專利名稱：具有增加的熱交換面積的冷凍消融裝置及相關(guān)方法
具有增加的熱交換面積的冷凍消融裝置及相關(guān)方法與相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2010年10月27日提交的題為“具有增加的熱交換面積并用于改進(jìn)冷凍消融處理的冷凍儀器” (Cryogenic Instrument with Enhanced Heat Exchange Areafor Improved Cryoablation Treatment)的臨時申請?zhí)?61/407，168 的利益。政府資助聲明本發(fā)明在國立衛(wèi)生研究院(National Institute of Health)授予的資助號1R43CA141989-01-01的政府支持下做出。政府在本發(fā)明中享有一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于處理生物組織的冷凍消融裝置，更具體來說，涉及具有增強的熱交換遠(yuǎn)端部分的冷凍消融裝置。冷凍外科療法涉及使用極低的溫度和復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)來適合地冷凍待處理的目標(biāo)生物組織。這些系統(tǒng)中的許多使用冷凍探針或?qū)Ч?，其具有被設(shè)計用于接觸所選的組織部分而不會不合需要地影響任何相鄰健康組織或器官的特定形狀和尺寸。極端冷凍由被引導(dǎo)通過冷凍探針的遠(yuǎn)端的某些類型的制冷劑產(chǎn)生。理想情況下，冷凍探針的遠(yuǎn)端表面與待處理的目標(biāo)生物組織直接熱接觸。然而，在許多情況下，生物組織的冷凍消融要求在不與冷凍探針直接熱接觸的目標(biāo)組織內(nèi)具有所需目標(biāo)溫度。在這樣的情況下，目標(biāo)組織離實際的冷凍探針或冷凍導(dǎo)管的距離是重要的。例如，通過成像(例如超聲、計算機斷層掃描、磁共振)觀察到的較深部癌性腫瘤，一般通過達(dá)到_40°C目標(biāo)溫度的兩個冷凍循環(huán)以及介于中間的被動融化循環(huán)來殺死。在整個腫瘤中越快達(dá)到_40 °C的目標(biāo)溫度，每次冷凍對腫瘤的致死性或細(xì)胞毒性越大。假設(shè)每厘米腫瘤直徑使用約I個冷凍探針，使用當(dāng)前的臨床冷凍技術(shù)，通常的冷凍時間長達(dá)每次10分鐘，加上5分鐘的被動融化間隔期，總共長達(dá)25分鐘。因此，(TC的可見冰邊緣一般需要延伸到超出腫瘤邊緣1cm，以便在所有腫瘤邊緣之外獲得_40°C的目標(biāo)溫度。極為需要加快這些步驟的速度，進(jìn)一步提高目標(biāo)溫度從冷凍探針向更深部組織的熱傳導(dǎo)，以及限制覆蓋目標(biāo)腫瘤體積所需的冷凍探針數(shù)量。存在各種已知的冷凍手術(shù)系統(tǒng)，包括例如液氮和一氧化二氮類型的系統(tǒng)。液氮具有約-200°C的非常理想的低溫，但是當(dāng)它被導(dǎo)入到與周圍溫暖的生物組織熱接觸的冷凍探針的遠(yuǎn)端冷凍區(qū)中時，其溫度升高至超過沸點溫度(_196°C)，在大氣壓下蒸發(fā)，體積膨脹幾百倍，并且從冷凍探針的遠(yuǎn)端快速吸收熱量。這種體積的極大增加產(chǎn)生“氣封”效應(yīng)，此時冷凍探針的微型針的內(nèi)部空間被氣態(tài)氮“堵塞”。此外，在這些系統(tǒng)中，在使用期間氣態(tài)氮被簡單地排放到大氣，其在暴露于手術(shù)室中的大氣水分后產(chǎn)生冷凝云，并且還需要頻繁地重新裝填或更換液氮儲存罐。一氧化二氮和氬氣系統(tǒng)通常通過加壓氣體在通過配置在冷凍探針末端尖頭處的Jou I e-Thomson膨脹元件例如小孔、節(jié)流閥或其他類型的流動約束物時的膨脹來實現(xiàn)冷卻。例如，典型的一氧化二氮系統(tǒng)將氣體加壓至約5至5.5MPa，以在約0.1MPa的壓力下達(dá)到不低于約-85至_65°C的溫度。對于氬氣來說，使用約21MPa的初始壓力獲得在0.1MPa的相同壓力下約_160°C的溫度。一氧化二氮冷卻系統(tǒng)不能達(dá)到由液氮系統(tǒng)所提供的溫度和冷卻功率，但是由于入口高壓氣體處于室溫，所以也具有某些優(yōu)點。