自制氣體節(jié)流冷卻射頻針性能初探

趙慶孝 常兆華 王玉凱 楊鵬飛

(1 上海理工大學(xué) 上海 200093；2 上海導(dǎo)向醫(yī)療系統(tǒng)有限公司 上海 201318；3 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心 北京 100044)

射頻消融治療腫瘤開(kāi)始于19世紀(jì)90年代早期，但是利用熱量治療腫瘤的思想?yún)s可以追溯到古埃及及希臘時(shí)期[1,2]。因其具有微創(chuàng)、見(jiàn)效快、適應(yīng)癥廣、安全可靠、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種實(shí)體腫瘤的治療，其安全性和有效性已經(jīng)得到公認(rèn)。

射頻消融時(shí)，電阻熱與距針距離的四次方成反比[4]，因此，熱量大部分集中在射頻針附近，而當(dāng)溫度升至100℃以上時(shí)，組織炭化導(dǎo)致阻抗迅速增加，射頻儀啟動(dòng)“自我保護(hù)”功能，自動(dòng)切斷輸出。這直接導(dǎo)致射頻消融范圍較小，極大地限制了這一技術(shù)的臨床應(yīng)用。冷卻射頻針正是針對(duì)這一缺陷，利用冷卻介質(zhì)降低射頻針尖的溫度，避免炭化，允許更大功率更長(zhǎng)時(shí)間的輸入，以有效增大消融范圍[5,6]。目前液冷射頻針已得到較為廣泛的應(yīng)用[7-9]，使用的冷卻介質(zhì)多為純水或鹽水。由于液體在微小管道內(nèi)的流動(dòng)性較差，液冷射頻針通常直徑較大；且冷卻液體溫度難于調(diào)整，而冷卻溫度對(duì)最終消融范圍有直接的影響[6,10]。這些固有技術(shù)缺陷一定程度上限制了液冷射頻針的應(yīng)用。

對(duì)于氣冷射頻，國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，羅昌渠[11]發(fā)明了一種可控射頻冷熱極，但未見(jiàn)后續(xù)報(bào)道；S Carrara[12,13]等報(bào)道了一種新型的氣冷射頻針，利用CO2氣體在射頻針尖節(jié)流降溫的效應(yīng)冷卻射頻針尖處組織的溫度，在活體豬胰腺、豬肝、豬脾臟中的實(shí)驗(yàn)，均證明此氣冷射頻針的安全性和有效性。

針對(duì)上述液冷射頻的技術(shù)缺陷，在參考文獻(xiàn)[14]、[15]的基礎(chǔ)上，自制了一種氣體節(jié)流冷卻式射頻針，利用常溫氮?dú)獾墓?jié)流制冷效應(yīng)，對(duì)針尖進(jìn)行冷卻，節(jié)流后的溫度可以方便地通過(guò)控制輸入氣體的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。整套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，輸入的冷量控制方便，提高了手術(shù)的靈活性及易用性。

通過(guò)參考相關(guān)資料，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)試自制氣冷射頻針的性能，驗(yàn)證氣冷射頻技術(shù)的可行性及有效性。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

以土豆為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)時(shí)，并不考察消融損傷區(qū)大小，而是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同參數(shù)組合消融時(shí)射頻針周?chē)臏囟确植?。由于射頻消融時(shí)，消融范圍與射頻針尖裸露長(zhǎng)度、針尖距負(fù)極板的距離及位置關(guān)系有關(guān)[16]，且射頻針周?chē)鷾囟鹊臏y(cè)試必須保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)射頻針與測(cè)溫針間保持固定的位置關(guān)系，因此，自制了如下工具，以最大程度消除上述因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.1.1 “平行刀”

