間，以在液密腔室26內包含液 體製冷劑44。因此，將真空殼16的內部與冷凍尖端22分開，從而將冷進入管線32和返 回管線38與液密腔室26熱隔離。此外，真空殼16中的真空在真空殼16內將冷進入管 線32與返回管線38熱隔離。如為本發明的系統10所設計地，液體製冷劑44在操作循環期間總是保持處於其 液體狀態。此外，重要的是，液體製冷劑44能夠在相對的低壓下(例如當其適用於R124 製冷劑時在介於大約0.3MPa與1.5MPa的範圍中)獲得低於大約-100°C的溫度。多種市 場上可買到的液體製冷劑44具有該能力，並且在以下的表中提出與本發明一起使用的優 選製冷劑44。表
製冷劑化學式分子質量(kg/mol)通常凝固點CC )通常沸點CC )
權利要求
1.一種冷凍消融系統，該冷凍消融系統包括容器，所述容器用於在基準壓力Pb和環境溫度Tr下保持液體製冷劑； 液泵，所述液泵用於從所述容器通過所述系統在升高的操作壓力P-下移動所述液體 製冷劑；致冷器，所述致冷器用於從所述泵接收所述液體製冷劑，並用於在所述操作壓力下 使所述液體製冷劑冷卻至溫度Tmm ；冷凍探針，所述冷凍探針用於從所述致冷器接收所述液體製冷劑，以用於冷凍消融 程序；以及返回管線，所述返回管線用於使液體製冷劑從所述冷凍探針返回至所述容器。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括熱交換器，所述熱交換器設置在所述返回管線中，以將所述液體製冷劑加熱至TR;以及止回閥，所述止回閥設置在所述返回管線中，以使所述液體製冷劑上的壓力降低至 Pb,以用於大致在溫度Tr下和在壓力Pb下使所述液體製冷劑返回至所述容器。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述冷凍探針包括 冷凍尖端，所述冷凍尖端形成有液密腔室；冷進入管線，所述冷進入管線將所述致冷器連接至所述冷凍尖端的所述腔室；以及 中空的大致管狀的真空殼，所述真空殼具有遠端，其中，所述真空殼的所述遠端固 定至所述冷凍尖端，以在所述致冷器與所述冷凍尖端之間將所述冷進入管線包圍在所述 真空殼中，並且其中，所述返回管線從所述冷凍尖端的所述腔室延伸至所述熱交換器， 並且所述真空殼在所述冷凍尖端與所述熱交換器之間將所述返回管線包圍在所述真空殼 中。
4.根據權利要求1所述的系統，還包括加熱器，所述加熱器用於從所述泵接收所述液體製冷劑的一部分，並加熱液體製冷 劑的該部分以用於直接傳送至所述冷凍探針；第一滑閥，所述第一滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述致冷器的流動； 第二滑閥，所述第二滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述加熱器的流動；以及 用於協調所述第一滑閥和第二滑閥的操作的裝置，用於為所述冷凍探針中的液體制 冷劑建立預定的溫度TP，其中，Tp等於或高於TR。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述致冷器包括 壓力器皿，所述壓力器皿用於保持液體冷凍劑；以及管道，所述管道具有捲曲部分，其中，所述管道連接與所述冷凍探針流體連通的所 述容器，並且所述捲曲部分浸在所述液體冷凍劑中。
6.根據權利要求5所述的系統，其中，所述液體冷凍劑是在0.5MPa與3.0MPa之間的 範圍中的壓力下、具有-180°C與-150°C之間的範圍中的溫度的液氮，以將所述液體製冷 劑冷卻至Tmm。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述基準壓力Pb在大約0.3MPa至1.5MPa的 範圍中，其中，Tmm低於大約-100°C，並且其中，P。pn在大約0.3MPa至5.0MPa的範圍中。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述液體製冷劑選自由R124、R218、R290、 R1270和R600A組成的組。
9.一種冷凍消融系統，該冷凍消融系統包括 冷凍探針；容器，所述容器用於在基準壓力Pb和環境溫度Tr下將液體製冷劑保持在所述容器中；第一液體傳送組件，所述第一液體傳送組件用於從所述容器到所述冷凍探針在升高 的操作壓力P。pn下和在溫度Tmm下輸送液體製冷劑；以及第二液體傳送組件，所述第二液體傳送組件用於從所述冷凍探針到所述容器在所述 基準壓力Pb和所述環境溫度Tr下返回所述液體製冷劑。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述第一液體傳送組件包括液泵，所述液泵用於從所述容器通過所述系統在升高的操作壓力P-下移動所述液體 製冷劑；以及致冷器，所述致冷器用於從所述泵接收所述液體製冷劑，並用於在所述操作壓力下 使所述液體製冷劑冷卻至溫度Tmm。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述第二液體傳送組件包括 熱交換器，用於將所述液體製冷劑加熱至TR;以及止回閥，用於將所述液體製冷劑上的壓力降低至PB，以用於大致在溫度TrT和在壓 力Pb下使所述液體製冷劑返回至所述容器。