冷凍手術装置およびその温度制御方法
【目的】 胃などの体内の患部を冷凍治療できるとともに、温度を精密に制御することができる冷凍手術装置およびその温度制御方法を提供する。
【解決手段】 患部を冷凍するためのプローブ２０と、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管１０とを含む冷凍手術装置において、プローブ２０は、患部４０と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、可撓性の管１０は多重管構造を有しており、伝熱部を冷却するために、多重管構造の外側の管１１内から内側の管１２内へと冷媒１を流して冷媒を膨張させる細孔が設けられている。この冷凍手術装置は、ペルチェ素子に電圧を印加してプローブ２０の患部と接触する面を常温に保ち、このペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて患部と接触する面を冷却することで、温度制御が行われる。
【解決手段】 患部を冷凍するためのプローブ２０と、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管１０とを含む冷凍手術装置において、プローブ２０は、患部４０と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、可撓性の管１０は多重管構造を有しており、伝熱部を冷却するために、多重管構造の外側の管１１内から内側の管１２内へと冷媒１を流して冷媒を膨張させる細孔が設けられている。この冷凍手術装置は、ペルチェ素子に電圧を印加してプローブ２０の患部と接触する面を常温に保ち、このペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて患部と接触する面を冷却することで、温度制御が行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍手術装置およびその温度制御方法に関し、詳しくは、胃や食道、肝臓、肝臓、子宮などの体内の患部の治療に適した冷凍手術装置およびその温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、癌や腫瘍などに侵された患部を切除せず、クライオプローブと呼ばれる冷凍手術用プローブを用いて患部を−１００℃以下の低温まで冷却し冷凍させて壊死させるという冷凍手術が行われている。冷凍手術は、患部のみの局所的な治療を行うことができ、出血や炎症反応が少なく、術後の変性や機能障害が少ないといった様々な利点が指摘されている。
【０００３】
冷凍手術装置の冷却方法としては、クライオプローブ内に液体窒素を流して先端部で気化させることで冷却を行う相変化の利用や、アルゴンガスや二酸化炭素のような高圧ガスを用いてジュールトムソン冷却を行う等エンタルピー膨張の利用がある。
【０００４】
しかしながら、このような装置では、冷却能力は高いものの、冷媒の物性に依存するため伝熱制御が難しく、精密な患部の処置には限界があるという問題や、また、胃などの体内の患部を冷凍する場合、患部に達するまで極低温となるパイプを断熱する必要があるという問題がある。
【０００５】
一方、精密に温度制御ができる冷凍手術装置として、特開２００２−１７７２９６号公報や特開２００４−２６１２１０号公報には、冷却と加熱の切り替えが可能なペルチェ素子を利用し、このペルチェ素子の患部と接触する面とペルチェ素子の電極兼ヒートシンクとの間を断熱層で断熱するとともに、電極兼ヒートシンクをドライアイスなどの冷却剤が封入された外部冷却器で冷却することで、ペルチェ素子の患部と接触する面を急速冷却できることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、上記文献に記載された装置には、真空断熱層や、不活性ガスが封入された断熱ガス層などの断熱層が設けられているとともに、電極兼ヒートシンクの冷却にドライアイスを用いた外部冷却器が設置されているので、この装置は大型であり、皮膚などの外部に露出している患部の治療には最適であるが、クライオプローブに組み込んで胃などの体内の患部を治療するには困難であるという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１７７２９６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６１２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、胃などの体内の患部を治療できるとともに、温度を精密に制御することができる冷凍手術装置およびその温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、冷凍手術装置であって、患部を冷凍するためのプローブと、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管とを含んでなる冷凍手術装置において、前記プローブは、患部と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、前記可撓性の管は多重管構造を有しており、前記伝熱部を冷却するために、前記多重管構造の外側の管内から内側の管内へと前記冷媒を流して前記冷媒を膨張させる細孔が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このように、プローブへ冷媒を送るための可撓性の管を多重管構造とし、その外側の管内から内側の管内に冷媒が流れる際に冷媒が膨張してプルーブの伝熱部を冷却するように細孔を設けたことによって、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱部を冷却できるとともに、伝熱部を冷却した冷媒は内側の管内を通って排出されるので、パイプやプローブを特別な断熱構造にする必要がなくなり、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。また、ペルチェ素子の患部と接触する面とは反対側の面に伝熱部を熱的に接続させたので、このペルチェ素子により患部と接触する面を急速冷却あるいは急速加熱することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ先端の温度を精密に制御することができる。
【００１０】
前記細孔は、前記多重管構造の内側の管に設けられていることが好ましく、さらに、前記細孔は、前記冷媒が前記多重管構造の外側の管内から前記伝熱部内を通って前記多重管構造の内側の管内へと流れるように設けられていることが好ましい。このように、冷媒を伝熱部の内部を通って膨張させることで、伝熱部を効率良く冷却することができる。
【００１１】
前記多重管構造の外側および内側の管は、円筒形状に形成されており、前記プローブの患者と接触する面は、前記外側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブの反対側の面は、前記内側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成されており、このように形成されたプルーブは、前記内側の管内に挿入されていることが好ましい。このような構成とすることで、多重管構造の管とプルーブとの間の接合が強固となり、冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明は、別の態様として、冷凍手術装置に設けられた患部を冷凍するためのプローブにおける患部と接触する面の温度制御方法であって、多重管構造を有する可撓性の管の外側の管内に冷媒を導入して前記プローブへ冷媒を送る工程と、この冷媒を細孔を介して内側の管内へ流し、冷媒の膨張により冷媒の温度を低下させる工程と、この温度が低下した冷媒で、前記患部を接触する面を有するペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部を冷却する工程と、前記ペルチェ素子に電圧を印加して前記患部と接触する面を常温に保つ工程と、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、前記患部と接触する面を冷却する工程とを含んでなることを特徴とする。