當(dāng)一氧化二氮或氬氣到達(dá)探針尖頭處的Joule-Thomson節(jié)流部件或其他膨脹裝置時，沿著軸和延長軟管的冷卻有限，這排除了對那些系統(tǒng)部件的強力熱隔絕的需要。然而，由于不夠低的運行溫度并組合相對高的初始壓力，冷凍手術(shù)應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。 此外，Joule-Thomson系統(tǒng)通常使用熱交換器，利用流出的膨脹氣體來冷卻進(jìn)入的高壓氣體，以便通過使壓縮氣體膨脹來獲得必需的溫度下降。這些熱交換器系統(tǒng)與要求直徑小于3mm的探針尖頭的所需小型化尺寸不相容。盡管氬氣系統(tǒng)能夠獲得所需的冷凍消融溫度，但氬氣系統(tǒng)不提供足夠的冷卻功率，并且需要非常高的氣體壓力和體積。這些限制對于實際臨床應(yīng)用來說是非常不理想的。另一種冷凍消融系統(tǒng)使用處于近臨界或超臨界狀態(tài)的流體。這樣的冷凍消融系統(tǒng)描述在美國專利號7，083，612和7，273，479中。這些系統(tǒng)與以前的系統(tǒng)相比具有某些優(yōu)點。益處得自于具有氣體樣粘度的流體。利用接近氮的臨界點的運行條件，使系統(tǒng)避免了上面描述的不想要的氣封，同時仍提供良好的熱容量。此外，這樣的冷凍系統(tǒng)可以使用小通道探針。然而，在冷凍消融系統(tǒng)中使用近臨界制冷劑產(chǎn)生了挑戰(zhàn)。具體來說，在氮中，在其跨過臨界點后仍存在顯著的密度變化(約8倍)，導(dǎo)致儀器需要長的預(yù)冷時間。熱容量只在結(jié)晶臨界點時才高，并且系統(tǒng)在較高溫度下非常低效，需要長時間預(yù)冷。此外，系統(tǒng)不能有效地加溫(或融化)冷凍探針。另外，近臨界制冷劑系統(tǒng)需要定制的冷凍泵，其更難以產(chǎn)生并在冷凍溫度下更難操作。專利文獻(xiàn)中還描述了其他類型的冷凍系統(tǒng)。美國專利號5，957，963、6，161,543、6，241，722,6, 767，346,6, 936，045和2008年11月19日提交的國際專利申請?zhí)朠CT/US2008/084004，描述了有延展性和撓性的冷凍探針。描述供應(yīng)液氮、一氧化二氮、氬氣、氪氣和其他制冷劑或其不同組合并結(jié)合Joule-Thomson效應(yīng)的冷凍手術(shù)系統(tǒng)的專利的實例，包括美國專利號 5，520，682,5, 787，715,5, 956，958、6074572、6，530，234 和 6，981，382。在Vancelette的美國專利公開20080119840中描述了另一種類型的冷凍探針。通過在內(nèi)表面和外表面中帶有起皺、波狀或其他形式的隆起結(jié)構(gòu)，使冷凍探針尖頭具有增加的表面積。然而，示出的冷凍探針具有復(fù)雜的管狀橫截面，其可能難以制造。Vancelette中示出的管部分的復(fù)雜的橫截面，可能使制冷劑的返回通路復(fù)雜化，并使探針內(nèi)部的熱交換效率較低。盡管已存在上述專利文獻(xiàn)，但仍需要具有小尺寸和形狀以實現(xiàn)目標(biāo)生物組織的選擇性冷卻的改進(jìn)的冷凍消融裝置。在離組織接觸點幾毫米的距離處將目標(biāo)組織更快冷卻至細(xì)胞毒性溫度是關(guān)鍵的，但不是通過冷卻能力或低的探針表面溫度來獲得。具有高冷卻能力的冷凍系統(tǒng)，例如液氮、近臨界或單相液體冷卻系統(tǒng)，需要更快和更可靠的冷凍消融程序。對于具有可放置成與需要熱處理的目標(biāo)生物組織直接接觸的尖頭，在受控的時間段內(nèi)在目標(biāo)組織上形成冰球，并提高冷凍手術(shù)處理的有效性的改進(jìn)的冷凍消融裝置，仍存在需求。
