兩種負(fù)極板布置方式對射頻消融效果的影響

趙慶孝 常兆華 王玉凱

1(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(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，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)”及由此帶來的皮膚灼傷，建議進(jìn)一步研究通過調(diào)節(jié)負(fù)極板前緣熱電偶處的溫度來阻止“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增加負(fù)極板數(shù)量來增大負(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象四周布置負(fù)極板的消融方式，并通過與相對常見的在消融對象下表面布置負(fù)極板的消融方式的實(shí)驗(yàn)對比，研究負(fù)極板與皮膚的接觸面積以及與射頻針的相對位置對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)。射頻針及熱電偶測溫針通過定位板由土豆上表面垂直插入，實(shí)驗(yàn)過程中實(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)通常以離體動物肝臟為實(shí)驗(yàn)對象，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)闹苌郎刳厔莶⒉灰恢?，以肝臟作為實(shí)驗(yàn)對象并不能很好地反映出組織內(nèi)的升溫趨勢及溫度分布。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)注消融過程中溫度場變化情況的射頻消融新方法的初期實(shí)驗(yàn)對象較為理想。

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臺射頻消融儀(北京市雷特立技術(shù)開發(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;配備流量自動控制系統(tǒng)，可以根據(jù)射頻針附近溫度反饋信號及程序中設(shè)定的邏輯關(guān)系，自動控制高純氮流量，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90 mm的螺栓制作定位支架(見圖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 熱電偶測溫針

17根由美國 Physitemp Instruments，Inc生產(chǎn)的MT-23/8T型熱電偶測溫針，測溫針上距針尖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)過程中負(fù)極板松脫，然后將土豆正對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(簡稱T0.2)信號，自動調(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，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)間延長而增大;底面負(fù)極板時(shí)，產(chǎn)生橫徑明顯小于縱徑的長橢圓形損傷區(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”，因此損傷區(qū)主要向負(fù)極板的方向“生長”。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”;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”，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℃，也就是說這兩種工況的消融時(shí)間仍可繼續(xù)延長，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，則其溫度分布很可能會超過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;對于同樣的負(fù)極板布置方式，升溫速度與功率正相關(guān)。對于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，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，延長時(shí)間換來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，就必定會產(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)近針處通過熱傳導(dǎo)作用傳出的熱量。在本實(shí)驗(yàn)過程中，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使熱量通過熱傳導(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的原因。如忽略升溫過程中電流強(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?，近針處升?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)極板大小及相對位置、射頻功率、消融時(shí)間等。對于冷卻射頻針，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，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”，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)的縱徑可以通過射頻針有效針頭的長度進(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。

[1]高嵩，趙林，邱天爽，等.基于超生圖像分析的肝癌射頻治療效果定量評價(jià)[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，28(3)：332-337.

[2]Haemmerich D，Schutt DJ.Sequential activation of multiple grounding pads reduces skin heating during radiofrequency tumor ablation[J].Int J Hyperthermia，2007，23(7)：555-566.

[3]Steinke K，Gananadha S，King J，et al.Dispersive pad site burns with modern radiofrequency ablation equipment[J].Surg Laparosc Endosc Percutan Tech，2003，13(6)：366-371.

[4]Brill AI，F(xiàn)este JR，Hamilton TL，et al.Patient safety during laparoscopic monopolar electrosurgery-principles and guidelines[J].JSLS，1998，2(3)：221-225.

[5]Schutt DJ.Sequential activation of ground pads reduces skin heating during radiofrequency tumor ablation in vivo porcine results[J].IEEE Trans Biomed Eng，57，2010，3：746-753.

[6]徐林，王金鵬，鄧力，等.熱敏電阻法測量胡蘿卜及馬鈴薯的熱物性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(11)：237-241.

[7]Haemmerich D， Chachati L， Wright， AS. Hepatic radiofrequency ablation with internally cooled probes：effect of coolant temperature on lesion size[J].IEEE Trans Biomed Eng，2003，50(4)：493-500.

[8]Lorentzen T.A cooled needle electrode for radiofrequency tissue ablation：thermodynamic aspects of improved performance compared with conventional needle design[J].Acad Radiol，1996，3(7)：556-563.