【００１３】
このように、多重管構造の外側の管内に冷媒を導入し、細孔を介してこの冷媒を内側の管内に流すことで、冷媒が膨張され、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱部を冷却することができる。また、伝熱部を冷却した冷媒を内側の管内から排出するので、パイプやプローブを特別な断熱構造にすることなく、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。さらに、伝熱部を冷却する一方で、ペルチェ素子に電圧を印加することにより、患部と接触する面は常温状態に保つことができる。そして、電圧の極性を切り替えることで、患部と接触する面を急速冷却することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ先端の温度を精密に制御することができる。
【００１４】
前記多重管構造の外側の管内に導入する冷媒は、高圧に圧縮された冷媒であって、膨張により温度が低下して伝熱部を−１０℃以下に冷却できる冷媒であれば特に限定されないが、取り扱いが便利なことから、常温で高圧に圧縮された液体の冷媒が好ましい。
【００１５】
また、この温度制御方法は、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を再び切り替えて、冷却されていた前記患部と接触する面を加熱する工程をさらに含むことが好ましい。このように印加電圧の極性を再び切り替えて前記患部と接触する面を加熱することで、プローブの患部と接触する面が過冷却された場合には、患部と接触する面を適当な温度に制御することができ、また患部の治療が終了した場合には、患部と接触する面をすぐに常温状態に戻すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明によれば、胃などの体内の患部を治療できるとともに、温度を精密に制御することができる冷凍手術装置およびその温度制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷凍手術装置およびその温度制御方法の一実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る冷凍手術装置の一実施の形態であって、その全体的な構成を概略的に示す模式図である。図２は、図１に示した冷凍手術装置の一部である患部を冷凍するためのプローブの構成を概略的に示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、冷凍手術装置は、可撓性の二重管１０と、この二重管１０の先端に設けられた患部を冷却するためのプローブ２０と、このプローブ２０内のペルチェ素子に電圧を印加するための電源３０とから主に構成されている。なお、本実施の形態では、食道を介してプローブ２０を胃の内部に導入し、胃壁の表面にできた癌などの患部４０を治療する場合を説明するが、以下の説明を読めば、本発明が食道や肝臓、腎臓、子宮などの体内の患部の治療にも適用できることがわかるであろう。
【００１９】
二重管１０は同軸状の断面円形の外管１１と内管１２とで構成されており、二重管１０の一方の端はプローブ２０に接続されている。二重管１０の他方の端は外管１１と内管１２とに分岐されており、外管１１の端は高圧冷媒ボンベ１６に接続され、内管１２の端は大気に開放されている。二重管１０は、プローブ２０を経口で胃に挿入できるような可撓性でかつ生体適合性のある材料で形成されており、例えば、テフロンなどの各種プラスチックや可撓性の金属などの材料で形成されていることが好ましい。
【００２０】
二重管１０は、無理なく食道を通過して胃の内部にまで到達できる程度の細さで、かつ高圧や低温の冷媒に耐える強度を有していることが好ましい。例えば、外管１１は外径および内径が１ｍｍ〜１０ｍｍおよび０．８ｍｍ〜９ｍｍであることが好ましい。また、内管１２は外径および内径が０．５ｍｍ〜５ｍｍおよび０．３ｍｍ〜４．５ｍｍであることが好ましい。なお、内管１２の外径は、外管１１の内径よりも直径で０．３ｍｍ〜２．５ｍｍ細くすることが好ましい。外管１１および内管１２の肉厚はともに０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
高圧冷媒ボンベ１６には、常温で高圧に圧縮された液体の冷媒が貯蔵されている。このような常温高圧液体冷媒としては、例えば、代替フロンであるハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、フロン、エタン、アンモニア、またはこれらの混合物などが好ましい。ボンベ１６の圧力は、冷媒を十分に液化できる程度の圧力であれば特に限定されないが、２〜１００気圧の範囲が好ましい。外管１１のボンベ１６出口にはバルブ１７が設けられている。
【００２２】
電源３０は、プローブ２０内のペルチェ素子に印加する電圧の極性を切り替えることができるものであれば特に限定されず、公知の電源を使用できる。電源３０とプローブ２０内のペルチェ素子とを接続する導線３２は、二重管１０の外管１１内を通って接続されている。なお、図面が煩雑になるのを避けるため、導線３２の図示を一部省略している。
【００２３】
プローブ２０は、二重管１０の先端で外管１１および内管１２の内部に強固の接合されている。そして、プローブ２０の先端面が、患者の胃壁表面の患部４０に接触するように構成されている。プローブ２０については、図２を用いてさらに詳細に説明する。
【００２４】
図２に示すように、プローブ２０は、金属導電体２１を介して一対の熱電半導体２２を接合したπ型回路のペルチェ素子と、このペルチェ素子の一対の熱電半導体２２にそれぞれ接合する一対の伝熱体２３とから主に構成されている。
【００２５】
熱電半導体２２はＰ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂとからなる。このＰ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂは、僅かな間隔をあけて通常は配置されているが、本実施の形態においては、電気絶縁層２５を介して配置され、コンパクトな装置構成を達成している。電気絶縁層２５は、二酸化ケイ素などの絶縁材料で形成されていることが好ましい。
【００２６】
金属導電体２１は、Ｐ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂの両先端面に接合され、その反対側の端面が患部に接触する接触面となっている。金属導電体２１は、熱伝導性に優れた材料で形成されていることが好ましく、例えば、銅やアルミニウムなどで形成されていることが好ましい。なお、金属導電体２１の患部に接触する接触面は、電気絶縁性の先端カバー（図示省略）で覆われていることが好ましい。
【００２７】
一対の伝熱体２３ａ、２３ｂの間には、Ｐ型およびＮ型素子２２ａ、２２ｂの場合と同様に、電気絶縁層２５が配置されている。また、この一対の伝熱体２３ａ、２３ｂには、電源３０からの導線３２ａ、３２ｂがそれぞれ接続されている。したがって、伝熱体２３はペルチェ素子の電極としての機能も有している。伝熱体２３は、導電体であるとともに熱伝導性に優れた材料から形成されていることが好ましく、例えば、銅やアルミニウムなどで形成されていることが好ましい。
