戴麗娟，丁樂明，花國然，錢志余

（1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南京航空航天大學 生物醫(yī)學工程系，江蘇 南京 210016）

激光熱毀損是一種腫瘤微創(chuàng)治療的方法，具有熱效高、升溫快、溫度場均勻、毀損徹底等特點，使其在腫瘤的局部熱療中具有相對優(yōu)勢[1-6]，目前在肝癌、肺癌、腎癌、脾臟等實質臟器腫瘤的治療中已經(jīng)得到了實際的應用[7-12]。

目前，臨床上制定激光熱毀損治療的激光劑量時，一般先依據(jù)影像學數(shù)據(jù)來獲得腫瘤的尺寸大小，再結合臨床醫(yī)生的經(jīng)驗來確定，其治療效果具有較大的不確定性，因此，研究基于激光功率和作用時間的有效毀損體積模型是十分必要的[13-15]。實驗表明，豬肝與人體肝臟比較相近，可以用激光加熱豬肝的實驗來模擬激光毀損人體肝臟[16-18]。由于離體組織實驗中熱毀針的穿刺較為方便和可控，可以進行大量實驗，并且組織樣本等無關變量可在重復實驗時基本保持不變，因此離體豬肝熱毀損實驗可以為臨床激光熱毀損治療提供重要的參考。

本文通過離體豬肝激光熱毀損實驗，研究單/雙光纖激光熱毀損過程中的功率及時間變化對熱毀損區(qū)域變化的影響，在不同作用時間下獲取不同功率激光的有效熱毀損體積，對單/雙光纖激光熱毀損形態(tài)進行對比分析，并通過數(shù)據(jù)擬合建立了激光毀損的有效熱毀損體積模型，該模型計算值與實測值之間誤差較小，結果表明該模型能夠較好地對不同激光功率和加熱時間下熱毀損區(qū)域的形態(tài)和體積作出預判，從而為臨床制定手術參數(shù)提供參考。

1 激光熱損毀實驗

1.1 實驗系統(tǒng)

如圖1 所示，激光毀損實驗系統(tǒng)由980 nm 紅外激光器（MAL-N-980-20W 型，長春新產(chǎn)業(yè)光電技術有限公司，中國，功率在0～20 W 范圍內可調）和激光毀損針組成。激光毀損針的不銹鋼針管外徑為1.8 mm，內部有兩種規(guī)格：單光纖（內置1 根芯徑0.4 mm 的石英光纖）與雙光纖（內置2 根芯徑0.4 mm 的石英光纖，兩纖芯中心距離0.8 mm）。雙光纖纖芯中心距0.8 mm 是當前外徑下內部可設置的最大間距。

圖1 激光毀損的實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 System of the laser ablation experiment

1.2 實驗方法

實驗在室溫25 ℃環(huán)境中進行。實驗材料為新鮮離體豬肝，購自市場。將其隨機分組，設定單纖和雙纖的功率分別為2，3，4 和5 W，時間分別為150，300，450和600 s。功率、時間與激光毀損針規(guī)格交叉組合構成32 組實驗參數(shù)，每組參數(shù)重復5 次實驗。實驗前先將冷藏的離體豬肝在室溫下放置一段時間，使其溫度恢復到25 ℃左右，再打開激光器等待10 min 后，激光器開始正常工作。

實驗中，首先在較厚的豬肝位置插入毀損針約3 cm；其次，打開光源，按照預先設計的實驗參數(shù)，以連續(xù)波模式進行激光熱毀損實驗，達到設定的作用時間后停止激光加熱；最后，沿光纖插入方向切開豬肝，用MATLAB 軟件對剖面圖像進行熱毀損區(qū)邊界的提?。≧ 通道，按直方圖次低谷值選擇閾值，一般取值在100～120 之間）和橢圓擬合（偏差平方和最?。?，獲得該區(qū)域的長徑（d1）和短徑（d2）（見圖2），根據(jù)

計算獲得熱毀損區(qū)域（橢球）的體積。

2 實驗結果

2.1 激光熱毀損區(qū)域形狀

如圖3 所示，豬肝熱毀損區(qū)的剖面形狀基本呈現(xiàn)為橢圓形，其縱向延伸（沿激光光纖插入方向）的長度大于橫向延伸（垂直于光纖的方向）的長度。熱毀損區(qū)域包含碳化區(qū)、凝固區(qū)和充血帶3 部分。

