錢瑞燕,辜丹丹,劉棣芳,姚海濤,毛琳,周宇

(上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新,射頻消融因安全有效[1-2],被廣泛應(yīng)用于腫瘤的治療,并已成為治療肝臟腫瘤的重要手段之一。射頻消融利用高頻交流電流,其單極電極具有單個有源電極施加器,電流在一個或多個負(fù)極板處耗散[3]。射頻電極產(chǎn)生交變電場,交變電場引起目標(biāo)組織中離子的振動并產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致細(xì)胞中蛋白質(zhì)失活[4-6]。

研究表明,溫度對腫瘤細(xì)胞的傷害取決于溫度的高低和持續(xù)時間,癌細(xì)胞比正常細(xì)胞對溫度更加敏感。當(dāng)細(xì)胞暴露在高于42 ℃的溫度下,細(xì)胞的生化反應(yīng)和代謝過程將受到破壞;在46 ℃下,僅需8 min細(xì)胞就會凋亡,在51 ℃下僅需2 min;溫度大于60 ℃時,細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)迅速凝固壞死;當(dāng)溫度大于100 ℃,細(xì)胞內(nèi)的水分會沸騰,造成組織氣化或者碳化[7-9]。

在大多數(shù)中小型肝臟腫瘤治療中,采用多極射頻消融會導(dǎo)致消融組織因過熱而產(chǎn)生碳化現(xiàn)象,射頻能量很難傳遞到距離電極針更遠(yuǎn)的病變組織,而采用單極消融需采取重疊技術(shù)進(jìn)行多次消融。在此過程中,射頻消融產(chǎn)生的微氣泡導(dǎo)致重新定位存在技術(shù)難度,使得重疊區(qū)域不準(zhǔn)確,發(fā)生健康組織熱損傷嚴(yán)重或者消融區(qū)域不完全的情況[10]。

冷卻射頻消融的安全性與傳統(tǒng)射頻消融相當(dāng),且相比于傳統(tǒng)射頻消融,冷卻射頻消融可有效降低電極接觸組織的溫度,減少組織碳化或氣化的風(fēng)險(xiǎn)、擴(kuò)大消融范圍,提高治療效果[11- 13]。為此,本研究設(shè)計(jì)了一款冷卻射頻消融儀器,對射頻能量采取占空比輸出,并設(shè)計(jì)基于阻抗控制功率的算法,使該算法可預(yù)測和控制消融范圍,實(shí)現(xiàn)更有效的治療效果。

1 方法與實(shí)驗(yàn)

1.1 射頻消融儀的研制

圖1(a)為自制射頻消融儀的結(jié)構(gòu)框圖,包括人機(jī)交互界面、電源模塊、主控模塊、射頻功率放大器模塊以及接口模塊。圖1(b)為自制射頻消融系統(tǒng)的實(shí)際外觀圖。人機(jī)交互界面采用醫(yī)用串口屏幕設(shè)置消融模式、開啟時間;電源模塊主要為其它模塊提供電源;并為射頻功率放大器模塊提供可線性調(diào)控的直流電源;射頻功率放大模塊主要產(chǎn)生頻率為450 kHz的射頻能量;接口模塊包含背極板貼合程度監(jiān)測電路、溫度檢測電路;主控板接收來自各模塊的反饋量進(jìn)行控制輸出,監(jiān)測各模塊的運(yùn)行狀況并進(jìn)行對應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。

圖1 射頻消融設(shè)備

1.2 冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)

圖2(a)為冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖,包括水泵、制冷裝置、水排和控制模塊。圖2(b)為水冷裝置的實(shí)際外觀圖?？刂颇K控制水泵的轉(zhuǎn)速和方向。調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速和方向后,開啟水泵將冷卻液先泵入制冷裝置,通過水排后,泵入電極針內(nèi)部,再排出返回至水泵。