【００２８】
金属導電体２１と熱電半導体２２とからなるペルチェ素子は、円柱形状に形成されおり、伝熱体２３は、ペルチェ素子との接合面が同一径であり、その反対側の端面に向かって細くなるようにテーパ角をつけた円錐台形状に形成されている。よって、プローブ２０全体では略円錐台形状に形成されている。また、ペルチェ素子の直径は、外管１１の内径より大きく形成されており、伝熱体２３のペルチェ素子と接合する反対側の端面の直径は、内管１２の内径とほぼ等しく形成されている。
【００２９】
そして、プローブ２０は、その略円錐台の側面が二重管１０の内管１２で全て覆われるように、二重管１０の内管１２内に挿入されている。さらに、二重管１０の外管１１の外側から、ステンレススチールからなる円筒形状のチューブカバー２７で締め付けられている。このようにして二重管１０とプローブ２０とをその内外両方から強固に接合することによって、二重管１０とプローブ２０との接合部の耐圧性を高めることができ、高圧の冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
【００３０】
また、プローブ２０は、患部に接触する接触面とその反対側の端面とが同軸状の円形状となるように形成されているので、外管１１と内管１２との間の間隔を均等に保持することができる。プローブ２０の大きさは、患者の負担を軽くするため、無理なく食道を通過して胃の内部にまで到達できる程度の大きさが好ましく、例えば、直径が最大部で１ｍｍ〜１０ｍｍ、長さが約３００ｍｍ〜約１５００ｍｍとすることが好ましい。
【００３１】
二重管１０の外管１１から内管１２へ冷媒を流すために、内管１２および一対の伝熱体２３ａ、２３ｂには、その円錐台形状の側面と熱電半導体２２と反対側の端面とをつなぐ細孔１５ａ、１５ｂがそれぞれ設けられている。この細孔１５は、外管１１内の冷媒が内管１２内へと流れる際に、大気圧程度まで圧力降下を起こして減圧するような内径であれば特に限定されないが、例えば、内径０．３ｍｍ〜４．５ｍｍ、長さ３００〜１５００ｍｍが好ましい。
【００３２】
伝熱体２３の内部に設けた細孔１５は、図２に示すように、熱電半導体２２側に一旦向かってから戻るＵ字型の流路としてもよいし、また、伝熱体２３の内部に細孔１５の断面より大きい断面を有する空間部を設け、細孔１５がこの空間部を経由するような流路としてもよい。このような流路とすることで、伝熱体２３を更に効率良く冷却することができる。
【００３３】
以上の構成によれば、図１に示すように、先ず、プローブ２０を患者の食道から胃の内部に導入し、プローブ２０の先端を胃壁表面の患部４０に当てる。次に、バルブ１７を開き、高圧冷媒ボンベ１６から二重管１０の外管１１内に常温高圧液体冷媒１を導入する。この常温高圧液体冷媒１は、図２に示すように、外管１１と内管１２との間の環状流路１３から、プローブ２０に設けられた細孔１５内を通って、内管１２内の中央流路１４へと流れる。
【００３４】
細孔１５を通過する際に、常温高圧流体冷媒１は等エンタルピー膨張を起こして減圧され温度が低下する。そして、二重管１０の内管１２内に流入した低温の気液混相冷媒は、伝熱体２３から熱を奪い気化して低温常圧気体冷媒３となる。これにより、プローブ２０の伝熱体２３が冷却される。低温常圧気体冷媒３は、内管１２内の中央流路１４を通って最終的に外部に排出される。
【００３５】
なお、常温高圧液体冷媒１は、単位体積あたりの熱容量が低温常圧気体冷媒３に比べて１０００倍程度大きい。よって、二重管１０の外側の環状流路１３に常温高圧流体冷媒１が流れ、内側の中央流路１４にプローブ２０を冷却した後の低温常圧気体冷媒３が流れても、常温高圧液体冷媒１による外側の常温高圧液体冷媒１の冷却はわずかである。したがって、二重管１０の表面が極低温となることがなく、人体の内部の冷凍手術にも適用することができる。
【００３６】
また、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が加熱モードとなるように、電源３０から導線３２を介してプローブ２０のペルチェ素子に電圧を印加する。これにより、冷却された伝熱体２３の低温は、熱電半導体２２によって金属伝導体２１には伝わらず、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）は常温状態に保たれ、伝熱体２３は低温状態に保たれる。
【００３７】
なお、常温高圧液体冷媒１が二重管１０の外管１１内に充填されており、プローブ２０で気化した低温常圧気体冷媒３が二重管１０の内管１２内を通過しても、常温高圧液体冷媒１によってプローブ２０の先端（金属伝導体２１）は加熱される。また、上述したように、常温高圧液体冷媒１は、単位体積あたりの熱容量が低温常圧気体冷媒３に比べて１０００倍程度大きいので、常温高圧液体冷媒１による常温高圧液体冷媒１の冷却はわずかである。これらの理由から、金属伝導体２１と伝熱体２３との間の断熱層は不要となり、プローブ２０の外径を著しく小さくできる。
【００３８】
そして、患部４０を冷凍して壊死させる際に、ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が冷却モードとなるようにする。これにより、冷却された伝熱体２３の低温は、熱電半導体２２を介して金属伝導体２１に伝わり、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が急速冷却される。
【００３９】
患部４０の冷凍治療が終了したら、もしくは患部４０の冷凍を中断する際は、再び、ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が加熱モードとなるようにする。これにより、低温の金属伝導体２１は急速に加熱されることとなるので、プローブ２０の先端を常温状態にまで急速に戻すこともできる。なお、金属伝導体２１が過冷却された場合にも、同様に電圧の極性を切り替えることで、プローブの先端の温度を上昇させて適当な温度に調節することができる。
【００４０】
このように、二重管１０の外管１１に常温高圧液体冷媒１を導入し、断熱膨張により伝熱体２３を冷却した低温常圧気体冷媒３を内管１２から排出することで、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱体２３を冷却できるとともに、パイプやプローブを特別な断熱構造にする必要がなくなり、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。さらに、熱電半導体２２の金属導電体２１に接する面とは反対側の面で伝熱体２３と熱的に接続させたので、金属導電体２１を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆になるようにペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えることで、金属導電体２１を急速冷却あるいは急速加熱することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ２０先端の温度を精密に制御することができる。
【実施例】
【００４１】
（冷却実験）
二重管の外管から内管へと高圧冷媒を減圧膨張することによるプローブの冷却性能の評価試験を行った。冷媒には、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が０である代替フロンの１つであるＲ−４１０Ａ（沸点：−５１．５８℃）を用いた。二重管には、外径および内径がそれぞれ６ｍｍおよび４ｍｍの外管と３ｍｍおよび２ｍｍの内管の２種類のテフロンチューブを用いた。
