趙慶孝 常兆華 王玉凱

1(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

2(上海導(dǎo)向醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，上海 201318)

引言

射頻治療因其微創(chuàng)性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及可重復(fù)性等特點(diǎn)，成為眾多肝癌局部微創(chuàng)性治療方法中最具有代表性的一種，并被廣泛應(yīng)用[1]。但是，射頻消融時(shí)負(fù)極板處常會(huì)產(chǎn)生皮膚灼傷，成為限制其應(yīng)用的一個(gè)重要因素[2]。臨床上出于強(qiáng)化換熱的考慮，負(fù)極板優(yōu)先粘貼于血流豐富的大塊肌肉(如大腿、上臂)處，而不是在承受壓力、影響血流的臀部及背部，且骨骼突起及患者復(fù)位時(shí)易于移動(dòng)的部位也應(yīng)回避。另外，由于電流總是沿阻抗最小的路徑流動(dòng)，負(fù)極板靠近射頻電極的邊緣處，很容易集中大量的電流(前緣效應(yīng))，因此負(fù)極板的長(zhǎng)邊應(yīng)靠近電極。這就是臨床上負(fù)極板多數(shù)粘貼于患者大腿且長(zhǎng)邊垂直于大腿方向的原因。Steinke等認(rèn)為，目前的負(fù)極板設(shè)計(jì)并不能有效阻止“前緣效應(yīng)”及由此帶來(lái)的皮膚灼傷，建議進(jìn)一步研究通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)極板前緣熱電偶處的溫度來(lái)阻止“前緣效應(yīng)”的可行性[3]。Brill等的研究表明，負(fù)極板處組織的升溫速度與電流密度的平方成正比，而電流密度與接觸面積的平方成反比，因此負(fù)極板與皮膚的接觸面積越大，越不易產(chǎn)生皮膚灼傷[4]。

到目前為止，減少負(fù)極板處皮膚灼傷的努力仍主要集中于通過(guò)增加負(fù)極板數(shù)量來(lái)增大負(fù)極板與皮膚的接觸面積，但由于人體的每條大腿上最多只能粘附2個(gè)負(fù)極板，因此效果有限。Schutt在家豬腹部放置3塊負(fù)極板，消融時(shí)依次單獨(dú)激活每塊負(fù)極板，并調(diào)整激活時(shí)間，使每一塊負(fù)極板下的皮膚溫度保持一致[5]。經(jīng)過(guò)組織學(xué)檢查，確定負(fù)極板下皮膚溫度顯著降低，燒傷程度顯著減輕。

本研究創(chuàng)新性地提出一種在消融對(duì)象四周布置負(fù)極板的消融方式，并通過(guò)與相對(duì)常見(jiàn)的在消融對(duì)象下表面布置負(fù)極板的消融方式的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究負(fù)極板與皮膚的接觸面積以及與射頻針的相對(duì)位置對(duì)最終消融效果的影響，探索新的射頻能量施加方式。

1 材料和方法

1.1 總體思路

以土豆為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，土豆與負(fù)極板的連接方式有兩種：一種是負(fù)極板平置于土豆下表面(底面負(fù)極板)，另一種是負(fù)極板環(huán)繞于土豆側(cè)面(四周負(fù)極板)。射頻針及熱電偶測(cè)溫針通過(guò)定位板由土豆上表面垂直插入，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集射頻針附近一定距離內(nèi)的溫度值，最終考察溫度分布、升溫速率以及損傷區(qū)形狀，從而確定兩種負(fù)極板布置方式對(duì)射頻消融效果的影響。

射頻消融新產(chǎn)品、新方法的前期實(shí)驗(yàn)通常以離體動(dòng)物肝臟為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但由于肝臟組織中空腔、大血管、結(jié)締組織等的存在，射頻針?biāo)闹苌郎刳厔?shì)并不一致，以肝臟作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象并不能很好地反映出組織內(nèi)的升溫趨勢(shì)及溫度分布。土豆內(nèi)組織致密、均勻，各向同性，且土豆與肝臟組織的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 0.591 W/m·K[6]與 0.512 W/m·K[7]，二者相差不大。因此，以土豆作為關(guān)注消融過(guò)程中溫度場(chǎng)變化情況的射頻消融新方法的初期實(shí)驗(yàn)對(duì)象較為理想。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)器械

1.2.1 自制氣冷射頻消融系統(tǒng)

