噴霧ノズルの設計は、冷却効率を制御する主要な変数である液滴サイズ、速度、およびスプレーフラックスを根本的に決定します。 これらの要因を正確に調整することにより、ノズルは、空気中や静止した液体層の上ではなく、皮膚の表面で直接冷媒が蒸発することを保証します。この最適化は、レーザーの光学経路を妨げることなく熱抽出を最大化するために不可欠です。
コアの洞察：最大の冷却効率は、スプレーフラックスが皮膚上の蒸発率と完全に一致した場合にのみ達成されます。最適化されたノズルは、皮膚を断熱し急速な熱除去を妨げる厚い液体膜である「熱抵抗」の形成を防ぐために、より大きく高速な液滴を使用します。
スプレークーリングの物理学
ノズル設計がパフォーマンスにどのように影響するかを理解するには、冷媒が絞り口から離れてターゲットに衝突する瞬間までの挙動を見る必要があります。
液滴形状の制御
ノズルは、多くの場合、約0.5 mmの精密な絞り口を備えており、液体冷却媒体を特定の噴霧パターンに変換します。
この噴霧プロセスは、冷媒の比表面積を劇的に増加させます。
ノズルは、ストリームを液滴に分割することにより、急速な相変化（蒸発）を促進する巨大な表面積を作成します。これが冷却効果を駆動するメカニズムです。
速度の役割
適切な速度がなければ、液滴サイズは無意味です。
最適化されたノズル設計は、液滴が高速度で噴出されることを保証します。
高速度により、液滴は空気中の飛行を乗り越え、皮膚表面に十分な運動量で衝突してすぐに広がり蒸発することが保証されます。
「熱抵抗」バリア
冷却効率に対する最も重大な脅威は、皮膚上の過剰な液体の蓄積です。
液体膜形成の防止
ノズルが液滴を小さすぎたり遅すぎたり生成した場合、またはフラックスが高すぎた場合、液体は十分に速く蒸発できません。
これにより、表皮上に厚い液体膜が蓄積します。
この膜は熱抵抗または断熱材として機能します。熱を抽出する代わりに、層は熱エネルギーの伝達をブロックし、レーザー処置中の冷却速度を大幅に低下させます。
フラックスと蒸発のマッチング
ノズル設計の究極の目標は平衡です。
皮膚に着地する冷媒の量（スプレーフラックス）が、皮膚が瞬時に気化できる量（蒸発率）と正確に一致すると、効率はピークに達します。
最適化されたノズルは、このバランスを維持するように設計されており、境界層を突き破って組織を過剰に濡らすことなく冷却するために、より大きく、より速い液滴を供給します。
トレードオフの理解
噴霧は必要ですが、ノズル設計には液滴サイズと蒸発タイミングの間の繊細なバランスが含まれます。
事前蒸発のリスク
一般的な落とし穴は、細かすぎるスプレーを作成することです。
噴霧が構造化された液滴ではなく微細なミストを作成した場合、冷媒は飛行中に完全に蒸発する可能性があります。
これにより、患者の皮膚ではなく、ノズルと患者の間の空気が冷却され、システムは非効率的になります。
絞り口精度の影響
ノズル絞り口のばらつきは、一貫性のない冷却保護につながる可能性があります。
0.5 mmの標準に完全に機械加工されていないノズルは、不均一な噴霧パターンを生成する可能性があります。
これにより、皮膚が冷却不足で熱損傷を受けやすい「ホットスポット」や、液体蓄積がレーザーエネルギーをブロックする「ウェットスポット」が発生する可能性があります。
目標に合わせた適切な選択
レーザースプレークーリングシステムを評価する際には、ノズル設計の意図を理解することで、より良い臨床応用が可能になります。
- 主な焦点が最大の熱抽出にある場合：より大きく、高速な液滴を生成するように設計されたノズルを優先してください。これらは、液体のプールによる断熱効果を防ぎます。
- 主な焦点が一貫した表皮保護にある場合：システムが精密機械加工された絞り口（例：0.5 mm）を使用していることを確認して、皮膚の蒸発率に一致する均一なスプレーフラックスを保証してください。
最も効果的な冷却システムは、最も多くの液体を噴霧するシステムではなく、すべての液滴が熱抽出に直接貢献することを保証するシステムです。
概要表：
| 特徴 | 冷却効率への影響 | 臨床的利点 |
|---|---|---|
| 液滴速度 | 高速度により、液滴が皮膚に到達して広がることを保証します。 | 急速な熱抽出。 |
| 液滴サイズ | 大きな液滴は、空中での早期蒸発を防ぎます。 | 直接的な表皮冷却。 |
| 絞り口精度 | 一貫した0.5 mmサイズにより、均一なスプレーフラックスが保証されます。 | ホット/ウェットスポットの防止。 |
| スプレーフラックス | 液体プールの形成を防ぐために、皮膚の蒸発率に一致させます。 | 熱抵抗を最小限に抑えます。 |
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参考文献
- Majid Monajjemi, Fatemeh Mollaamin. An Overview on Low-Level Laser Therapy (LLLT) & Cooling Laser Therapy (C.L.T.) in Medical Engineering. DOI: 10.33263/briac125.61846195
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Belislaser ナレッジベース .
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