【００４２】
また、使用したプローブを図３に示す。図３に示すように、本実験ではペルチェ素子は設けず温度制御は行わなかった。なお、図２と同様な構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。プローブ５０には、長さ１５ｍｍ、先端の径が５ｍｍ、テーパ角１０°の円錐台形状の銅栓を用いた。細孔としては、先端から２０ｍｍの位置にキャピラリ５５を内管１２のみに設けた。キャピラリの径は０．１ｍｍ、長さ０．５ｍｍとした。また、チューブカバー２７としては、長さ１０ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのステンレス管を用いて締め付けを行った。
【００４３】
冷却実験では、先ず、約１０気圧の液体フロンを外管内に流量１．０×１０-3ｋｇ／ｓで流入させた。液体フロンは、キャピラリ５５を通って二重管の内管１２内に流入した。キャピラリ５５を通過する際に、液体フロンは１０気圧程度の圧力降下を起こし大気圧程度まで減圧され、等エンタルピー膨張を起こして温度が低下した。内管１２に流入した低温の気液混相フロンは、管先端のプローブ５０に衝突し、プローブ５０から熱を奪い気化した。この時のプローブ５０先端（冷却部）の温度を経時的に測定した。プローブ５０の先端に温度制御媒体として空気および水を用いた場合の結果を、図４および図５にそれぞれ（ａ）として示す。
【００４４】
（数値解析）
上記の実験結果との比較のために図６に示す一次元伝熱モデルを用いて非定常温度分布の数値解析を行った。図中、６１は冷媒（Ｒ−４１０Ａ）、６２はプローブ（銅）、６３は冷却部、６４は温度制御媒体（水）を示す。解析領域はプルーブ左端から温度制御媒体右端までとし、物性値および断面積を位置の関数として与え、各断面積内で熱流束と温度が一様とした。数値解析に用いた支配方程式は式１に示した非定常一次元熱伝導方程式である。
【００４５】
【数１】
【００４６】
ここでＡ［ｍ2］：断面積、ρ［ｋｇ／ｍ3］：密度、ｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］：比熱、Ｔ［Ｋ］：温度、ｔ［ｓ］：時間、λ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］：熱伝導率、ｘ［ｍ］：位置、Ｑlatent［Ｗ／ｍ］：単位長さあたりの水の凝固潜熱による伝熱量である。
【００４７】
初期条件を式２に、境界条件を式３に示す。
【数２】
【００４８】
ここで、Ｔf［Ｋ］：周囲環境温度、Ｔsat［Ｋ］：冷媒の沸点、ｈ［Ｗ／（ｍ2・Ｋ）］：熱伝達率である。熱伝達率ｈは単相衝突噴流の熱伝達を考え、式４に示す石丸の実験式を用いた。
【００４９】
【数３】
【００５０】
ここで、Ｎｕ［−］：ヌセルト数、ρ［ｋｇ・ｍ3］：密度、Ｒｅ［−］：レイノルズ数、Ｐｒ［−］：プラントル数、添え字のｌ、ｇはそれぞれ流体、気体の物性を表す。式４よりＲ−４１０Ａの場合、熱伝達率はｈ＝３６３０［Ｗ／（ｍ2・Ｋ）］と算出された。
【００５１】
また、水を冷却する場合、水から氷へ相変化が起こる際に凝固潜熱が生じるので冷却部温度が０℃を下回った場合に凝固潜熱Ｑlatentを式１に生成項として導入した。
【００５２】
数値解析によるプローブ先端の冷却部の温度変化を図４および図５に（ｂ）として併記した。また、数値解析による冷媒、プローブおよび温度制御媒体の温度分布を図７に示す。
【００５３】
（冷却実験および数値解析の結果）
空気を冷却した場合、図４に示すように、実験結果（図中ａ）では冷却部は−４５℃まで低下した。数値解析（図中ｂ）との比較では、空気の対流や空気中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱の影響により数値解析ほど温度が低下しなかった。
【００５４】
水を冷却した場合、図５に示すように、実験結果（図中ａ）では冷却部は−１９℃まで低下した。また、冷却開始から約１０秒後に一度温度が上昇した。これは氷が生成し、凝固潜熱が生じたためであると考えられる。数値解析との比較では、実験結果との温度差が空気の場合と比べて大きくなった。これは温度制御媒体である水の対流の影響が空気に比べ大きいため、時間変化とともに実験結果との温度差が大きくなると考えられる。また、実際には半径方向の熱損失が無視できないために一次元数値解析ほど温度が低下しなかった。
【００５５】
図７より、銅の温度は熱伝導が良いためほぼ一様になっている。温度制御媒体の水領域において温度勾配が急激に変化している所は、水から氷へ相変化している凝固面であり、この凍結領域が徐々に広がっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る冷凍手術装置の一実施の形態の全体的な構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した冷凍手術装置のうちのプローブを拡大した断面図である。
【図３】冷却実験で使用したプローブを概略的に示す断面図である。
【図４】空気を冷却した際の冷却部の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は実験結果を示し（ｂ）は数値解析を示す。
【図５】水を冷却した際の冷却部の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は実験結果を示し（ｂ）は数値解析を示す。
【図６】数値解析のために用いた一次元伝熱モデルを示す図である。
【図７】数値解析による冷媒、プローブおよび温度制御媒体の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 常温高圧液体冷媒
３ 低温常圧気体冷媒
１０ 二重管
１１ 外管
１２ 内管
１３ 環状流路
１４ 中央流路
１５ 細孔
１６ 高圧冷媒ボンベ
１７ バルブ
２０ プローブ
２１ 金属導電体
２２ 熱電半導体
２３ 伝熱体
２５ 電気絶縁層
２７ チューブカバー
３０ 電源
３２ 導線
４０ 患部
５０ 冷却実験用プローブ
５５ キャピラリ
６１ 冷媒（Ｒ−４１０Ａ）
６２ プローブ（銅）
６３ 冷却部
６４ 温度制御媒体（水）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍手術装置およびその温度制御方法に関し、詳しくは、胃や食道、肝臓、肝臓、子宮などの体内の患部の治療に適した冷凍手術装置およびその温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、癌や腫瘍などに侵された患部を切除せず、クライオプローブと呼ばれる冷凍手術用プローブを用いて患部を−１００℃以下の低温まで冷却し冷凍させて壊死させるという冷凍手術が行われている。冷凍手術は、患部のみの局所的な治療を行うことができ、出血や炎症反応が少なく、術後の変性や機能障害が少ないといった様々な利点が指摘されている。
【０００３】
冷凍手術装置の冷却方法としては、クライオプローブ内に液体窒素を流して先端部で気化させることで冷却を行う相変化の利用や、アルゴンガスや二酸化炭素のような高圧ガスを用いてジュールトムソン冷却を行う等エンタルピー膨張の利用がある。
【０００４】
しかしながら、このような装置では、冷却能力は高いものの、冷媒の物性に依存するため伝熱制御が難しく、精密な患部の処置には限界があるという問題や、また、胃などの体内の患部を冷凍する場合、患部に達するまで極低温となるパイプを断熱する必要があるという問題がある。
【０００５】
