治療受損生物組織的方法：冷凍療法

冷凍技術(shù)被用于治療多種化妝品皮膚病問題，以及移除體內(nèi)腫瘤和受損組織。英國(guó)伯明翰大學(xué)（University of Birmingham）的研究人員放棄了此前典型的氮基方法，轉(zhuǎn)而試圖研究熱電冷卻裝置或 Peltier 裝置對(duì)冷凍探針冷卻的潛力。讓我們看看研究人員們是如何借助 COMSOL Multiphysics 提供的工具完成這一研究的。

使用低溫技術(shù)治療受損組織

在之前的一篇文章中，我們討論過一種治療受損生物組織的方法：冷凍療法。冷凍療法本身效率很高且沒有副作用，其治療機(jī)理是對(duì)受損組織進(jìn)行冷凍，隨后使其解凍并脫落。

液氮通常被用作冷凍療法的冷凍劑。圖像由 Cory Doctorow 拍攝。已獲CC BY-SA 2.0授權(quán)，通過 Wikimedia Commons共享。

液氮是冷凍療法中使用的最典型的冷凍劑，目前出現(xiàn)了另一種對(duì)冷凍手術(shù)探針進(jìn)行冷卻的方法 — 它無(wú)需利用低溫冷卻液進(jìn)行制冷，故探針的結(jié)構(gòu)可更加緊湊，重量也更輕。具體方法就是運(yùn)用熱電器件。

熱電制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如果對(duì)一個(gè)裝置的兩端施加不同的溫度，裝置會(huì)產(chǎn)生電壓，那么相應(yīng)的，對(duì)這個(gè)裝置施加電壓時(shí)，其兩端便會(huì)產(chǎn)生更大的溫度差。這便是熱電效應(yīng)，這一現(xiàn)象可被用來發(fā)電、測(cè)量溫度及改變物體溫度。

根據(jù)熱電效應(yīng)的原理，熱電冷卻裝置或 Peltier 裝置會(huì)在兩種不同導(dǎo)電材料的連接點(diǎn)產(chǎn)生溫度差。裝置會(huì)將熱量從一端傳輸?shù)搅硪欢?，傳輸方向取決于電流方向。換言之，裝置的一側(cè)會(huì)變冷，而另一側(cè)會(huì)變熱。Peltier 裝置的設(shè)計(jì)可根據(jù)用途的不同而改變，其應(yīng)用范圍涵蓋了從電子元件散熱到制冷和空調(diào)行業(yè)。

Peltier 裝置示意圖。

對(duì)于冷凍療法來說，以 Peltier 裝置為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的探針相比于以氮為基礎(chǔ)的冷凍探針，具備很多潛在優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是它無(wú)需額外部件及維持加壓氣體安全性所需的預(yù)防措施。不僅如此，這種設(shè)計(jì)也更加靈敏、可靠，同時(shí)為醫(yī)療工作人員提供了更高的使用靈活性。

讓我們看看伯明翰大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)是如何利用仿真來探索這一裝置在冷凍療法上的應(yīng)用潛力，以及如何對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的。

借助 COMSOL Multiphysics 對(duì)冷凍療法所用熱電探針進(jìn)行仿真

該分析中使用的 Peltier 裝置由數(shù)個(gè)與銅層連接的碲化鉍半導(dǎo)體元件組成，并整體被夾在鋁板中間。為了了解 Peltier 裝置中的熱量分布，研究人員使用了固體傳熱物理場(chǎng)接口。同時(shí)，通過對(duì)電流物理場(chǎng)接口的應(yīng)用，計(jì)算出了電場(chǎng)、電流和電位分布。為了將模型的電學(xué)行為和熱學(xué)行為耦合在一起，他們使用了熱電效應(yīng)多物理場(chǎng)節(jié)點(diǎn) — 這是一個(gè)用于分析和優(yōu)化 Peltier 裝置的強(qiáng)有力的工具。

這項(xiàng)研究從對(duì)單級(jí)Peltier 裝置的仿真開始。初步分析中，對(duì)裝置施加的最大電流和電壓分別為 12 A 和 15.2 V。結(jié)果如下圖所示，最大溫差小于 70 K。因此，單級(jí)設(shè)計(jì)無(wú)法產(chǎn)生冷凍組織所需的低溫（203 K）。

單級(jí) Peltier 裝置中的溫度分布。

為了獲得冷凍所需的溫度，研究人員將注意力轉(zhuǎn)向測(cè)試多級(jí) Peltier 裝置。您可能想知道為什么對(duì)單級(jí)設(shè)計(jì)應(yīng)用更高的電流密度不是最佳選擇。因?yàn)樵龃箅娏髅芏葧?huì)引起更強(qiáng)的焦耳熱效應(yīng)，而焦耳熱效應(yīng)在某種程度上會(huì)極大地影響 Peltier 效應(yīng)。多級(jí)裝置的配置可以避免電流密度的增加（即避免焦耳熱效應(yīng)的增強(qiáng)）。

為解決這一情況，研究人員在設(shè)計(jì)中增加了第二層和三層的 Peltier 元件，以提高上層和下層陶瓷片之間的溫差。研究結(jié)果表明，兩級(jí)設(shè)計(jì)無(wú)法產(chǎn)生冷凍療法所需的低溫，而三級(jí)設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生低達(dá) 210 K 的溫度。雖然這個(gè)溫度還是略高于 203 K 凍結(jié)溫度，但是這一研究結(jié)果表明多級(jí) Peltier 裝置可以產(chǎn)生更低溫度。這將成為未來冷凍療法裝置設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)。

二級(jí)（左圖）和三級(jí)（右圖）級(jí)聯(lián)熱電器件的表面溫度。圖像來源于 P. Aliabadi, S. Mahmoud 和 R. K. AL-Dadah 發(fā)表于COMSOL Conference 2014 Cambridge 的會(huì)議論文。

這些研究結(jié)果證實(shí)了 Peltier 裝置產(chǎn)生凍結(jié)溫度的特性具有可被應(yīng)用于冷凍療法的潛力。這些研究為相關(guān)醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)步拓寬了道路，為受損組織的治療提供了更安全、更可靠的方法。