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肿瘤是目前全球主要的卫生健康问题之一。在所有类型肿瘤中,气管、支气管和肺部肿瘤占比较大,且发病率逐年递增。肿瘤外科手术正朝着微创化的方向发展,低温外科手术与传统治疗方法相比,具有出血少、杀菌、麻醉、有效防止肿瘤复发和转移的优势,有望成为未来肿瘤临床治疗的重要方案。本文基于柔性冷刀治疗系统搭建实验台,由高压氮气瓶、主机系统、柔性冷刀输出系统、温度测量及采集系统等部分组成。柔性冷刀可以通过人体的自然腔道到达靶向区域杀死病变组织,减少对正常组织的损伤,最低温度可达到-135℃。柔性冷刀刀头携有内窥镜,可以更加准确的寻找病变组织,进一步增加治疗的准确性。分别以8MPa、10MPa氮气压力在水中、质量含量为2%的明胶水溶液中进行实验,冰球近似为椭球形,8MPa时水中冰球短半径为2mm,10MPa时水中冰球短半径为3mm,10MPa时明胶中冰球短半径为18.5mm,由结果可以发现,氮气输送的压力越大,冰球越大;明胶中的冰球明显比水中的冰球大;距离刀尖位置越近,温度下降越快。在冷冻过程中,与柔性冷刀有效长度垂直的方向,温度扩散趋势一致,与柔性冷刀有效长度平行的方向比柔性冷刀垂直的方向温度降低更快,温度更低。利用有限元软件COMSOL建立仿真模型,仿真冷冻过程。分析了-1℃、-8℃,-20℃,和-40℃等值面的温度场分布特性、受损组织占比。同时对新鲜离体组织进行了冷冻实验,并用TUNEL病理扫描分析冷冻后的组织,综合分析了术前、术中、术后的组织形态。结果表明,冷冻组织在0～6mm范围内损伤最严重,对应的温度范围为-35℃～-40℃。模拟仿真结果与实验结果最大误差小于3%,证明了模型的可靠性。本文也建立了一种基于柔性冷刀治疗系统的三维传热传质模型,用于研究血管对组织冷冻过程的影响,采用周围血管半径为0.7mm的肿瘤组织作为模拟对象,分别对距离冷刀3mm、6mm以及垂直方向和水平方向的血管进行了研究,分析血管对于-1℃、-8℃,-20℃,和-40℃等值面的分布特性以及组织损伤程度的影响。研究发现,血管在X3mm处时,组织损伤范围为2.1mm,相变范围为3.4mm;血管在X6mm处时血管对组织损伤温度分布影响较小,在4.5mm时相变区域明显被分裂,严重影响着组织的相变过程;血管在Z-3mm处时,组织损伤范围为2mm,相变范围为3.4mm;血管在Z-6mm处时-1℃,-8℃,-20℃,-40℃等值线一直保持规则形状,并没有受到血管的干扰。对比发现,X3mm处血管对于冷冻过程影响最为明显。因此,本研究对临床肿瘤冷冻治疗具有一定的指导意义。