一方、精密に温度制御ができる冷凍手術装置として、特開２００２−１７７２９６号公報や特開２００４−２６１２１０号公報には、冷却と加熱の切り替えが可能なペルチェ素子を利用し、このペルチェ素子の患部と接触する面とペルチェ素子の電極兼ヒートシンクとの間を断熱層で断熱するとともに、電極兼ヒートシンクをドライアイスなどの冷却剤が封入された外部冷却器で冷却することで、ペルチェ素子の患部と接触する面を急速冷却できることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、上記文献に記載された装置には、真空断熱層や、不活性ガスが封入された断熱ガス層などの断熱層が設けられているとともに、電極兼ヒートシンクの冷却にドライアイスを用いた外部冷却器が設置されているので、この装置は大型であり、皮膚などの外部に露出している患部の治療には最適であるが、クライオプローブに組み込んで胃などの体内の患部を治療するには困難であるという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１７７２９６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６１２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、胃などの体内の患部を治療できるとともに、温度を精密に制御することができる冷凍手術装置およびその温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、冷凍手術装置であって、患部を冷凍するためのプローブと、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管とを含んでなる冷凍手術装置において、前記プローブは、患部と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、前記可撓性の管は多重管構造を有しており、前記伝熱部を冷却するために、前記多重管構造の外側の管内から内側の管内へと前記冷媒を流して前記冷媒を膨張させる細孔が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
このように、プローブへ冷媒を送るための可撓性の管を多重管構造とし、その外側の管内から内側の管内に冷媒が流れる際に冷媒が膨張してプルーブの伝熱部を冷却するように細孔を設けたことによって、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱部を冷却できるとともに、伝熱部を冷却した冷媒は内側の管内を通って排出されるので、パイプやプローブを特別な断熱構造にする必要がなくなり、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。また、ペルチェ素子の患部と接触する面とは反対側の面に伝熱部を熱的に接続させたので、このペルチェ素子により患部と接触する面を急速冷却あるいは急速加熱することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ先端の温度を精密に制御することができる。
【００１０】
前記細孔は、前記多重管構造の内側の管に設けられていることが好ましく、さらに、前記細孔は、前記冷媒が前記多重管構造の外側の管内から前記伝熱部内を通って前記多重管構造の内側の管内へと流れるように設けられていることが好ましい。このように、冷媒を伝熱部の内部を通って膨張させることで、伝熱部を効率良く冷却することができる。
【００１１】
前記多重管構造の外側および内側の管は、円筒形状に形成されており、前記プローブの患者と接触する面は、前記外側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブの反対側の面は、前記内側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成されており、このように形成されたプルーブは、前記内側の管内に挿入されていることが好ましい。このような構成とすることで、多重管構造の管とプルーブとの間の接合が強固となり、冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明は、別の態様として、冷凍手術装置に設けられた患部を冷凍するためのプローブにおける患部と接触する面の温度制御方法であって、多重管構造を有する可撓性の管の外側の管内に冷媒を導入して前記プローブへ冷媒を送る工程と、この冷媒を細孔を介して内側の管内へ流し、冷媒の膨張により冷媒の温度を低下させる工程と、この温度が低下した冷媒で、前記患部を接触する面を有するペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部を冷却する工程と、前記ペルチェ素子に電圧を印加して前記患部と接触する面を常温に保つ工程と、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、前記患部と接触する面を冷却する工程とを含んでなることを特徴とする。
【００１３】
このように、多重管構造の外側の管内に冷媒を導入し、細孔を介してこの冷媒を内側の管内に流すことで、冷媒が膨張され、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱部を冷却することができる。また、伝熱部を冷却した冷媒を内側の管内から排出するので、パイプやプローブを特別な断熱構造にすることなく、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。さらに、伝熱部を冷却する一方で、ペルチェ素子に電圧を印加することにより、患部と接触する面は常温状態に保つことができる。そして、電圧の極性を切り替えることで、患部と接触する面を急速冷却することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ先端の温度を精密に制御することができる。
【００１４】
前記多重管構造の外側の管内に導入する冷媒は、高圧に圧縮された冷媒であって、膨張により温度が低下して伝熱部を−１０℃以下に冷却できる冷媒であれば特に限定されないが、取り扱いが便利なことから、常温で高圧に圧縮された液体の冷媒が好ましい。
【００１５】
また、この温度制御方法は、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を再び切り替えて、冷却されていた前記患部と接触する面を加熱する工程をさらに含むことが好ましい。このように印加電圧の極性を再び切り替えて前記患部と接触する面を加熱することで、プローブの患部と接触する面が過冷却された場合には、患部と接触する面を適当な温度に制御することができ、また患部の治療が終了した場合には、患部と接触する面をすぐに常温状態に戻すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明によれば、胃などの体内の患部を治療できるとともに、温度を精密に制御することができる冷凍手術装置およびその温度制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷凍手術装置およびその温度制御方法の一実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る冷凍手術装置の一実施の形態であって、その全体的な構成を概略的に示す模式図である。図２は、図１に示した冷凍手術装置の一部である患部を冷凍するためのプローブの構成を概略的に示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、冷凍手術装置は、可撓性の二重管１０と、この二重管１０の先端に設けられた患部を冷却するためのプローブ２０と、このプローブ２０内のペルチェ素子に電圧を印加するための電源３０とから主に構成されている。なお、本実施の形態では、食道を介してプローブ２０を胃の内部に導入し、胃壁の表面にできた癌などの患部４０を治療する場合を説明するが、以下の説明を読めば、本発明が食道や肝臓、腎臓、子宮などの体内の患部の治療にも適用できることがわかるであろう。
