冷凍技術被用于治療多種化妝品皮膚病問題，以及移除體內腫瘤和受損組織。英國伯明翰大學（University of Birmingham）的研究人員放棄了此前典型的氮基方法，轉而試圖研究熱電冷卻裝置或 Peltier 裝置對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，其治療機理是對受損組織進行冷凍，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，通過 Wikimedia Commons共享。

液氮是冷凍療法中使用的最典型的冷凍劑，目前出現了另一種對冷凍手術探針進行冷卻的方法 — 它無需利用低溫冷卻液進行制冷，故探針的結構可更加緊湊，重量也更輕。具體方法就是運用熱電器件。

熱電制冷系統簡介

如果對一個裝置的兩端施加不同的溫度，裝置會產生電壓，那么相應的，對這個裝置施加電壓時，其兩端便會產生更大的溫度差。這便是熱電效應，這一現象可被用來發電、測量溫度及改變物體溫度。

根據熱電效應的原理，熱電冷卻裝置或 Peltier 裝置會在兩種不同導電材料的連接點產生溫度差。裝置會將熱量從一端傳輸到另一端，傳輸方向取決于電流方向。換言之，裝置的一側會變冷，而另一側會變熱。Peltier 裝置的設計可根據用途的不同而改變，其應用范圍涵蓋了從電子元件散熱到制冷和空調行業。

Peltier 裝置示意圖。

對于冷凍療法來說，以 Peltier 裝置為基礎設計的探針相比于以氮為基礎的冷凍探針，具備很多潛在優勢。其中一個優勢就是它無需額外部件及維持加壓氣體安全性所需的預防措施。不僅如此，這種設計也更加靈敏、可靠，同時為醫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的研究團隊是如何利用仿真來探索這一裝置在冷凍療法上的應用潛力，以及如何對設計進行優化的。

借助 COMSOL Multiphysics 對冷凍療法所用熱電探針進行仿真

該分析中使用的 Peltier 裝置由數個與銅層連接的碲化鉍半導體元件組成，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接口。同時，通過對電流物理場接口的應用，計算出了電場、電流和電位分布。為了將模型的電學行為和熱學行為耦合在一起，他們使用了熱電效應多物理場節點 — 這是一個用于分析和優化 Peltier 裝置的強有力的工具。

這項研究從對單級Peltier 裝置的仿真開始。初步分析中，對裝置施加的最大電流和電壓分別為 12 A 和 15.2 V。結果如下圖所示，最大溫差小于 70 K。因此，單級設計無法產生冷凍組織所需的低溫（203 K）。

單級 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向測試多級 Peltier 裝置。您可能想知道為什么對單級設計應用更高的電流密度不是最佳選擇。因為增大電流密度會引起更強的焦耳熱效應，而焦耳熱效應在某種程度上會極大地影響 Peltier 效應。多級裝置的配置可以避免電流密度的增加（即避免焦耳熱效應的增強）。

為解決這一情況，研究人員在設計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。研究結果表明，兩級設計無法產生冷凍療法所需的低溫，而三級設計可以產生低達 210 K 的溫度。雖然這個溫度還是略高于 203 K 凍結溫度，但是這一研究結果表明多級 Peltier 裝置可以產生更低溫度。這將成為未來冷凍療法裝置設計和開發的基礎。

二級（左圖）和三級（右圖）級聯熱電器件的表面溫度。圖像來源于 P. Aliabadi, S. Mahmoud 和 R. K. AL-Dadah 發表于COMSOL Conference 2014 Cambridge 的會議論文。

這些研究結果證實了 Peltier 裝置產生凍結溫度的特性具有可被應用于冷凍療法的潛力。這些研究為相關醫療領域的進步拓寬了道路，為受損組織的治療提供了更安全、更可靠的方法。