包括1臺(tái)射頻消融儀(北京市雷特立技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，RFG-2000 B)、1個(gè)高純氮?dú)馄?上海江南氣體有限公司)、1套半導(dǎo)體致冷設(shè)備(蘇州冰雪電子有限有限公司，LP-200W-2 TS)、1根氣冷射頻針(自制，直徑3.4 mm，針尖裸露長(zhǎng)度10 mm)。該系統(tǒng)可將高純氮由24℃預(yù)冷至-35℃，再經(jīng)射頻針尖處的J-T噴嘴節(jié)流降溫，最低可產(chǎn)生-80℃的低溫;配備流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)射頻針附近溫度反饋信號(hào)及程序中設(shè)定的邏輯關(guān)系，自動(dòng)控制高純氮流量，以調(diào)節(jié)輸入針尖的冷量。

1.2.2 定位板

以尼龍棒為材料，制作直徑60 mm、厚25 mm的定位板(見(jiàn)圖1)，中央圓孔直徑3.5 mm;以該圓孔為中心，正交垂直的4個(gè)方向上每隔5 mm鉆一直徑0.7 mm的小孔，每個(gè)方向共4個(gè)小孔，并在45°方向距中心圓孔外壁2 mm處鉆一直徑0.7 mm的小孔。在定位板下表面外沿，有一圈3 mm×3 mm的凹槽。

圖1 定位板Fig.1 The guiding plate

1.2.3 定位支架

用90 mm×90 mm×5 mm的鋼板及4根長(zhǎng)90 mm的螺栓制作定位支架(見(jiàn)圖2)，在鋼板中心挖出一個(gè)直徑54 mm的圓孔，可與定位板下緣的凹槽緊密配合。

圖2 定位支架Fig.2 The guiding bracket

1.2.4 土豆加工工具

用內(nèi)徑6 cm的PVC管制成，高8 cm，可以方便地把土豆切削為需要的圓柱體。

1.2.5 熱電偶測(cè)溫針

17根由美國(guó) Physitemp Instruments，Inc生產(chǎn)的MT-23/8T型熱電偶測(cè)溫針，測(cè)溫針上距針尖6 cm處標(biāo)有刻度，經(jīng)由定位板小孔垂直插入土豆約3 cm。

1.2.6 一次性負(fù)極板

由上海貝敦克醫(yī)療電子有限公司生產(chǎn)，為成人單極形式(#1030a)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

首先將土豆用自制的工具加工為直徑6 cm、高8 cm的圓柱體。底面負(fù)極板時(shí)，將土豆經(jīng)定位支架中心圓孔向下放在負(fù)極板上;四周負(fù)極板時(shí)，先在土豆側(cè)面纏繞好負(fù)極板，再在負(fù)極板外側(cè)纏繞上下兩圈絕緣膠帶，以防實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)極板松脫，然后將土豆正對(duì)定位支架中心圓孔放于其正下方;將定位板下表面置于定位支架中心圓孔，兩者緊密配合，將射頻針及測(cè)溫針經(jīng)定位板上相應(yīng)圓孔插入土豆至針上刻度點(diǎn)。

射頻儀采用功控模式，根據(jù)距針0.2 cm處的溫度(簡(jiǎn)稱T0.2)信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)冷后的高純氮流量，使 T0.2保持在 90℃ ;當(dāng) T0.2升至 100℃ 或?qū)嶒?yàn)時(shí)間達(dá)到1200 s時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。根據(jù)負(fù)極板與土豆的接觸方式，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置為：

1)底面負(fù)極板時(shí)，40 W射頻功率6 MPa高純氮冷卻(記為D40-6)、30 W射頻功率4 MPa高純氮冷卻(記為D30-4)、20 W射頻功率3 MPa高純氮冷卻(記為 D20-3)。

2)四周負(fù)極板時(shí)，40 W射頻功率8 MPa高純氮冷卻(記為S40-8)、30 W射頻功率8 MPa高純氮冷卻(記為S30-8)、20 W射頻功率8 MPa高純氮冷卻(記為 S20-8)。

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù) 3次，即每組實(shí)驗(yàn)中，在 0.5、1.0、1.5、2.0 cm 處各測(cè)得 12 個(gè)溫度值。

2 結(jié)果和討論

表1為各工況消融時(shí)間及損傷區(qū)參數(shù)。從中可知，四周負(fù)極板時(shí)，即使以8 MPa的高純氮進(jìn)行冷卻，40、30 W 功率時(shí)的消融時(shí)間僅為240及480 s，只有20 W功率時(shí)才能持續(xù)消融1200 s，而底面負(fù)極板時(shí)，這3種功率僅分別需6、4和3 MPa的壓力即能消融1200 s，說(shuō)明四周負(fù)極板時(shí)升溫更快。四周負(fù)極板時(shí)，消融時(shí)間隨功率的減小而延長(zhǎng)，產(chǎn)生橫徑稍大于縱徑的扁圓形損傷區(qū)，橫徑與消融時(shí)間正相關(guān)，S20-8產(chǎn)生6個(gè)工況中最大的橫徑，為3.2 cm，縱徑在240s后不隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大;底面負(fù)極板時(shí)，產(chǎn)生橫徑明顯小于縱徑的長(zhǎng)橢圓形損傷區(qū)，橫徑、縱徑均與射頻功率正相關(guān)，D40-6產(chǎn)生最大的縱徑，為 4.5 cm。