以兩把不銹鋼菜刀焊制“平行刀”(見(jiàn)圖1)，刀刃處間距6cm，刀背處6.3cm，以確保土豆切削后上下表面平行。

圖1 平行刀Fig.1 The parallel knife

1.1.2 定位板

圖2 定位板Fig.2 The guiding plate

以尼龍棒為材料，制作 50mm×50mm×20mm的定位板(如圖2所示)，中央圓孔直徑3.8mm；以該圓孔為中心，正交垂直的四個(gè)方向上每隔5mm鉆一直徑0.7mm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2mm處鉆一直徑0.7mm的小孔。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將其置于切削好的土豆上表面，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中射頻針與測(cè)溫針均能垂直插入土豆，以及每次實(shí)驗(yàn)測(cè)溫針間隔距離的一致。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣冷射頻針性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3，該測(cè)試系統(tǒng)的主要元件介紹如下:

1.2.1 氣體節(jié)流冷卻式射頻消融針(圖4)

該針外殼為不銹鋼管，直徑為3.4mm，射頻針前端裸露1cm，其余均包覆絕緣套管。進(jìn)氣管外徑為1.6mm，J-T槽外徑為0.4mm，翅片管換熱器長(zhǎng)20mm，針尖處設(shè)有一枚T型熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)針尖的溫度；J-T槽后連接一段翅片管換熱器，使進(jìn)氣更好的被節(jié)流降溫后的回氣充分冷卻，進(jìn)一步降低節(jié)流后的溫度。射頻針后端經(jīng)進(jìn)氣管、減壓閥與氮?dú)馄窟B接。

圖3 氣體節(jié)流冷卻式射頻針性能測(cè)試系統(tǒng)裝置圖Fig.3 The set-up of the performance test system of the gas J-T cooling radiofrequency probe

圖4 氣體節(jié)流冷卻式射頻針內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of the inner structure of the gas J-T cooling radiofrequency probe

1.2.2 多路測(cè)溫系統(tǒng)(圖5)

圖5 多路測(cè)溫系統(tǒng)Fig.5 The multi-channel temperature measurement system

以兩個(gè)研華科技股份有限公司生產(chǎn)的4018模塊、13根美國(guó)Physitemp Instruments, Inc生產(chǎn)的MT-23/8T型熱電偶測(cè)溫針、USB轉(zhuǎn)485模塊為基礎(chǔ)，自制14路測(cè)溫系統(tǒng)(如圖5所示)。測(cè)溫針直徑0.64mm，針長(zhǎng)10cm，測(cè)得的溫度可在上位機(jī)軟件中實(shí)時(shí)以數(shù)字和曲線形式顯示并自動(dòng)保存。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)時(shí)，射頻針及測(cè)溫針插入土豆3cm，一根測(cè)溫針自2mm處的小孔插入，當(dāng)此測(cè)溫針示值達(dá)到100℃時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槔鋮s射頻時(shí)由于“熱沉積”效應(yīng)，射頻針外壁處并不是溫度最高點(diǎn)，而是距針外壁0.2cm～0.3cm處；其他12根測(cè)溫針?lè)謩e在距射頻針0.5cm、1cm、1.5cm處的

各4個(gè)小孔中插入。射頻功率設(shè)為30W，氮?dú)鈮毫Ψ謩e設(shè)為2MPa、4MPa、6MPa，冷卻方式分為同時(shí)開(kāi)啟射頻與氮?dú)?先冷)、距針外壁0.2cm處升至60℃時(shí)每隔10s開(kāi)啟10s氮?dú)?間斷冷卻)，以上述功率、氮?dú)鈮毫?、冷卻方式的不同組合分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)2～3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)消除系統(tǒng)誤差時(shí)，測(cè)量值遵循正態(tài)分布。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，記錄距射頻針0.5cm、1cm、1.5cm處成正交分布的各四個(gè)點(diǎn)的溫度值，首先以Shapiro-Wilk法[17]對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)各距離處的8～12個(gè)溫度值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，若不服從正態(tài)分布，則采用Q檢驗(yàn)法進(jìn)行可疑值舍棄，再對(duì)余下測(cè)量值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。重復(fù)此過(guò)程，但一組數(shù)據(jù)如舍棄兩個(gè)測(cè)量值后仍然不遵從正態(tài)分布，則認(rèn)為該組數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性誤差，重新做3次。各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄為平均值±置信區(qū)間的方式(置信度取95%)，兩組間比較時(shí)采用獨(dú)立雙樣本t檢驗(yàn)法，當(dāng)P值小于0.05時(shí)，認(rèn)為有顯著性差異。所有數(shù)據(jù)處理以O(shè)rigin8.0 Pro完成。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總表見(jiàn)表1。