對于具有能夠使用單相液體制冷劑運行的冷凍消融尖頭的、改進(jìn)的冷凍消融裝置，仍存在需求。發(fā)明簡述一種用于處理組織的冷凍消融裝置，其包含具有遠(yuǎn)端能量遞送部分和遠(yuǎn)端尖頭的細(xì)長軸；延伸通過所述遠(yuǎn)端能量遞送部分并用于將制冷劑朝向所述遠(yuǎn)端尖頭運輸?shù)闹辽僖粋€活動腔；延伸通過所述遠(yuǎn)端能量遞送部分并用于將所述制冷劑遠(yuǎn)離所述遠(yuǎn)端尖頭運輸?shù)闹辽僖粋€返回腔。所述遠(yuǎn)端能量遞送部分包含第一熱交換區(qū)和具有與所述第一熱交換區(qū)不同的熱傳遞效率的第二熱交換區(qū)，使得所述熱交換效率沿著所述細(xì)長軸的遠(yuǎn)端能量遞送部分縱向變化。在另一種實施方式中，所述第一熱交換區(qū)可以具有與所述第二熱交換區(qū)不同的表面積。所述第一熱交換區(qū)可以遠(yuǎn)離所述第二熱交換區(qū)，并且所述第一熱交換區(qū)具有比所述第二熱交換區(qū)更大的表面積。在另一種實施方式中，所述第一熱交換區(qū)具有第一長度，并且所述第一長度在2至6cm范圍內(nèi)。在另一種實施方式中，所述第一熱交換區(qū)具有第一長度，所述第二熱交換區(qū)具有第二長度，并且所述第一長度不同于所述第二長度。所述第一熱交換區(qū)的外表面可以具有選自隆起、溝槽和螺紋的外部特征或手段。在另一種實施方式中，所述外部特征是波紋，并具有2至5mm范圍內(nèi)的特征性高度。所述細(xì)長軸可以是剛性或撓性的，并可以具有基本上光滑且無隆起的內(nèi)表面。所述內(nèi)表面可以具有與所述外表面相同或不同的表面結(jié)構(gòu)。在另一種實施方式中，提供了一種用于處理組織的閉環(huán)、單相、液體制冷劑冷凍消融系統(tǒng)，其包含(a)用于容納處 于初始壓力和初始溫度下的所述液體制冷劑容器；(b)可操作以將所述液體制冷劑的壓力增加至預(yù)定壓力，從而形成壓縮的液體制冷劑的液體泵；(c)可操作以將所述壓縮的液體制冷劑冷卻至預(yù)定冷凍溫度的冷卻裝置，所述預(yù)定冷凍溫度低于所述初始溫度；以及(d)與所述冷卻裝置連接并適合于接收所述壓縮的液體制冷劑的冷凍探針。所述冷凍探針包含具有遠(yuǎn)端能量遞送部分和遠(yuǎn)端尖頭的細(xì)長軸。所述能量遞送部分包括至少一個冷卻腔和至少一個返回腔，其中所述液體制冷劑分別通過所述冷卻腔和返回腔朝向和遠(yuǎn)離所述遠(yuǎn)端尖頭流動，并且其中至少一個腔與所述容器流體連接，從而完成所述液體制冷劑的回路，并且當(dāng)所述制冷劑沿著所述回路運輸時，所述液體制冷劑不蒸發(fā)。所述遠(yuǎn)端能量遞送部分包含第一熱交換區(qū)，其具有增強所述組織與所述遠(yuǎn)端能量遞送部分之間的熱交換的第一外部幾何結(jié)構(gòu)。所述第一外部幾何結(jié)構(gòu)選自隆起、波紋和螺紋。所述遠(yuǎn)端能量遞送部分可以包含第二熱交換區(qū)，其具有與所述第一外部幾何結(jié)構(gòu)不同的幾何結(jié)構(gòu)。在另一種實施方式中，所述至少一個冷卻腔包含大量冷卻微管，其在軸向方向上延伸并增加所述遠(yuǎn)端能量遞送部分中的有效表面積。所述微管可以采取纏繞束的形式。在另一種實施方式中，所述微管圍繞所述遠(yuǎn)端能量遞送部分的外周放置。所述預(yù)定冷凍溫度可以低于或等于_140°C。所述初始壓力可以在0.2至1.5MPa之間，并且所述預(yù)定壓力可以在0.6至2.0MPa之間。在另一種實施方式中，提供了一種用于向組織施加冷凍能量的冷凍消融方法，所述方法包括下列步驟:沿著第一流徑驅(qū)動液體制冷劑，所述第一流徑始于制冷劑容器的出口，經(jīng)過具有能量遞送遠(yuǎn)端部分的冷凍探針，返回到所述制冷劑容器的入口，其中所述液體制冷劑沿著所述第一流徑保持在僅為液體的狀態(tài)。將所述冷凍探針的遠(yuǎn)端部分置于所述組織附近。通過沿著所述冷凍探針的遠(yuǎn)端部分延伸的第一熱交換區(qū)域，將冷凍能量傳遞至所述組織。通過沿著所述冷凍探針的遠(yuǎn)端部分延伸的第二熱交換區(qū)域，將冷凍能量傳遞至所述組織。通過第一熱交換區(qū)域?qū)⒗鋬瞿芰總鬟f至所述組織的步驟，可以包括通過第一表面區(qū)域遞送能量，所述第一表面區(qū)域大于所述第二熱交換區(qū)域的第二表面區(qū)域。所述第一表面區(qū)域可以比所述第二表面區(qū)域大至少1.1至3.0倍。所述第一表面區(qū)域可以包括隆起。此外，所述放置的步驟可以通過選自內(nèi)窺鏡、可視化裝置和轉(zhuǎn)向裝置的一種裝置來執(zhí)行。在另一種實施方式中，將大量冷凍探針插入到所述組織中。所述第一冷凍探針的第一熱交換區(qū)和所述至少第二冷凍探針的第一熱交換區(qū)可以轉(zhuǎn)動，以使所述第一冷凍探針的第一熱交換區(qū)面朝所述至少第二冷凍探針的第一熱交換區(qū)。