目前国内外肿瘤冷冻消融产品按冷媒划分主要包含三大类：液氮类、氩氦类和氮气类。其中，液氮极易发生“气堵”，粘度高、工作压力低等因素，导致冷刀头温度降温慢、手术效率低；氦气是国家战略储备资源，95%依赖进口，是卡脖子气体。所以，应用价格便宜、易于获取的氮气作为冷源，就成为冷冻消融技术的一个重要的突破。

为了提高冷冻消融针的降温速率，需要对消融针和设备的所有输送管路进行预冷却，本中心创新性地提出了节流喷口可调节的方案。节流喷口可调节的冷冻消融针的针杆部分设计原理如图所示，图中节流毛细管、真空隔热层、针杆三者由内至外为同轴套接结构，针杆的远端（左侧端）和真空隔热层的远端之间为有效冷冻区，节流毛细管的远端为节流喷口，节流毛细管可沿轴向调节（虚线部分为可调节区域），节流喷口调节位置1位于靠近真空隔热层远端的内部，节流喷口调节位置2位于靠近针杆远端的内部。

图  节流喷口可调节冷冻消融针针头部分设计原理图

当节流喷口处于位置1时，高压氮气从节流毛细管由近及远流入，经节流喷口喷出后，基于焦耳汤姆逊效应，气体膨胀至低压空间产生制冷效应，实现氮气的液化，由于回气的方向为由远及近，因此喷出的冷媒会就近折返，不会流入有效冷冻区内部，也就不会对外释放冷量，达到了“气锁”的效果，液氮经真空隔热层内部返回，巨大的潜热将冷冻消融针内部除有效冷冻区以外的输送管路全部进行了预冷却，该档位简称为“空载档位”。随后调节喷口至位置2，液氮将直接作用于有效冷冻区，实现有效冷冻区及其周边介质（肿瘤组织）的快速降温，该档位简称为“冷冻档位”。

通过“空载档位”下“气锁”的原理，将除有效冷冻区以外的全部输送管路进行预冷却，再调节至“冷冻档位”对有效冷冻区段进行急速降温，降温速率达到了620⁓1575℃/min，显著优于传统节流喷口固定式冷冻消融针，可以实现快速降温功能。节流喷口可调节式的结构还能降低冷冻消融针的工作压力，可将氮气瓶利用率从29%提升至42%，有助于降低手术成本，减少气体浪费。节流喷口可调节式的结构还能降低冷冻消融针对设备预冷温度的依赖，其中可将氮气所需的最高预冷温度从-120℃提高至-110℃，有助于延长持续手术的时间。