表1 各工況下射頻針周?chē)鷾囟确植紖R總Tab.1 Temperature distribution around the RF probe in different conditions

注:表中數(shù)值為射頻針周?chē)鼽c(diǎn)溫度值，單位為℃，置信度為95%；實(shí)驗(yàn)用時(shí)單位為s。

2.1 不同壓力氮?dú)饫鋮s效果比較

由圖6(注:圖6、圖7、圖8中的折線僅為使圖更清晰直觀，并不代表任何線性關(guān)系)可知，30W純射頻時(shí)各點(diǎn)溫度最低，2MPa先冷與純射頻相比，消融時(shí)間增加120s(P＜0.001)，0.5cm處升溫最為明顯，平均溫差為16.08℃(P＜0.001)，而1.5cm處溫差僅為3.92℃(P＜0.001)；4MPa先冷與2MPa先冷先冷相比，消融時(shí)間增加98s(P＜0.001)，各點(diǎn)間溫差基本相同；6MPa先冷與4MPa先冷相比，消融時(shí)間增加527s(P＜0.001)，溫差隨距針距離的增加顯著增大，而與純射頻相比，各點(diǎn)溫差基本相同，分別為29℃、26℃、19℃(P＜0.001)。

圖6 不同壓力氮?dú)饫鋮s結(jié)果示意圖Fig.6 The schematic diagram to show the cooling effects of different nitrogen pressure

以上結(jié)果說(shuō)明冷量的輸入，延緩了射頻針近針處的升溫速度，延長(zhǎng)了消融時(shí)間，熱量得以更多的向外周傳遞，從而使射頻針外圍能升到更高的溫度，且氮?dú)鈮毫υ酱?，效果越明顯；各點(diǎn)間溫差隨距離增大而減小，但這一差距隨冷卻壓力的增大而逐漸減小，當(dāng)冷卻壓力升至6MPa時(shí)，各點(diǎn)間溫差已趨于一致。

理論上說(shuō)，不斷提高氮?dú)鈮毫Γ灰鼙３志嗌漕l針0.2cm處(射頻針周?chē)罡邷靥?溫度保持穩(wěn)定甚至緩慢下降，而射頻針遠(yuǎn)針處(如1cm處)溫度能保持上升趨勢(shì)，就能使射頻針外周溫度不斷升高，產(chǎn)生更大的消融區(qū)。但并不能由此認(rèn)為冷卻壓力越大越好，因?yàn)槔鋮s壓力增大時(shí)，泄露風(fēng)險(xiǎn)加大，且消融時(shí)間也隨之延長(zhǎng)，這就意味著臨床時(shí)患者需承受更多的痛苦及更大的風(fēng)險(xiǎn)。目前，臨床上的射頻消融手術(shù)時(shí)間一般為720s～900s，而相對(duì)溫度最高的30W/6MPa先冷時(shí)的消融時(shí)間已經(jīng)達(dá)到834s，因此，盲目增大冷卻壓力并不可取。

2.2 不同冷卻方式效果比較

圖7 不同冷卻方式結(jié)果示意圖Fig.7 The schematic diagram to show the cooling effects of different cooling methods

由圖7可知，30W/4MPa間斷冷卻時(shí)各點(diǎn)溫度稍高于30W/4MPa先冷，45W/4MPa間斷冷卻時(shí)溫度稍高于45W/4MPa先冷，消融時(shí)間也稍長(zhǎng)，但并無(wú)明顯差異；0.5cm與1cm處的溫差遠(yuǎn)大于1cm與1.5cm處溫差。