圖2 射頻冷卻設(shè)備

1.3 控制算法設(shè)計(jì)及其機(jī)理

研究表明,在5～90 ℃的溫度范圍內(nèi),組織的導(dǎo)熱率隨溫度的升高而增加。由于水分的汽化與導(dǎo)熱率呈負(fù)相關(guān)[14],當(dāng)牛肝溫度超過90 ℃時,熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率將發(fā)生不可逆變化,因此,應(yīng)控制好功率輸出,確保射頻電流產(chǎn)生的溫度在足以破壞腫瘤細(xì)胞的同時,盡量減少因溫度過高而導(dǎo)致的過度加熱和碳化風(fēng)險(xiǎn)。

采取冷卻設(shè)備冷卻電極針,可以延遲過熱和組織碳化[15]。本研究通過優(yōu)化射頻能量輸出方式,以實(shí)現(xiàn)更有效的冷卻效果和均勻的組織消融。通過控制射頻能量進(jìn)行重復(fù)的占空比輸出,在每個持續(xù)1 s的周期內(nèi),一半時間用于輸出能量,另一半時間則停止輸出。在停止輸出期間,電極周圍的組織因組織液回流而被冷卻,射頻能量也能利用回流的組織液繼續(xù)往距離電極更遠(yuǎn)端進(jìn)行能量輸出[16]。射頻能量大小通過算法進(jìn)行調(diào)節(jié),功率輸出的控制公式見式(1),基于阻抗調(diào)整功率輸出的流程圖見圖3。初始細(xì)胞是由細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)液組成,細(xì)胞外面存在細(xì)胞外液和細(xì)胞間質(zhì),當(dāng)激勵電流進(jìn)入生物組織時,電流以任意方式繞過細(xì)胞,在頻率f≤1 MHz時,細(xì)胞膜可視為開路狀態(tài),電流主要在細(xì)胞外液中流動,部分電流穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)液[17]。此時選取一個較高的固定功率水平(25 W),進(jìn)行局部組織消融。在此過程中,隨著局部溫度的上升,細(xì)胞結(jié)構(gòu)逐漸受損,導(dǎo)致組織內(nèi)部液體逐漸釋放。圖4為阻抗變化趨勢[16, 18]。組織阻抗會從一個較大值降低到最小值,并穩(wěn)定一段時間,實(shí)驗(yàn)中,大約從90 Ω左右降至55 Ω左右,在此時間內(nèi)輸出較大的功率能量不會造成組織過熱。因此,在阻抗降低期間,本研究每分鐘階躍式增加5 W的能量輸出,以確保射頻能量進(jìn)行治療時足夠有效。隨后組織的溫度持續(xù)增加,組織水分開始汽化,阻抗值迅速增加。當(dāng)檢測到阻抗過高時(>300 Ω),將射頻輸出功率降低為原來的一半,繼續(xù)每分鐘射頻功率增加5 W輸出。此時通過熱傳遞和低功率射頻輸出,距離電極針更遠(yuǎn)處的細(xì)胞也受到破壞,組織液增加并回流到電極附近,組織阻抗降低。上述功率和阻抗設(shè)定值均為本研究在離體牛肝實(shí)驗(yàn)過程中探索所得。

(1)

圖3 控制算法流程圖

圖4 阻抗變化趨勢圖

1.4 實(shí)驗(yàn)材料和方案

本實(shí)驗(yàn)使用的冷卻針電極直徑為2 mm,長度為250 mm,電極未絕緣部分長度為10 mm。本研究采用新鮮的牛肝進(jìn)行離體實(shí)驗(yàn),對比傳統(tǒng)恒功率、冷卻恒功率和算法控制三種模式下射頻消融實(shí)驗(yàn)效果。

1.5 單級射頻消融離體實(shí)驗(yàn)效果評估方法

單極RFA 用于肝臟、腎臟、心臟、前列腺和其它器官中消融腫瘤時,消融病變處的組織為白色區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了完全和均勻的細(xì)胞破壞,周圍正常組織的顏色為暗紅色[19]。一些研究總結(jié)了射頻消融離體實(shí)驗(yàn)效果的評估指數(shù)為橢圓度指數(shù)(ellipticity index, EI)和規(guī)則性指數(shù)(regularity index, RI)。標(biāo)準(zhǔn)球形的EI和RI值都為1。