圖3 豬肝毀損區(qū)域剖面圖Fig.3 Ablation zone of porcine liver

圖3 中靠近針道的黑色區(qū)域是碳化區(qū)，這是由中心高溫致使組織脫水、碳化而產(chǎn)生的；碳化區(qū)外側是黃白色的凝固區(qū)，此區(qū)域的肝組織已被完全熱毀損，是熱毀損區(qū)域的主要部分；凝固區(qū)外側是粉紅色的充血帶，這是由組織受熱后毛細血管等膨脹充血或肝組織性質改變而產(chǎn)生的。

2.2 激光熱毀損區(qū)域長、短徑與體積

2.2.1 單光纖激光毀損

表1、2 為單光纖激光熱毀損實驗中測得的長、短徑隨激光功率（p）和加熱時間（t）的變化，圖4 為根據(jù)式（1）計算得出的熱毀損區(qū)體積隨激光功率和加熱時間的變化。經(jīng)統(tǒng)計分析，在相同功率、相同的加熱時間下，不同樣本間的單光纖實驗數(shù)據(jù)不具有顯著性差異（P >0.05）。

表1 單光纖激光毀損區(qū)長徑隨功率和加熱時間的變化Tab.1 Long diameter variation of ablation area by single fibre laser with power and heating time

表2 單光纖激光毀損區(qū)短徑隨功率和加熱時間的變化Tab.2 Short diameter variation of ablation area by single fibre laser with power and heating time

圖4 單光纖激光毀損區(qū)體積隨功率和加熱時間的變化Fig.4 Volume variation of ablation area by single fibre laser with laser power and heating time

2.2.2 雙光纖激光毀損

表3、4 為雙光纖激光熱毀損實驗中所測得的長、短徑隨激光功率和加熱時間的變化，圖5為根據(jù)式（1）計算得出的熱毀損區(qū)體積隨激光功率和加熱時間的變化。經(jīng)統(tǒng)計分析，在相同功率、相同加熱時間下，樣本間的雙光纖實驗數(shù)據(jù)不具有顯著性差異（P >0.05）。

表3 雙光纖激光毀損區(qū)長徑隨功率和加熱時間的變化Tab.3 Long diameter variation of ablation area by double fibre laser with power and heating time

表4 雙光纖激光毀損區(qū)短徑隨功率和加熱時間的變化Tab.4 Short diameter variation of ablation area by double fibre laser with power and heating time

圖5 雙光纖激光毀損區(qū)體積隨功率和加熱時間的變化Fig.5 Volume variation of ablation area by double fibre laser with laser power and heating time

2.3 單、雙光纖激光毀損區(qū)域的對比

經(jīng)統(tǒng)計分析，在相同功率、相同加熱時間下，不同樣本的雙光纖與單光纖實驗數(shù)據(jù)具有顯著性差異（P <0.05）。圖6 為功率為2 W 時單光纖和雙光纖激光毀損區(qū)域長徑、短徑的對比，從圖中可以看出，當加熱時間相同時，雙光纖輸入激光劑量為單光纖的兩倍，其激光毀損區(qū)域長徑、短徑均不到單光纖毀損區(qū)域長徑、短徑的兩倍。通過表1～4 分析可知，當功率分別為3，4，5 W 時雙光纖與單光纖毀損區(qū)域的對比也具有相似的結果。綜合來看，雙光纖激光毀損區(qū)的長徑是相同功率下單光纖毀損區(qū)長徑的1.1～1.4 倍，短徑為1.4～1.7 倍。

圖6 功率為2 W 時單光纖和雙光纖激光毀損區(qū)域長、短徑的對比Fig.6 Comparison of long and short diameter of ablation area by single fiber laser and double fiber laser（p=2 W）

圖7 為單光纖激光毀損區(qū)域短徑與長徑的比值變化，從圖中可以看出該比值為0.52±0.03。

圖8 為雙光纖激光毀損區(qū)域短徑與長徑的比值變化，從圖中可以看出該比值為0.63±0.05。

圖8 雙光纖激光毀損區(qū)域短徑與長徑的比值變化Fig.8 Variation of ratio of short diameter to long diameter of ablation area by double fiber laser

2.4 有效毀損區(qū)域長、短徑與體積模型

上述實驗結果的對比表明雙光纖激光毀損區(qū)的形態(tài)相比單光纖激光毀損區(qū)更接近球體，因此選擇雙光纖實驗數(shù)據(jù)，以激光功率p 和時間t 為變量，采用麥夸特法及通用全局優(yōu)化算法進行數(shù)據(jù)擬合，構建長徑d1、短徑d2和體積Vf的數(shù)學模型（1stopt軟件，七維高科有限公司，中國）。構建時注意兼顧模型簡潔性和數(shù)據(jù)相關性，最終確定模型如下：

