当今,肿瘤的发病率显著增加,对人类健康的威胁日益突出。肿瘤治疗目前一般是通过手术和化疗,然而提高其成功率和减少副作用一直是科学家所关注的问题。随着临床医学的需求和现代科学技术发展与进步,正不断涌现出一批新型物理治疗模式,特别是肿瘤热物理治疗。这种治疗包括低温手术和热疗,其针对性强、副作用小,并可实施无创或微创治疗,被称为绿色的人性化治疗。基于本课题组已有的研究结果,相对单独低温手术和单独热疗,冷热交替治疗能明显地提高对肿瘤细胞和微血管系统的损伤程度。　　 本研究提出一种新型冷热交替治疗肿瘤的方法,通过液氮制冷和射频加热,将冷热交替使用,有机的结合在一起,具有以下几点优势:1)低温氮气可以防止热疗时针尖过热,及由此而引起的附近组织焦化,从而防止其影响射频电磁场传播；2)射频加热可以加速冷疗后的复温,在同样长的治疗时间内可进行多次治疗；3)低温手术后再进行射频热疗可以减少血流灌注对热疗的影响；4)快速冷热交替使得生物组织在短时间经历急剧的极端环境(高温或低温)变化,细胞死亡率与血管系统的损伤预期会很大,从而大大提高肿瘤的治疗效果；5)冷热交替治疗后,机体可能会产生更强的抗肿瘤免疫响应,达到整体治疗的效果。　　 目前,国内外对冷热交替治疗的传热机理研究甚少。本课题分析了治疗过程中肿瘤内部热传递过程,并根据Pennes生物传热方程建立了冷热治疗过程中肿瘤内部传热模型。通过实验,分别测量了常温下和冷冻后胶体的射频比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)。数值模拟结果表明,单独液氮冷冻和单独射频加热均可达到一定区域内的组织消融,冷热交替治疗区域有所增大,且边界能达到的最终平衡温度也有所提高,初步验证了冷热交替治疗的效果。且冷热交替中的降温和升温的过程均可分别通过调节氮气流速和射频功率来控制,在一定的时间内可完成多次冷热交替治疗,多针系统能实现不同形状的消融区域。　　 同时,本课题设计制造了实现肿瘤冷热交替微创治疗的仪器系统,它包括硬件和软件两个部分。硬件研究方面主要包括研制并优化液氮存储系统、传输系统、射频发生系统、控制系统、温度采集系统、冷热治疗探针等；软件方面,主要编制了系统的控制程序,并构建了系统的数据库,使得该系统能够稳定运行。该系统可达到的控制精度为液氮制冷时±1℃,射频加热时±0.5℃。使用该系统将20℃的生理盐水冷冻15分钟,形成的冰球呈椭球形,长轴直径50mm,短轴直径40mm。射频复温约6分钟,冰球完全融化。治疗系统的冷冻、加热和冷热交替性能分别通过胶体、离体组织和活体动物的初步实验获得了验证。　　 基于肿瘤热物理治疗的杀伤机理,本课题分别建立了对治疗效果进行评价的组织模型和细胞模型。通过人乳腺癌细胞(MDA-MB-231)在不同热物理条件作用下存活率的实验拟合获得了单独热疗和冷热交替治疗过程中细胞失活所需的活化能ΔH的值。通过各种热物理损伤模型比较,对不同冷热处理后肿瘤细胞的存活率进行了预测。结果表明,在细胞层面上,冷热交替治疗的损伤范围为9.2mm,要比单热治疗时8.2mm和单冷治疗时7.6mm损伤范围都大。　　 开展肿瘤微创冷热治疗方法的理论与实验研究具有重要的科学意义和实际应用价值。本文首先通过对组织内温度场分布的理论研究,从热物理学角度认识冷热交替过程中组织内部能量传递的过程；同时,应用热力学与生物化学理论,研究了组织和细胞层面的损伤模型,为热物理治疗特别是冷热交替治疗的效果评估提供了标准；最终,肿瘤微创冷热治疗系统的研制为实现新型的冷热交替治疗提供了平台,并为开展肿瘤微创冷热治疗系统的临床应用研究提供了必要的前提条件。