以上結(jié)果說(shuō)明氮?dú)夤?jié)流冷卻時(shí)，并未對(duì)組織內(nèi)的傳熱現(xiàn)象產(chǎn)生本質(zhì)上的影響，而僅僅是減緩了近針處(尤其是距針0.2cm處)的升溫速度，避免炭化現(xiàn)象的發(fā)生，且對(duì)遠(yuǎn)針處(如距針1cm、1.5cm處)的升溫影響不大，以延長(zhǎng)消融時(shí)間為代價(jià)使得遠(yuǎn)針處溫度逐漸升高。各點(diǎn)溫度、消融時(shí)間與冷卻壓力正相關(guān)，遠(yuǎn)針處各點(diǎn)間溫差隨冷卻壓力升高而增大等現(xiàn)象均可證實(shí)上述推論。而對(duì)于間斷冷卻，應(yīng)該還存在較大的優(yōu)化空間，比如何時(shí)開(kāi)啟氮?dú)?、間隔時(shí)間設(shè)置等，也可以設(shè)定距針0.2cm處溫度升高到某一定值時(shí)開(kāi)啟，而降至某一定值時(shí)關(guān)閉，即將射頻針外最高溫度控制在一定范圍內(nèi)。以上這些參數(shù)的變化可能都會(huì)對(duì)最終消融效果產(chǎn)生影響，值得深入研究。

2.3 不同射頻功率

由圖8可知，30W時(shí)各點(diǎn)溫度及消融時(shí)間均顯著高于同工況45W時(shí)的相應(yīng)數(shù)值，即使30W/4MPa先冷時(shí)(30W時(shí)溫度最低的一組)各點(diǎn)溫度也均顯著高于40W/6MPa先冷時(shí)的溫度(45W時(shí)溫度最高的一組)(P＜0.001)；45W/4MPa間斷冷卻的效果與45W/6MPa先冷幾乎一致，均稍高于45W/4MPa先冷；30W/6MPa先冷時(shí)各點(diǎn)溫度則顯著高于其他工況，消融時(shí)間同樣如此。

圖8 不同射頻功率結(jié)果圖Fig.8 The schematic diagram to show the effects of different power

以上結(jié)果說(shuō)明射頻功率的升高對(duì)消融結(jié)果有非常大的影響。功率的增加需要更高的冷卻壓力，才能有效延緩射頻針貼壁處溫度的升高。當(dāng)功率超過(guò)45W時(shí)，僅憑提高常溫氮?dú)獾膲毫?，似乎根本不能達(dá)到此效果。且如前文所述，盲目增大氮?dú)鈮毫Σ⒉豢扇?。因此，顯著提高在射頻針尖產(chǎn)生的冷量，使得更高功率(如60W、90W、甚至100W)時(shí)，能有效延緩射頻針貼壁處溫度的升高，對(duì)于氣冷射頻針的發(fā)展與應(yīng)用有著非常重要的意義。

3 結(jié)論

1)氣冷射頻針能顯著延長(zhǎng)射頻消融時(shí)間，提高射頻針外圍的溫度，溫度的提高幅度與消融時(shí)間均與氮?dú)鈮毫φ嚓P(guān)；

2)同樣工況下，尖端冷卻比先冷時(shí)各點(diǎn)溫度稍高，時(shí)間也稍長(zhǎng)，但并無(wú)顯著性差異，且間斷冷卻存在較大優(yōu)化空間；

3)同樣工況下，30W射頻功率時(shí)的各點(diǎn)溫度均顯著高于對(duì)應(yīng)的45W時(shí)的溫度，常溫氮?dú)夤?jié)流后產(chǎn)生的冷量不足有效延緩射頻功率超過(guò)45W時(shí)射頻針外的升溫速度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，初步測(cè)試了自制氣冷射頻針的性能，驗(yàn)證了這一技術(shù)的可行性及有效性，也發(fā)現(xiàn)了其中存在的一些問(wèn)題，有待進(jìn)行更深入的研究。

本文受2009年上海市聯(lián)盟計(jì)劃—難題招標(biāo)專項(xiàng)基金資助(09LM14)。(This project was supported by The Difficult Ploblem Foundation of Union Plan (No.09LM14).)

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