(2)

(3)

這些參數(shù)從消融區(qū)域的不同平面測得,軸向平面定義為沿電極軸的平面(見圖5(b)),橫向平面定義為垂直于電極且擁有最大橫向直徑的面(見圖5(c))。其中,最大橫向直徑TDmax為橫向平面凝固帶的兩個相對邊緣之間的最大距離;最小橫向直徑TDmin為橫向平面中凝固帶的兩個相對邊緣之間的最小距離,在與最大橫向直徑線相交的一半處的線上測量,單位為mm。軸向直徑(AD)定義為軸向平面在電極軸線上凝血區(qū)的近端和遠(yuǎn)端邊緣之間的距離。最大半徑rmax為電極軸與橫向平面中凝固區(qū)邊緣之間的最大距離;最小半徑rmin為電極軸與橫向平面中凝固區(qū)邊緣之間的最小距離(圖4(d))[15, 20-22]。

圖5 消融參數(shù)示意圖

2 結(jié)果

2.1 傳統(tǒng)恒功率射頻消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究采用射頻功率為10、20、30、40 W,采取占空比恒功率輸出15 min。傳統(tǒng)恒功率射頻消融實(shí)驗(yàn)果見圖6。

使用游標(biāo)卡尺測量TDmax、TDmin、AD、rmax和rmin。由表1的傳統(tǒng)射頻消融變色區(qū)域各參數(shù)可知,相對于標(biāo)準(zhǔn)的球形凝固區(qū)(EI和RI都為1),傳統(tǒng)恒功率射頻消融區(qū)域的EI最大偏差為253%,RI最大偏差為53%,平均EI值為2.54,平均RI值為0.56。

圖6 傳統(tǒng)恒功率射頻消融

2.2 冷卻恒功率射頻消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

冷卻恒功率射頻消融同樣采用射頻功率為10、20、30、40 W,采取占空比恒功率輸出15 min。冷卻恒功率射頻消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。

由表2的各項(xiàng)消融參數(shù)可知,冷卻恒功率射頻消融變色區(qū)域的EI最大偏差為32%,RI最大偏差為43 %,平均EI值為1.13,平均RI值為0.66。

表1 傳統(tǒng)恒功率射頻消融變色區(qū)域各個參數(shù)

圖7 冷卻恒功率射頻消融

2.3 算法控制冷卻射頻消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究算法控制離體牛肝實(shí)驗(yàn)結(jié)果,見圖8。實(shí)驗(yàn)中,采用四根熱電偶對以電極針為中心,半徑為15 mm的前后左右測溫。圖9為在射頻消融15 min內(nèi),四根熱電偶采集到的組織溫度逐漸增加,越過51 ℃,時間大于2 mim。這表明,在直徑為30 mm的消融區(qū)域范圍內(nèi),牛肝組織都徹底壞死,證明了自制冷卻射頻消融系統(tǒng)在15 min內(nèi),使用單根電極可一次性消融直徑不小于30 mm的病變組織。

表2 冷卻恒功率射頻消融變色區(qū)域各個參數(shù)

圖8 四組算法控制離體牛肝實(shí)驗(yàn)圖

圖9 距電極針半徑15 mm四周溫度曲線圖

由表3的消融區(qū)域各參數(shù)可知,本研究算法控制冷卻射頻消融的消融EI最大偏差為8%,RI最大偏差為42%。四組控制算法下隨機(jī)離體牛肝實(shí)驗(yàn)的平均EI值為1.03,平均RI值為0.72。