在另一種實施方式中，提供了一種用于向組織施加能量的冷凍消融方法，所述方法包括將所述冷凍探針的遠(yuǎn)端部分置于所述組織附近；形成在所述遠(yuǎn)端部分的第一區(qū)域周圍并與所述組織相接觸的第一冰結(jié)構(gòu)，其中所述第一冰結(jié)構(gòu)通過經(jīng)所述遠(yuǎn)端部分的第一區(qū)域施加冷凍能量來形成；以及形成在所述遠(yuǎn)端部分的第二區(qū)域周圍并與所述組織相接觸的第二冰結(jié)構(gòu)，其中所述第二冰結(jié)構(gòu)通過經(jīng)所述遠(yuǎn)端部分的第二區(qū)域施加冷凍能量來形成。所述第一冰結(jié)構(gòu)可以具有與所述第二冰結(jié)構(gòu)不同的尺寸。在另一種實施方式中，所述第一冰結(jié)構(gòu)的形狀是選自圓柱形、球形和卵形的一種形狀。從下面的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的描述、目的和優(yōu)點將變得明顯。附圖簡述

圖1是對應(yīng)于在冷凍消融系統(tǒng)中使用的液體制冷劑的冷卻循環(huán)的相圖。圖2是液氮的沸點溫度隨壓力變化的圖。圖3是在冷凍探針中包含大量微管的用于冷凍消融處理的冷卻系統(tǒng)的示意圖。圖4a是本發(fā)明的冷凍探針的遠(yuǎn)端部分的橫截面視圖。圖4b是圖4a中示出的遠(yuǎn)端尖頭的放大視圖。圖4c是圖4a中示出的冷凍探針的過渡區(qū)段的放大視圖。圖4d是圖4a中示出的冷凍探針的端視圖。圖4e是沿著線4e_4e獲得的橫截面視圖，其示出了用于將液體制冷劑朝向和遠(yuǎn)離冷凍探針的遠(yuǎn)端尖頭運輸?shù)拇罅课⒐?。圖5-7示出了閉環(huán)、單相、液體制冷劑冷凍消融系統(tǒng)，其包括可操作以沿著其遠(yuǎn)端部分產(chǎn)生各種形狀的冰的冷凍探針。圖8A是插入在生物組織中的冷凍探針的側(cè)視圖。圖SB是沿著線8B-8B獲得的圖8A中示出的冷凍探針和組織的橫截面視圖。圖9A是具有增強的熱交換區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)區(qū)的冷凍消融裝置的細(xì)長軸的部分側(cè)視圖。圖9B示出了冷凍消融裝置的各種遠(yuǎn)端尖頭形狀。圖9C是在圖9A中示出的冷凍消融裝置的細(xì)長軸周圍形成的冰結(jié)構(gòu)的視圖。圖9D-9G示出了用于冷凍消融裝置 的各種類型的熱交換區(qū)。圖1OA是使用具有增強的熱交換區(qū)的冷凍消融裝置的實驗設(shè)置圖。
圖1OB是在圖1OA中描繪的實驗設(shè)置中使用的冷凍消融裝置的側(cè)視圖。圖11是第一數(shù)據(jù)集，其示出了使用圖1OA中示出的實驗設(shè)置時冰結(jié)構(gòu)隨時間的形成。圖12是第二數(shù)據(jù)集，其示出了使用圖1OA中示出的實驗設(shè)置時冰結(jié)構(gòu)隨時間的形成。圖13A-D示出了對于各種冷凍探針來說，所預(yù)測的分別在5分鐘和10分鐘時的冰球生長。圖14A是置于腫瘤中的本發(fā)明的一種實施方式的兩個冷凍探針的部分頂視圖。圖14B是圖14A中示出的兩個冷凍探針和組織的端視圖。圖15A是置于腫瘤中的兩個標(biāo)準(zhǔn)冷凍探針的部分頂視圖。圖15B是圖15A中示出的兩個冷凍探針和組織的端視圖。發(fā)明詳述在詳細(xì)描述本發(fā)明之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于本文中提出的具體變化形式，這是因為可以對所描述的發(fā)明做出各種改變和修改并且可以用等同物替代，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。正如本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員在閱讀本公開內(nèi)容后明顯看到的，每個本文中所描述和實例的單個實施方式具有分立的部件和特征，其可以容易地與任何其他幾種實施方式的特征分離開或合并，而不背離本發(fā)明的范圍或精神。此外，可以做出許多修改以使特定情形、材料、物質(zhì)組成、方法、方法行動或步驟適應(yīng)于本發(fā)明的目的、精神或范圍。所有這樣的修改都打算包含在本文做出的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