如圖9 所示為雙光纖各功率下不同加熱時間的熱毀損區(qū)實測體積V 與計算體積Vf的對比，經(jīng)計算分析，同一功率下兩組數(shù)據(jù)的最大相對誤差均不大于10%。同樣，可按類似的方式構建單光纖激光毀損區(qū)長徑d1、短徑d2和體積Vf的數(shù)學模型，這里不再一一羅列。

圖9 實際體積與擬合體積的比較Fig.9 Comparison of actual volume and fitted volume

3 分析與討論

豬肝離體組織激光熱毀損區(qū)域的形態(tài)為橢球形，經(jīng)過病理檢測可以確認碳化區(qū)和凝固區(qū)的組織發(fā)生了不可逆的組織變性，因此，實驗中以凝固區(qū)外圍為有效毀損區(qū)域邊界來測量長、短徑[19]，建立有效毀損體積的計算模型。

由表1～4 可知，毀損區(qū)域的長、短徑隨著激光功率和加熱時間的增大而增大。由圖7、8 可知，單光纖激光有效毀損區(qū)的短徑與長徑比值平均為0.52，雙光纖激光有效毀損區(qū)的短徑與長徑比值平均為0.63，表明雙光纖激光有效毀損區(qū)更接近于球體形態(tài)。相同加熱時間下，同一功率的雙光纖激光毀損相對單光纖激光毀損，其激光劑量增加1倍，其有效毀損區(qū)長徑增大10%～40%，短徑增大40%～70%，按體積公式計算后可知，其有效毀損體積增大1.4～2.7 倍。在臨床激光熱毀損腫瘤時，可以根據(jù)這些特點來合理選擇光纖數(shù)量，設置激光功率和加熱時間，從而獲得較為理想的毀損區(qū)范圍，在臨床上達到較為理想的治療效果。

目前，臨床激光熱毀損腫瘤時，醫(yī)生對毀損結果無法做出定量的預測，因此，采用不同功率、不同加熱時間的離體和活體熱毀損實驗，其毀損結果可以為臨床手術功率和時間的選擇提供重要的依據(jù)。本研究根據(jù)大量離體組織熱毀損實驗的測量數(shù)據(jù)構建了雙光纖激光有效毀損區(qū)長、短徑和體積的計算模型，在制定手術計劃時，可以根據(jù)腫瘤形狀和大小，先利用體積計算模型初步選擇激光功率和加熱時間，得到該方案下的毀損區(qū)長、短徑。當長、短徑小于腫瘤相應尺寸時，需要對初步選擇的方案進行微調，以保證有效毀損區(qū)域能夠完全覆蓋腫瘤區(qū)域。

本研究還存在需要進一步探索和研究之處。一方面，活體組織中的血流會在一定程度上影響毀損區(qū)域的溫度變化，在相同激光功率和加熱時間下活體組織中的毀損體積要略小于離體組織的毀損體積[20]；另一方面，不同結構或尺寸的光纖具有不同的激光輻射特性，其毀損體積具有差異性，雙光纖纖芯中心距的變化也會對毀損結果產(chǎn)生影響。因此，本研究基于離體豬肝實驗所得的體積模型只適用于文中采用的特定雙光纖激光毀損針的毀損體積計算，對活體組織的毀損體積計算也存在一定偏差，需要進一步探索和研究應用不同結構、尺寸和不同雙光纖纖芯中心距探頭在不同激光功率和作用時間下對活體組織激光熱毀損的有效毀損體積模型。

4 結論

通過對離體豬肝單、雙光纖激光熱毀損實驗數(shù)據(jù)的分析，對比了兩種模式下有效毀損區(qū)長、短徑和體積的變化，并建立了雙光纖激光有效毀損區(qū)長、短徑及體積與激光功率和加熱時間之間的數(shù)學模型，為制定激光熱毀損治療的劑量提供了一定的參考方法，即，可以根據(jù)腫瘤形狀和大小，以長、短徑計算值均大于或等于腫瘤相應尺寸為前提，利用數(shù)學模型來確定治療所采用的激光功率和時間，以保證腫瘤體能被毀損區(qū)域完全覆蓋。臨床上可以根據(jù)該結論對激光毀損腫瘤的治療計劃進行優(yōu)化。