【００１９】
二重管１０は同軸状の断面円形の外管１１と内管１２とで構成されており、二重管１０の一方の端はプローブ２０に接続されている。二重管１０の他方の端は外管１１と内管１２とに分岐されており、外管１１の端は高圧冷媒ボンベ１６に接続され、内管１２の端は大気に開放されている。二重管１０は、プローブ２０を経口で胃に挿入できるような可撓性でかつ生体適合性のある材料で形成されており、例えば、テフロンなどの各種プラスチックや可撓性の金属などの材料で形成されていることが好ましい。
【００２０】
二重管１０は、無理なく食道を通過して胃の内部にまで到達できる程度の細さで、かつ高圧や低温の冷媒に耐える強度を有していることが好ましい。例えば、外管１１は外径および内径が１ｍｍ〜１０ｍｍおよび０．８ｍｍ〜９ｍｍであることが好ましい。また、内管１２は外径および内径が０．５ｍｍ〜５ｍｍおよび０．３ｍｍ〜４．５ｍｍであることが好ましい。なお、内管１２の外径は、外管１１の内径よりも直径で０．３ｍｍ〜２．５ｍｍ細くすることが好ましい。外管１１および内管１２の肉厚はともに０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
高圧冷媒ボンベ１６には、常温で高圧に圧縮された液体の冷媒が貯蔵されている。このような常温高圧液体冷媒としては、例えば、代替フロンであるハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、フロン、エタン、アンモニア、またはこれらの混合物などが好ましい。ボンベ１６の圧力は、冷媒を十分に液化できる程度の圧力であれば特に限定されないが、２〜１００気圧の範囲が好ましい。外管１１のボンベ１６出口にはバルブ１７が設けられている。
【００２２】
電源３０は、プローブ２０内のペルチェ素子に印加する電圧の極性を切り替えることができるものであれば特に限定されず、公知の電源を使用できる。電源３０とプローブ２０内のペルチェ素子とを接続する導線３２は、二重管１０の外管１１内を通って接続されている。なお、図面が煩雑になるのを避けるため、導線３２の図示を一部省略している。
【００２３】
プローブ２０は、二重管１０の先端で外管１１および内管１２の内部に強固の接合されている。そして、プローブ２０の先端面が、患者の胃壁表面の患部４０に接触するように構成されている。プローブ２０については、図２を用いてさらに詳細に説明する。
【００２４】
図２に示すように、プローブ２０は、金属導電体２１を介して一対の熱電半導体２２を接合したπ型回路のペルチェ素子と、このペルチェ素子の一対の熱電半導体２２にそれぞれ接合する一対の伝熱体２３とから主に構成されている。
【００２５】
熱電半導体２２はＰ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂとからなる。このＰ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂは、僅かな間隔をあけて通常は配置されているが、本実施の形態においては、電気絶縁層２５を介して配置され、コンパクトな装置構成を達成している。電気絶縁層２５は、二酸化ケイ素などの絶縁材料で形成されていることが好ましい。
【００２６】
金属導電体２１は、Ｐ型素子２２ａとＮ型素子２２ｂの両先端面に接合され、その反対側の端面が患部に接触する接触面となっている。金属導電体２１は、熱伝導性に優れた材料で形成されていることが好ましく、例えば、銅やアルミニウムなどで形成されていることが好ましい。なお、金属導電体２１の患部に接触する接触面は、電気絶縁性の先端カバー（図示省略）で覆われていることが好ましい。
【００２７】
一対の伝熱体２３ａ、２３ｂの間には、Ｐ型およびＮ型素子２２ａ、２２ｂの場合と同様に、電気絶縁層２５が配置されている。また、この一対の伝熱体２３ａ、２３ｂには、電源３０からの導線３２ａ、３２ｂがそれぞれ接続されている。したがって、伝熱体２３はペルチェ素子の電極としての機能も有している。伝熱体２３は、導電体であるとともに熱伝導性に優れた材料から形成されていることが好ましく、例えば、銅やアルミニウムなどで形成されていることが好ましい。
【００２８】
金属導電体２１と熱電半導体２２とからなるペルチェ素子は、円柱形状に形成されおり、伝熱体２３は、ペルチェ素子との接合面が同一径であり、その反対側の端面に向かって細くなるようにテーパ角をつけた円錐台形状に形成されている。よって、プローブ２０全体では略円錐台形状に形成されている。また、ペルチェ素子の直径は、外管１１の内径より大きく形成されており、伝熱体２３のペルチェ素子と接合する反対側の端面の直径は、内管１２の内径とほぼ等しく形成されている。
【００２９】
そして、プローブ２０は、その略円錐台の側面が二重管１０の内管１２で全て覆われるように、二重管１０の内管１２内に挿入されている。さらに、二重管１０の外管１１の外側から、ステンレススチールからなる円筒形状のチューブカバー２７で締め付けられている。このようにして二重管１０とプローブ２０とをその内外両方から強固に接合することによって、二重管１０とプローブ２０との接合部の耐圧性を高めることができ、高圧の冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
【００３０】
また、プローブ２０は、患部に接触する接触面とその反対側の端面とが同軸状の円形状となるように形成されているので、外管１１と内管１２との間の間隔を均等に保持することができる。プローブ２０の大きさは、患者の負担を軽くするため、無理なく食道を通過して胃の内部にまで到達できる程度の大きさが好ましく、例えば、直径が最大部で１ｍｍ〜１０ｍｍ、長さが約３００ｍｍ〜約１５００ｍｍとすることが好ましい。
【００３１】
二重管１０の外管１１から内管１２へ冷媒を流すために、内管１２および一対の伝熱体２３ａ、２３ｂには、その円錐台形状の側面と熱電半導体２２と反対側の端面とをつなぐ細孔１５ａ、１５ｂがそれぞれ設けられている。この細孔１５は、外管１１内の冷媒が内管１２内へと流れる際に、大気圧程度まで圧力降下を起こして減圧するような内径であれば特に限定されないが、例えば、内径０．３ｍｍ〜４．５ｍｍ、長さ３００〜１５００ｍｍが好ましい。
【００３２】
伝熱体２３の内部に設けた細孔１５は、図２に示すように、熱電半導体２２側に一旦向かってから戻るＵ字型の流路としてもよいし、また、伝熱体２３の内部に細孔１５の断面より大きい断面を有する空間部を設け、細孔１５がこの空間部を経由するような流路としてもよい。このような流路とすることで、伝熱体２３を更に効率良く冷却することができる。
【００３３】
以上の構成によれば、図１に示すように、先ず、プローブ２０を患者の食道から胃の内部に導入し、プローブ２０の先端を胃壁表面の患部４０に当てる。次に、バルブ１７を開き、高圧冷媒ボンベ１６から二重管１０の外管１１内に常温高圧液体冷媒１を導入する。この常温高圧液体冷媒１は、図２に示すように、外管１１と内管１２との間の環状流路１３から、プローブ２０に設けられた細孔１５内を通って、内管１２内の中央流路１４へと流れる。
【００３４】
細孔１５を通過する際に、常温高圧流体冷媒１は等エンタルピー膨張を起こして減圧され温度が低下する。そして、二重管１０の内管１２内に流入した低温の気液混相冷媒は、伝熱体２３から熱を奪い気化して低温常圧気体冷媒３となる。これにより、プローブ２０の伝熱体２３が冷却される。低温常圧気体冷媒３は、内管１２内の中央流路１４を通って最終的に外部に排出される。
【００３５】