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本文中列舉的方法，可以以所列舉事件的邏輯上可能的任何順序以及所列舉的事件順序來執(zhí)行。此外，在提供值的范圍時，應(yīng)該理解，在該范圍的上限與下限之間的每個中間值以及該陳述范圍內(nèi)的任何其他陳述值或中間值，被涵蓋在本發(fā)明之內(nèi)。此外，還設(shè)想了所描述的發(fā)明變化形式的任何任選特征，可以被獨立地或與本文描述的任一個或多個特征組合地提出或要求保護(hù)。本文中提到的任何現(xiàn)有主題內(nèi)容(例如出版物、專利、專利申請和硬件)在此以其整體引為參考，除了在所述主題內(nèi)容可能與本發(fā)明的主題內(nèi)容沖突的情況之外(在所述情況下以本文中提出的主題內(nèi)容為準(zhǔn))。對單個物品的指稱，包括了存在多個所提出的相同物品的可能性。更具體來說，當(dāng)在本文和權(quán)利要求書中使用時，單數(shù)形式包括復(fù)數(shù)指稱物，除非上下文明確闡明不是如此。還應(yīng)指出，權(quán)利要求可以被起草成排除任何可選要素。因此，對于與權(quán)利要求要素的列舉相結(jié)合使用這樣的排他性術(shù)語例如“單獨”、“僅僅”等，或“否定性”限制的使用來說，該陳述打算起到先行基礎(chǔ)的作用。最后，應(yīng)該認(rèn)識到，除非另有限定，否則在本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語，具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通專業(yè)人員所通常理解的相同的意義。本文中描述的冷凍技術(shù)包含大量參數(shù)、特征和/或步驟，以在整個目標(biāo)組織體積中產(chǎn)生細(xì)胞毒性組織溫度。它們包括但不限于:1.)總體冷卻能力或除去一定量的產(chǎn)熱瓦數(shù)的能力；2.)冷凍探針或冷凍導(dǎo)管在與組織接觸的表面處可以獲得的最低溫度；以及3.)冷凍探針或冷凍導(dǎo)管與目標(biāo)組織相接觸的表面積。除了其他特征之外，在本文中對這后一種特征進(jìn)行討論，以便實現(xiàn)增加的冷卻能力和低溫。用于冷凍消融處理的冷卻系統(tǒng)使用處于低壓和冷凍溫度的液體制冷劑，來提供冷凍探針遠(yuǎn)端和待消融的周圍生物組織的可靠冷卻。此外，增加探針遠(yuǎn)端部分的熱交換區(qū)域與使用液體制冷劑作為冷卻手段相結(jié)合，能夠顯著提高冷凍消融效率。這與使用標(biāo)準(zhǔn)的光滑表面探針技術(shù)相比，導(dǎo)致I)更快或2)離探針更遠(yuǎn)地在距探針的徑向距離處達(dá)到目標(biāo)溫度。冷卻系統(tǒng)優(yōu)選使用低壓和冷凍溫度的制冷劑。示例性的制冷劑是R218制冷劑(八氟丙烷)。為了說明其某些性質(zhì)，在圖1中示出了 R218制冷劑的相圖。圖1中相圖的軸對應(yīng)于R218制冷劑的壓力P和溫度T，并包括相線11和12，其描繪出固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)共存的點(P，T)的軌跡。盡管結(jié)合本實施方式示出了 R218，但本發(fā)明可以包括對任何其他液體制冷劑的使用。在圖1的點A處，制冷劑在儲存罐或容器中處于“液-氣”平衡狀態(tài)。它在約0.4MPa的初始壓力PO下具有等于或略低于環(huán)境溫度的溫度το。閉環(huán)循環(huán)或制冷劑流徑始于液體制冷劑離開容器或儲存罐的位點處。為了使制冷劑在整個冷卻循環(huán)中保持在液態(tài)并提供制冷劑流過冷凍探針或?qū)Ч芩璧膲毫?，將其維持在約0.7至0.8MPa范圍內(nèi)(或在本實例中約0.75MPa)的略微升高的壓力下。這對應(yīng)于圖1中的點B。點B處于R218制冷劑的液態(tài)區(qū)域中。此外，通過冷卻裝置(例如但不限于冷凍機)將液體從點B冷卻至點C至溫度Tmin，其由圖1中的路徑13所示。該溫度將略高于它在升高的壓力下的凍結(jié)溫度。點C處的冷液體制冷劑被用于冷凍消融處理，并被導(dǎo)入到與待處理的生物組織熱接觸的冷凍探針的遠(yuǎn)端中。