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述冷凍探針包括 冷凍尖端，所述冷凍尖端形成有液密腔室；冷進入管線，所述冷進入管線將所述致冷器連接至所述冷凍尖端的所述腔室；以及 中空的大致管狀的真空殼，所述真空殼具有遠端，其中，所述真空殼的所述遠端固 定至所述冷凍尖端，以在所述致冷器與所述冷凍尖端之間將所述冷進入管線包圍在所述 真空殼中，並且其中，所述返回管線從所述冷凍尖端的所述腔室延伸至所述熱交換器， 並且所述真空殼在所述冷凍尖端與所述熱交換器之間將所述返回管線包圍在所述真空殼 中。
13.根據權利要求12所述的系統，還包括加熱器，所述加熱器用於從所述泵接收所述液體製冷劑的一部分，並加熱液體製冷 劑的該部分以用於直接傳送至所述冷凍探針；第一滑閥，所述第一滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述致冷器的流動； 第二滑閥，所述第二滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述加熱器的流動；以及 用於協調所述第一滑閥和第二滑閥的操作的裝置，用於為所述冷凍探針中的液體制 冷劑建立預定的溫度Tp，其中，Tp等於或高於TR。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述致冷器包括 壓力器皿，所述壓力器皿用於保持液體冷凍劑；以及管道，所述管道具有捲曲部分，其中，所述管道連接與所述冷凍探針流體連通的所 述容器，並且所述捲曲部分浸在所述液體冷凍劑中。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述基準壓力Pb在大約0.3MPa至1.5MPa的範圍中，其中，Tmm低於大約-100°c，並且其中，P。pn在大約0.3MPa至5.0MPa的範圍中。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述液體製冷劑選自由R124、R218、 R290、R1270 和 R600A 組成的組。
17.一種用於冷凍消融組織的方法，所述方法包括以下步驟提供一系統，該系統具有容器，所述容器用於在基準壓力Pb和環境溫度Tr下保持 液體製冷劑；液泵，所述液泵用於從所述容器通過所述系統在升高的操作壓力P。pn下移 動所述液體製冷劑；致冷器，所述致冷器用於從所述泵接收所述液體製冷劑，並用於在 所述操作壓力下使所述液體製冷劑冷卻至溫度Tmm;冷凍探針，所述冷凍探針用於從所 述致冷器接收所述液體製冷劑，以用於冷凍消融程序；以及返回管線，所述返回管線用 於使液體製冷劑從所述冷凍探針返回至所述容器； 將所述冷凍探針定位成靠在所述組織上；以及操作所述液泵，以使所述液體製冷劑移動通過所述系統，以用於所述組織的冷凍消融。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述基準壓力Pb在大約0.3MPa至1.5MPa 的範圍中，其中，Tmm低於大約-100°C，並且其中，P。pn在大約0.3MPa至5.0MPa的範圍中。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述致冷器包括 壓力器皿，所述壓力器皿用於保持液體冷凍劑；以及管道，所述管道具有捲曲部分，其中，所述管道連接與所述冷凍探針流體連通的所 述容器，並且所述捲曲部分浸在所述液體冷凍劑中。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述系統還包括加熱器，所述加熱器用 於從所述泵接收所述液體製冷劑的一部分，並用於加熱液體製冷劑的該部分以用於直接 傳送至所述冷凍探針；第一滑閥，所述第一滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述致 冷器的流動；以及第二滑閥，所述第二滑閥用於控制液體製冷劑從所述泵到所述加熱器 的流動，並且，所述方法還包括如下步驟協調所述第一滑閥和第二滑閥的操作，以便 為所述冷凍探針中的液體製冷劑建立預定的溫度TP，其中，Tp等於或高於TR。
全文摘要
提供一種系統和一種用於該系統的使用的方法，以便為冷凍消融程序在探針的遠端處冷卻冷凍尖端。尤其地，冷凍尖端由液體製冷劑冷卻至低溫溫度，以便在生物組織上執行冷凍消融程序。該系統為閉環的，並且在液體製冷劑轉移通過整個系統期間，液體製冷劑總是以相對低的壓力保持處於液體狀態。
文檔編號A61B18/02GK102014777SQ200980114613
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月21日 優先權日2008年4月24日
發明者威廉·J·尼達姆, 彼得·J·利特拉普, 阿列克謝·V·巴布金 申請人:克萊米迪克斯有限責任公司