3 實(shí)驗(yàn)分析討論

三種不同射頻消融模式下,離體實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的EI、RI值見圖10。

在三種不同模式下RI、EI的方差值見表4。其中,本研究算法控制離體實(shí)驗(yàn)中EI和RI的方差最小,穩(wěn)定程度在三種消融方式中最高。

傳統(tǒng)恒功率射頻消融的EI和RI值距標(biāo)準(zhǔn)球形偏離程度最大,消融范圍的橫向直徑最小。這是由于在傳統(tǒng)射頻消融中,高頻電流通過電極進(jìn)入體內(nèi)組織,當(dāng)局部組織升溫到100 ℃而發(fā)生沸騰、氣化或碳化時,“燒焦的組織”相當(dāng)于絕緣體,其電阻驟然增加,限制交流電的流動,降低了熱量傳遞效率,導(dǎo)致消融范圍縮小[23]。由圖11(a)傳統(tǒng)射頻消融的電流密度走向可知,交流電會沿著阻抗低的路徑傳遞,由于出現(xiàn)組織碳化,交流電開始沿著電極針軸線方向來回流動,此不均勻的消融可能會傷害周圍健康組織、增加術(shù)后并發(fā)癥等。

表3 算法控制冷卻射頻消融變色區(qū)域各個參數(shù)

圖10 三種消融方式的EI值RI值

表4 三種消融模式EI與RI的方差

冷卻設(shè)備可控制電極針表面的溫度處于較低水平,減少過度加熱的風(fēng)險(xiǎn)。由3.1離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可知,冷卻恒功率射頻消融獲得的范圍更大,是由于冷卻電極針可以將更多能量輸送到目標(biāo)組織,產(chǎn)生更有效的損傷[24-25]。由圖10可知,冷卻恒功率射頻消融的EI和RI值比傳統(tǒng)恒功率射頻消融更接近于1,且冷卻恒功率射頻消融電極針拔出順利,電極針表面比較干凈。而傳統(tǒng)射頻消融電極針拔出需要的力度更大,電極針表面常帶出因過熱而碳化和粘連在電極針表面的組織,冷卻射頻消融避免此情況。

本研究的算法控制射頻消融可以在一次性實(shí)驗(yàn)下獲得直徑大于30 mm的消融區(qū)域。由圖10與表4可知,算法控制的冷卻恒功率消融下的EI和RI值在三種消融模式中最穩(wěn)定且消融區(qū)域接近于標(biāo)準(zhǔn)球形,這是由于算法控制冷卻射頻消融在冷卻電極同時,采用占空比輸出,使得每個周期內(nèi)組織都有空閑時間回流。射頻輸出根據(jù)采集到的阻抗值不斷進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,避免出現(xiàn)部分組織過熱而發(fā)生加熱不均勻。由圖11(b)算法控制下電流密度走向可知,大部分交流電會沿著電極針軸線四周方向傳遞,冷卻射頻輸出有更大的能量輸送能力和消融范圍,產(chǎn)生更均勻的消融結(jié)果。在本研究自制冷卻射頻消融儀器下,本研究設(shè)計(jì)的算法控制冷卻射頻消融比傳統(tǒng)和冷卻恒功率消融更穩(wěn)定、更趨于球形,規(guī)則程度更大。

4 結(jié)論

本研究在自制冷卻射頻消融設(shè)備的基礎(chǔ)上,基于阻抗控制算法進(jìn)行占空比能量輸出,以實(shí)現(xiàn)在獲得更大消融區(qū)域的同時,得到更規(guī)則且趨于球形的消融范圍。相較于傳統(tǒng)和冷卻恒功率射頻消融,本控制算法下隨機(jī)離體牛肝實(shí)驗(yàn)的EI最大、偏差值最小,平均EI和平均RI值最接近于1,EI和RI的方差值為0.002 3和0.001 2,穩(wěn)定性好。并且每次消融范圍的直徑都大于等于30 mm。球形損毀的形成可在臨床應(yīng)用中具有更好的預(yù)測性、均勻性和安全性,使得醫(yī)生能更好地規(guī)劃消融過程,并確保消融區(qū)域足以覆蓋目標(biāo)組織,從而更好地避免傷害周圍健康組織。