這種熱接觸引起液體制冷劑溫度升高，并且同時，由冷凍探針的微通道遠(yuǎn)端的流體阻力(阻抗)引起壓力從點C下降至點D。返回液體的溫度由于其環(huán)境而升高。具體來說，由于與周圍環(huán)境的熱交流以及由裝置例如止回閥所維持的略微升高的壓力，溫度升高(點A*)。為了在將液體制冷劑返回到儲存罐的返回管線中維持液相條件，約6kPa的小的壓力降是是理想的。最后，循環(huán)或流徑在液體制冷劑進(jìn)入儲存罐的位點處完成。液體制冷劑的重新進(jìn)入可以通過容器中的端口或進(jìn)入孔，其再一次對應(yīng)于圖1的點A。如果需要，上述冷卻循環(huán)將繼續(xù)重復(fù)。在某些實例中 ，冷卻裝置或冷凍機可以是浸沒在加壓液氮中的熱交換器，所述液氮具有取決于其壓力的預(yù)定溫度Tmin。壓力可以在約1.0至3.0MPa的范圍內(nèi)。液氮可以用液氬或液氪代替。在這些情況下，預(yù)定溫度Tmin將在低至約0.1至0.7MPa的壓力下獲得。液氮的“壓力P-溫度T”圖的實例示出在圖2中，其定義了必需的預(yù)定溫度Tmin和液體制冷劑的相應(yīng)壓力。本發(fā)明的實施方式是使處于可用液體狀態(tài)的制冷劑，在冷卻循環(huán)期間的低壓和低溫下，沒有任何蒸發(fā)地在閉環(huán)中循環(huán)。這種用于冷凍消融處理的冷卻系統(tǒng)示意性顯示在圖3中，其中容器30中處于初始壓力pO下的液體制冷劑，在環(huán)境溫度TO下被液體泵31壓縮。與通過使制冷劑蒸發(fā)然后對蒸氣進(jìn)行高度壓縮來實現(xiàn)冷卻的典型的閉合冷卻循環(huán)相反，這種泵由于驅(qū)動不可壓縮的液體，因此其尺寸可以非常小。此外，液體制冷劑通過盤管部分33轉(zhuǎn)移到冷凍機32中，所述盤管部分浸沒在由轉(zhuǎn)移管線36提供并由止回閥37維持在預(yù)定壓力下的蒸發(fā)制冷劑34、35中。蒸發(fā)制冷劑具有預(yù)定溫度Tmin。冷凍機32的盤管部分33與撓性遠(yuǎn)端311的多管形入口流體轉(zhuǎn)移微管流體連接，使得具有最低運行溫度Tmin的冷液體制冷劑通過冷輸入管線38流入冷凍探針的遠(yuǎn)端311中，所述冷輸入管線被真空殼39包封形成真空空間310。位于流體轉(zhuǎn)移微管末端處的端蓋312提供了從入口流體轉(zhuǎn)移微管向含有返回的液體制冷劑的出口流體轉(zhuǎn)移微管的流體轉(zhuǎn)移。返回的液體制冷劑隨后通過止回閥313，其旨在將返回的制冷劑的壓力降低至略高于初始壓力PO。最后，制冷劑通過端口或開口 315重新進(jìn)入容器30，完成液體制冷劑的流徑。系統(tǒng)提供了制冷劑的連續(xù)流動，并且圖3中的路徑A-B-C-D-A*-A對應(yīng)于圖1中指示的相的物理位置。沿著從制冷劑通過開口 317離開容器的位點到它經(jīng)開口 315返回到儲存罐或容器的位點的整個流徑或循環(huán)，制冷劑維持其液體狀態(tài)。使用液體制冷劑的閉環(huán)冷凍探針的實例，描述在2009年4月17日提交的題為“用于冷凍消融處理的方法和系統(tǒng)” (Method and System for Cryoablation Treatment)的專利申請?zhí)?2/425, 938中。優(yōu)選情況下，最低溫度(Tmin)不低于所使用的液體制冷劑的凍結(jié)溫度。對于冷凍手術(shù)中的許多實際應(yīng)用來說，冷凍探針遠(yuǎn)端的溫度必須為至少-1000C或更低，更優(yōu)選為-1400C或更低，以便有效地執(zhí)行冷凍消融程序。為了擴散各種組織消融，這包括從冷凍探針的徑向表面盡可能遠(yuǎn)并盡可能快地產(chǎn)生細(xì)胞毒性溫度(例如_40°C)。存在下面表I中所示的幾種常用無毒性制冷劑，其已知具有約-1500C或更低的正常凍結(jié)溫度。表I
權(quán)利要求