なお、常温高圧液体冷媒１は、単位体積あたりの熱容量が低温常圧気体冷媒３に比べて１０００倍程度大きい。よって、二重管１０の外側の環状流路１３に常温高圧流体冷媒１が流れ、内側の中央流路１４にプローブ２０を冷却した後の低温常圧気体冷媒３が流れても、常温高圧液体冷媒１による外側の常温高圧液体冷媒１の冷却はわずかである。したがって、二重管１０の表面が極低温となることがなく、人体の内部の冷凍手術にも適用することができる。
【００３６】
また、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が加熱モードとなるように、電源３０から導線３２を介してプローブ２０のペルチェ素子に電圧を印加する。これにより、冷却された伝熱体２３の低温は、熱電半導体２２によって金属伝導体２１には伝わらず、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）は常温状態に保たれ、伝熱体２３は低温状態に保たれる。
【００３７】
なお、常温高圧液体冷媒１が二重管１０の外管１１内に充填されており、プローブ２０で気化した低温常圧気体冷媒３が二重管１０の内管１２内を通過しても、常温高圧液体冷媒１によってプローブ２０の先端（金属伝導体２１）は加熱される。また、上述したように、常温高圧液体冷媒１は、単位体積あたりの熱容量が低温常圧気体冷媒３に比べて１０００倍程度大きいので、常温高圧液体冷媒１による常温高圧液体冷媒１の冷却はわずかである。これらの理由から、金属伝導体２１と伝熱体２３との間の断熱層は不要となり、プローブ２０の外径を著しく小さくできる。
【００３８】
そして、患部４０を冷凍して壊死させる際に、ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が冷却モードとなるようにする。これにより、冷却された伝熱体２３の低温は、熱電半導体２２を介して金属伝導体２１に伝わり、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が急速冷却される。
【００３９】
患部４０の冷凍治療が終了したら、もしくは患部４０の冷凍を中断する際は、再び、ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、プローブ２０の先端（金属伝導体２１）が加熱モードとなるようにする。これにより、低温の金属伝導体２１は急速に加熱されることとなるので、プローブ２０の先端を常温状態にまで急速に戻すこともできる。なお、金属伝導体２１が過冷却された場合にも、同様に電圧の極性を切り替えることで、プローブの先端の温度を上昇させて適当な温度に調節することができる。
【００４０】
このように、二重管１０の外管１１に常温高圧液体冷媒１を導入し、断熱膨張により伝熱体２３を冷却した低温常圧気体冷媒３を内管１２から排出することで、冷凍治療を行うのに十分な温度まで伝熱体２３を冷却できるとともに、パイプやプローブを特別な断熱構造にする必要がなくなり、胃などの体内の患部に対しても冷凍治療を行うことができる。さらに、熱電半導体２２の金属導電体２１に接する面とは反対側の面で伝熱体２３と熱的に接続させたので、金属導電体２１を加熱モードから冷却モードにあるいはその逆になるようにペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えることで、金属導電体２１を急速冷却あるいは急速加熱することができ、体内の患部の冷凍手術においてもプローブ２０先端の温度を精密に制御することができる。
【実施例】
【００４１】
（冷却実験）
二重管の外管から内管へと高圧冷媒を減圧膨張することによるプローブの冷却性能の評価試験を行った。冷媒には、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）が０である代替フロンの１つであるＲ−４１０Ａ（沸点：−５１．５８℃）を用いた。二重管には、外径および内径がそれぞれ６ｍｍおよび４ｍｍの外管と３ｍｍおよび２ｍｍの内管の２種類のテフロンチューブを用いた。
【００４２】
また、使用したプローブを図３に示す。図３に示すように、本実験ではペルチェ素子は設けず温度制御は行わなかった。なお、図２と同様な構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。プローブ５０には、長さ１５ｍｍ、先端の径が５ｍｍ、テーパ角１０°の円錐台形状の銅栓を用いた。細孔としては、先端から２０ｍｍの位置にキャピラリ５５を内管１２のみに設けた。キャピラリの径は０．１ｍｍ、長さ０．５ｍｍとした。また、チューブカバー２７としては、長さ１０ｍｍ、内径６ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのステンレス管を用いて締め付けを行った。
【００４３】
冷却実験では、先ず、約１０気圧の液体フロンを外管内に流量１．０×１０-3ｋｇ／ｓで流入させた。液体フロンは、キャピラリ５５を通って二重管の内管１２内に流入した。キャピラリ５５を通過する際に、液体フロンは１０気圧程度の圧力降下を起こし大気圧程度まで減圧され、等エンタルピー膨張を起こして温度が低下した。内管１２に流入した低温の気液混相フロンは、管先端のプローブ５０に衝突し、プローブ５０から熱を奪い気化した。この時のプローブ５０先端（冷却部）の温度を経時的に測定した。プローブ５０の先端に温度制御媒体として空気および水を用いた場合の結果を、図４および図５にそれぞれ（ａ）として示す。
【００４４】
（数値解析）
上記の実験結果との比較のために図６に示す一次元伝熱モデルを用いて非定常温度分布の数値解析を行った。図中、６１は冷媒（Ｒ−４１０Ａ）、６２はプローブ（銅）、６３は冷却部、６４は温度制御媒体（水）を示す。解析領域はプルーブ左端から温度制御媒体右端までとし、物性値および断面積を位置の関数として与え、各断面積内で熱流束と温度が一様とした。数値解析に用いた支配方程式は式１に示した非定常一次元熱伝導方程式である。
【００４５】
【数１】
【００４６】
ここでＡ［ｍ2］：断面積、ρ［ｋｇ／ｍ3］：密度、ｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］：比熱、Ｔ［Ｋ］：温度、ｔ［ｓ］：時間、λ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］：熱伝導率、ｘ［ｍ］：位置、Ｑlatent［Ｗ／ｍ］：単位長さあたりの水の凝固潜熱による伝熱量である。
【００４７】
初期条件を式２に、境界条件を式３に示す。
【数２】
【００４８】
ここで、Ｔf［Ｋ］：周囲環境温度、Ｔsat［Ｋ］：冷媒の沸点、ｈ［Ｗ／（ｍ2・Ｋ）］：熱伝達率である。熱伝達率ｈは単相衝突噴流の熱伝達を考え、式４に示す石丸の実験式を用いた。
【００４９】
【数３】
【００５０】
ここで、Ｎｕ［−］：ヌセルト数、ρ［ｋｇ・ｍ3］：密度、Ｒｅ［−］：レイノルズ数、Ｐｒ［−］：プラントル数、添え字のｌ、ｇはそれぞれ流体、気体の物性を表す。式４よりＲ−４１０Ａの場合、熱伝達率はｈ＝３６３０［Ｗ／（ｍ2・Ｋ）］と算出された。
【００５１】
また、水を冷却する場合、水から氷へ相変化が起こる際に凝固潜熱が生じるので冷却部温度が０℃を下回った場合に凝固潜熱Ｑlatentを式１に生成項として導入した。
【００５２】
数値解析によるプローブ先端の冷却部の温度変化を図４および図５に（ｂ）として併記した。また、数値解析による冷媒、プローブおよび温度制御媒体の温度分布を図７に示す。
【００５３】
（冷却実験および数値解析の結果）
空気を冷却した場合、図４に示すように、実験結果（図中ａ）では冷却部は−４５℃まで低下した。数値解析（図中ｂ）との比較では、空気の対流や空気中に含まれる水蒸気の凝縮潜熱の影響により数値解析ほど温度が低下しなかった。
【００５４】