射頻消融的損傷區(qū)是由電阻熱產(chǎn)生的，電阻熱與電流密度的平方成正比[8]，即電流密度越大，升溫越快。由于電流總是沿阻抗最小的路徑“流動(dòng)”，因此損傷區(qū)主要向負(fù)極板的方向“生長(zhǎng)”。四周負(fù)極板時(shí)，負(fù)極板平行于射頻針與土豆整個(gè)側(cè)面接觸，射頻針有效針頭部分的四周均有等距的負(fù)極板，射頻電流可以均勻地向四周“流動(dòng)”;而底面負(fù)極板時(shí)，射頻針垂直于負(fù)極板，射頻電流只能由有效針頭表面向下“流動(dòng)”，導(dǎo)致阻抗較四周負(fù)極板時(shí)明顯增大，電流密度明顯減小。因此，四周負(fù)極板時(shí)升溫速度更快，產(chǎn)生的損傷區(qū)也更接近于大多數(shù)臨床腫瘤呈現(xiàn)的圓形。

表1 各工況消融時(shí)間及損傷區(qū)參數(shù)Tab.1 Ablation time and lesion dimension according to ablation settings

圖3 給出了6 種工況下距射頻針0.5、1.0、1.5、2.0 cm處的溫度分布。

圖3 各工況溫度分布Fig.3 Temperature distribution according to ablation settings

隨著距射頻針距離的增大，溫度快速降低，尤其是 S40-8，距針 0.5 cm 處已升至 100℃，距針 1.5及2 cm處的溫度卻是所有工況中最低的，這與此工況下消融時(shí)間過(guò)短(僅240 s)有直接關(guān)系。其他5種工況各距離處的溫度分布趨勢(shì)幾乎一致，S20-8得到最高的溫度，距針1.0～2.0 cm處的升溫幅度顯著高于其他工況;S30-8與D40-6的溫度分布幾乎完全一致，得到第二高的升溫幅度，但要注意的是S30-8的消融時(shí)間僅為480 s，而D40-6雖然功率高了10 W，消融時(shí)間卻達(dá)到了1200 s，進(jìn)一步證明了上述“四周負(fù)極板時(shí)升溫速度更快”的結(jié)論;D30-4各距離處的升溫幅度均略高于D20-3，但此時(shí)對(duì)應(yīng)的 T0.2均保持在90℃，T0.5則分別為 83.45 與75.16℃，也就是說(shuō)這兩種工況的消融時(shí)間仍可繼續(xù)延長(zhǎng)，從而產(chǎn)生更高的溫度分布。同樣，S40-8與S30-8如果能提供更大的冷量進(jìn)行冷卻，使得消融時(shí)間得到延長(zhǎng)，則其溫度分布很可能會(huì)超過(guò)S20-8。

圖4給出了6種工況時(shí)距射頻針2.0 cm處每2 min的升溫幅度，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)時(shí)間點(diǎn)時(shí)的溫度減去之前2 min時(shí)的溫度的差值。可以明顯看出，四周負(fù)極板時(shí)的整體升溫速度均明顯高于底面負(fù)極板時(shí)的整體升溫速度，S40-8與S30-8大部分時(shí)間內(nèi)的升溫速度為6℃/2min，底面負(fù)極板時(shí)的最大升溫速度僅為2.5℃/2 min;對(duì)于同樣的負(fù)極板布置方式，升溫速度與功率正相關(guān)。對(duì)于4組消融時(shí)間達(dá)到1200 s的實(shí)驗(yàn)，升溫速度均呈現(xiàn)拋物線的趨勢(shì)，升溫最快的時(shí)間段均集中在6～12 min，以S20-8最為明顯，12 min后升溫速度下降明顯;而D20-3在整個(gè)消融過(guò)程中升溫速度緩慢，變化很小，均在1.23～1.67℃ /2 min之間。由此可知，在一定條件下，低功率與盲目延長(zhǎng)消融時(shí)間換取遠(yuǎn)針處溫度的升高均不可取，因?yàn)檫@兩種狀況下的升溫速度緩慢，延長(zhǎng)時(shí)間換來(lái)的升溫效果并不明顯，卻大大增加了患者的痛苦及并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 距射頻針2.0 cm處每2 min升溫幅度Fig.4 Increasing extent of temperature in every 2 min where is 2 cm away from the electrode