1.一種用于處理組織的冷凍消融裝置，其包含: 細(xì)長軸，其具有遠(yuǎn)端能量遞送部分和遠(yuǎn)端尖頭； 至少一個活動腔，其延伸通過所述遠(yuǎn)端能量遞送部分，用于將制冷劑朝向所述遠(yuǎn)端尖頭運輸； 至少一個返回腔，其延伸通過所述遠(yuǎn)端能量遞送部分，用于將所述制冷劑遠(yuǎn)離所述遠(yuǎn)端尖頭運輸；其中所述遠(yuǎn)端能量遞送部分包含第一熱交換區(qū)和具有與所述第一熱交換區(qū)不同的熱傳遞效率的第二熱交換區(qū)。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中第一熱交換區(qū)具有與所述第二熱交換區(qū)不同的表面積。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)遠(yuǎn)離所述第二熱交換區(qū)，并且所述第一熱交換區(qū)具有比所述第二熱交換區(qū)更大的表面積。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)的外表面具有選自隆起、溝槽、波紋和螺紋的外部特征。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)具有第一長度，并且所述第一長度在Icm至6cm范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)具有第一長度，所述第二熱交換區(qū)具有第二長度，并且所述第一長度與所述第二長度不同。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中所述細(xì)長軸是剛性的。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)的內(nèi)表面是基本上光滑且無隆起的。
9.權(quán)利要求4的裝置，其中所述外部特征是波紋，并具有2mm至5mm范圍內(nèi)的特征性高度。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)遠(yuǎn)離所述第二熱交換區(qū)，使得熱交換效率沿著所述細(xì)長軸的遠(yuǎn)端能量遞送部分縱向變化。
11.權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)對應(yīng)于所述細(xì)長軸的能量遞送部分的第一弓形區(qū)段，所述第二熱交換區(qū)對應(yīng)于所述細(xì)長軸的能量遞送部分的第二弓形區(qū)段，使得熱交換效率圍繞所述細(xì)長軸的遠(yuǎn)端能量遞送部分的外周變化。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)具有比所述第二熱交換區(qū)更大的表面積。
13.權(quán)利要求12的裝置，其中所述第一熱交換區(qū)的外表面具有選自隆起、溝槽、波紋和螺紋的外部特征。
14.權(quán)利要求12的裝置，其中所述第一弓形區(qū)段跨過所述遠(yuǎn)端能量遞送部分的外周的1/4 至 3/4。
15.一種用于處理組織的閉環(huán)、單相、液體制冷劑冷凍消融系統(tǒng)，其包含: 容器，其用于容納處于初始壓力和初始溫度下的所述液體制冷劑； 液體泵，其可操作以將所述液體制冷劑的壓力增加至預(yù)定壓力，從而形成壓縮的液體制冷劑； 冷卻裝置，其可操作以將所述壓縮的液體制冷劑冷卻至預(yù)定冷凍溫度，所述預(yù)定冷凍溫度低于所述初始溫度；以及 冷凍探針，其與所述冷卻裝置連接并適合于接收所述壓縮的液體制冷劑，所述冷凍探針還包含具有遠(yuǎn)端能量遞送部分和遠(yuǎn)端尖頭的細(xì)長軸，所述能量遞送部分包含至少一個冷卻腔和至少一個返回腔，其中所述液體制冷劑分別通過所述冷卻腔和返回腔朝向和遠(yuǎn)離所述遠(yuǎn)端尖頭流動，并且其中至少一個腔與所述容器流體連接，從而完成所述液體制冷劑的回路，當(dāng)所述制冷劑沿著所述回路運輸時，所述液體制冷劑不蒸發(fā)，并且 其中所述遠(yuǎn)端能量遞送部分包含第一熱交換區(qū)，所述第一熱交換區(qū)具有增強所述組織與所述遠(yuǎn)端能量遞送部分之間的熱交換的第一外部幾何結(jié)構(gòu)。
16.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述第一外部幾何結(jié)構(gòu)選自隆起和螺紋。
17.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述遠(yuǎn)端能量遞送部分包含第二熱交換區(qū)，所述第二熱交換區(qū)具有與所述第一外部幾何結(jié)構(gòu)不同的幾何結(jié)構(gòu)。