水を冷却した場合、図５に示すように、実験結果（図中ａ）では冷却部は−１９℃まで低下した。また、冷却開始から約１０秒後に一度温度が上昇した。これは氷が生成し、凝固潜熱が生じたためであると考えられる。数値解析との比較では、実験結果との温度差が空気の場合と比べて大きくなった。これは温度制御媒体である水の対流の影響が空気に比べ大きいため、時間変化とともに実験結果との温度差が大きくなると考えられる。また、実際には半径方向の熱損失が無視できないために一次元数値解析ほど温度が低下しなかった。
【００５５】
図７より、銅の温度は熱伝導が良いためほぼ一様になっている。温度制御媒体の水領域において温度勾配が急激に変化している所は、水から氷へ相変化している凝固面であり、この凍結領域が徐々に広がっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る冷凍手術装置の一実施の形態の全体的な構成を示す模式図である。
【図２】図１に示した冷凍手術装置のうちのプローブを拡大した断面図である。
【図３】冷却実験で使用したプローブを概略的に示す断面図である。
【図４】空気を冷却した際の冷却部の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は実験結果を示し（ｂ）は数値解析を示す。
【図５】水を冷却した際の冷却部の温度変化を示すグラフであり、（ａ）は実験結果を示し（ｂ）は数値解析を示す。
【図６】数値解析のために用いた一次元伝熱モデルを示す図である。
【図７】数値解析による冷媒、プローブおよび温度制御媒体の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 常温高圧液体冷媒
３ 低温常圧気体冷媒
１０ 二重管
１１ 外管
１２ 内管
１３ 環状流路
１４ 中央流路
１５ 細孔
１６ 高圧冷媒ボンベ
１７ バルブ
２０ プローブ
２１ 金属導電体
２２ 熱電半導体
２３ 伝熱体
２５ 電気絶縁層
２７ チューブカバー
３０ 電源
３２ 導線
４０ 患部
５０ 冷却実験用プローブ
５５ キャピラリ
６１ 冷媒（Ｒ−４１０Ａ）
６２ プローブ（銅）
６３ 冷却部
６４ 温度制御媒体（水）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患部を冷凍するためのプローブと、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管とを含んでなる冷凍手術装置であって、前記プローブは、患部と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、前記可撓性の管は多重管構造を有しており、前記伝熱部を冷却するために、前記多重管構造の外側の管内から内側の管内へと前記冷媒を流して前記冷媒を膨張させる細孔が設けられている冷凍手術装置。
【請求項２】
前記細孔は、前記冷媒が前記多重管構造の外側の管内から前記伝熱部内を通って前記多重管構造の内側の管内へと流れるように設けられている請求項１に記載の冷凍手術装置。
【請求項３】
前記多重管構造の外側および内側の管が、円筒形状に形成され、前記プローブの患者と接触する面が、前記外側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブの反対側の面が、前記内側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブが前記内側の管内に挿入されている請求項１または２に記載の冷凍手術装置。
【請求項４】
冷凍手術装置に設けられた患部を冷凍するためのプローブにおける患部と接触する面の温度制御方法であって、多重管構造を有する可撓性の管の外側の管内に冷媒を導入して前記プローブへ冷媒を送る工程と、この冷媒を細孔を介して内側の管内へ流し、冷媒の膨張により冷媒の温度を低下させる工程と、この温度が低下した冷媒で、前記患部を接触する面を有するペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部を冷却する工程と、前記ペルチェ素子に電圧を印加して前記患部と接触する面を常温に保つ工程と、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、前記患部と接触する面を冷却する工程とを含んでなる温度制御方法。
【請求項５】
前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を再び切り替えて、冷却されていた前記患部と接触する面を加熱する工程をさらに含んでなる請求項４に記載の温度制御方法。
【請求項１】
患部を冷凍するためのプローブと、このプローブへ冷媒を送るための可撓性の管とを含んでなる冷凍手術装置であって、前記プローブは、患部と接触する一方の面を有するペルチェ素子と、このペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部とを含んでなり、前記可撓性の管は多重管構造を有しており、前記伝熱部を冷却するために、前記多重管構造の外側の管内から内側の管内へと前記冷媒を流して前記冷媒を膨張させる細孔が設けられている冷凍手術装置。
【請求項２】
前記細孔は、前記冷媒が前記多重管構造の外側の管内から前記伝熱部内を通って前記多重管構造の内側の管内へと流れるように設けられている請求項１に記載の冷凍手術装置。
【請求項３】
前記多重管構造の外側および内側の管が、円筒形状に形成され、前記プローブの患者と接触する面が、前記外側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブの反対側の面が、前記内側の管の内径に対応する径を有する円形状に形成され、前記プルーブが前記内側の管内に挿入されている請求項１または２に記載の冷凍手術装置。
【請求項４】
冷凍手術装置に設けられた患部を冷凍するためのプローブにおける患部と接触する面の温度制御方法であって、多重管構造を有する可撓性の管の外側の管内に冷媒を導入して前記プローブへ冷媒を送る工程と、この冷媒を細孔を介して内側の管内へ流し、冷媒の膨張により冷媒の温度を低下させる工程と、この温度が低下した冷媒で、前記患部を接触する面を有するペルチェ素子の他方の面に熱的に接続する伝熱部を冷却する工程と、前記ペルチェ素子に電圧を印加して前記患部と接触する面を常温に保つ工程と、前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を切り替えて、前記患部と接触する面を冷却する工程とを含んでなる温度制御方法。
【請求項５】
前記ペルチェ素子への印加電圧の極性を再び切り替えて、冷却されていた前記患部と接触する面を加熱する工程をさらに含んでなる請求項４に記載の温度制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１３００２４（Ｐ２００６−１３００２４Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２１５４３（Ｐ２００４−３２１５４３）
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年５月１０日 社団法人日本伝熱学会発行の「第４１回 日本伝熱シンポジウム 講演論文集 Ｖｏｌ．２」に発表
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年５月１０日 社団法人日本伝熱学会発行の「第４１回 日本伝熱シンポジウム 講演論文集 Ｖｏｌ．２」に発表
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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