射頻針遠(yuǎn)針處升溫所需的熱量有兩個(gè)來(lái)源：

1)射頻電流。射頻電流的密度與距射頻針距離的4次方成反比，即隨距離增加，電流密度衰減得很快，但只要有射頻電流流過(guò)，就必定會(huì)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致升溫，這也是其他條件相同時(shí)最終溫度分布與射頻功率正相關(guān)的原因。

2)近針處通過(guò)熱傳導(dǎo)作用傳出的熱量。在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，T0.2始終保持90℃(或90℃后一段時(shí)間逐漸上升至100℃)，外周與 T2.0處存在的溫差必然會(huì)使熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳向外周，這也是除S40-8外其他5種工況的升溫速度均呈拋物線趨勢(shì)的原因。如忽略升溫過(guò)程中電流強(qiáng)度的變化，隨消融時(shí)間的增加，近針處的升溫速度快于遠(yuǎn)針處的升溫速度。隨著溫差增大，通過(guò)熱傳導(dǎo)作用傳出的熱量增加，使遠(yuǎn)針處的升溫速度加快;一定時(shí)間后，由于近針處受氣體冷卻的影響，溫度趨于平穩(wěn)，與遠(yuǎn)針處的溫差逐漸減小，因此遠(yuǎn)針處的升溫速度開(kāi)始逐漸減小。在相同負(fù)極板布置方式下，各工況最大升溫速度點(diǎn)的出現(xiàn)隨功率增大而提前，因?yàn)楣β试酱螅樚幧?0℃的時(shí)間就越短。

射頻消融時(shí)，組織內(nèi)最終的溫度分布與多個(gè)因素有關(guān)，如負(fù)極板大小及相對(duì)位置、射頻功率、消融時(shí)間等。對(duì)于冷卻射頻針，消融時(shí)間又與射頻功率及輸入的冷量有關(guān)。若想有效增大遠(yuǎn)針處的升溫幅度，應(yīng)從以下幾個(gè)方面努力：

1)增大負(fù)極板面積，減小負(fù)極板與射頻針間的距離，以減小射頻針與負(fù)極板間的阻抗。

2)增大冷卻射頻針輸入的冷量，以使用更大的射頻功率。

3)增大靶組織內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)，以強(qiáng)化熱量向遠(yuǎn)針處的傳導(dǎo)。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

1)在相同的負(fù)極板布置方式下，升溫速度與射頻功率正相關(guān)。

2)除S40-8(消融時(shí)間僅240 s)外，每2 min內(nèi)的升溫幅度曲線均呈拋物線趨勢(shì)，6～12 min為升溫最快的時(shí)間段。

3)四周負(fù)極板時(shí)，升溫速度整體高于底面負(fù)極板時(shí)，前者12 min內(nèi)的升溫速度是后者的2倍以上(2.7 ～6.5℃ /2 min VS 1.2 ～2.5℃ /2 min)，S20-8 得到最高的溫度分布。

4)損傷區(qū)主要向著負(fù)極板的方向“生長(zhǎng)”，四周負(fù)極板時(shí)，240 s后縱徑不再增大。

綜上所述，由于四周負(fù)極板時(shí)損傷區(qū)的縱徑可以通過(guò)射頻針有效針頭的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以四周負(fù)極板的效果優(yōu)于底面負(fù)極板的效果，且存在優(yōu)化提高的空間。

3.2 展望

本研究的局限性主要在于使用土豆為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能直接應(yīng)用于人體組織，但是得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然有其重要的價(jià)值。臨床上是否可以考慮研制一種能伸縮的L形射頻針?對(duì)于一定部位的腫瘤，射頻針垂直穿刺入人體后，將有效作用針頭從豎直插入的母針中伸出，平行于人體插入腫瘤內(nèi)，在腫瘤周圍的人體外側(cè)纏繞一圈一定寬度的特制負(fù)極板，能緊密粘附于人體，手術(shù)床對(duì)應(yīng)人體上負(fù)極板的部位挖空，以免背部負(fù)極板處受壓。此種手術(shù)方式類似于本研究所述的四周負(fù)極板方式，相對(duì)于將負(fù)極板粘附于患者大腿處，回路的阻抗必將顯著減小，很可能大大提高升溫速度。若控制好消融時(shí)間及射頻針有效針頭的長(zhǎng)度，很可能產(chǎn)生與目標(biāo)腫瘤區(qū)域吻合較好的圓形損傷區(qū)，其可行性值得深入研究。

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