18.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述至少一個冷卻腔包含大量冷卻微管，所述冷卻微管在軸向方向上延伸并圍繞所述遠(yuǎn)端能量遞送部分的第一熱交換區(qū)的外周放置。
19.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述預(yù)定冷凍溫度低于或等于_140°C。
20.權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述初始壓力在0.2MPa至1.5MPa之間，并且所述預(yù)定壓力在0.6MPa至2.0MPa之間。
21.一種用于向組織施加能量的冷凍消融方法，所述方法包括: 將所述冷凍探針的所述遠(yuǎn)端部分置于所述組織附近； 形成在所述遠(yuǎn)端部分的第一區(qū)域周圍并與所述組織相接觸的第一冰結(jié)構(gòu)，其中所述第一冰結(jié)構(gòu)通過經(jīng)所述遠(yuǎn)端部分的第一區(qū)域施加冷凍能量來形成；以及 形成在所述遠(yuǎn)端部分的第二區(qū)域周圍并與所述組織相接觸的第二冰結(jié)構(gòu)，其中所述第二冰結(jié)構(gòu)通過經(jīng)所述遠(yuǎn)端部分的 第二區(qū)域施加冷凍能量來形成。
22.權(quán)利要求21的方法，其中所述第一冰結(jié)構(gòu)具有與所述第二冰結(jié)構(gòu)不同的尺寸。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述第一冰結(jié)構(gòu)的形狀是選自圓柱形、球形和卵形的一種形狀。
24.一種用于向組織施加冷凍能量的冷凍消融方法，所述方法包括下列步驟: 沿著第一流徑驅(qū)動液體制冷劑，所述第一流徑始于制冷劑容器的出口，經(jīng)過具有能量遞送遠(yuǎn)端部分的第一冷凍探針，并返回到所述制冷劑容器的入口，其中所述液體制冷劑沿著所述第一流徑保持在僅為液體的狀態(tài)； 將所述第一冷凍探針的所述遠(yuǎn)端部分置于所述組織附近； 通過沿著所述第一冷凍探針的所述遠(yuǎn)端部分延伸的第一熱交換區(qū)，將冷凍能量傳遞至所述組織；以及 通過沿著所述第一冷凍探針的所述遠(yuǎn)端部分延伸的第二熱交換區(qū)，將冷凍能量傳遞至所述組織。
25.權(quán)利要求24的方法，其中通過第一熱交換區(qū)將冷凍能量傳遞至所述組織的步驟，包括通過第一表面區(qū)域遞送能量，所述第一表面區(qū)域大于所述第二熱交換區(qū)的第二表面區(qū)域。
26.權(quán)利要求24的方法，其中所述第一表面區(qū)域包括隆起。
27.權(quán)利要求24的方法，其中所述放置步驟通過選自內(nèi)窺鏡、可視化裝置和轉(zhuǎn)向裝置的一種裝置來執(zhí)行。
28.權(quán)利要求25的方法，其中所述第一表面區(qū)域為所述第二表面區(qū)域的至少1.1至.3.0 倍。
29.權(quán)利要求24的方法，其還包括將至少第二冷凍探針插入到所述組織中。
30.權(quán)利要求29的方法，其還包括操作所述第一冷凍探針的第一熱交換區(qū)和所述至少第二冷凍探針的第一熱交換區(qū)中的至少一個，以使所述第一冷凍探針的第一熱交換區(qū)面朝所述至少第二冷凍探針的 第一熱交換區(qū)。
全文摘要
一種冷凍消融裝置，其包括遠(yuǎn)端能量遞送部分以促進(jìn)能量向組織轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致更快獲得目標(biāo)組織溫度。所述能量遞送部分包括第一熱交換區(qū)和具有與所述第一熱交換區(qū)不同的熱交換效率的第二熱交換區(qū)。所述第一熱交換區(qū)可以具有沿著冷凍探針的徑向部分或長度的且與周圍組織相接觸的增加的表面面積。所述熱交換區(qū)可以包括用于增加熱接觸表面面積的隆起、紋理、螺紋和微管并向所述組織提供增強的冷凍能量。
文檔編號A61B18/02GK103189011SQ201180052244
公開日2013年7月3日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者阿萊克謝·巴布金, 彼得·利特拉普, 威廉·尼達(dá)姆 申請人:克萊米迪克斯有限責(zé)任公司