微波消融有效消融體積模型實驗研究

趙金哲 錢志余* 劉珈 吳佳俐 王鈺妍

1(南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系， 南京 210016)2(湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院, 長沙 410013)

微波消融有效消融體積模型實驗研究

趙金哲1錢志余1*劉珈2吳佳俐1王鈺妍1

1(南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系， 南京 210016)2(湖南省腫瘤醫(yī)院/中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院, 長沙 410013)

針對微波消融治療需要監(jiān)測消融區(qū)域的溫度變化狀態(tài)和獲取有效消融體積的問題，通過離體豬肝實驗，分析了消融區(qū)域的溫升規(guī)律并建立了微波消融有效消融體積的數(shù)學(xué)模型。共進行了112例離體豬肝實驗，采用40～70 W的不同微波功率和300～600 s的不同作用時間進行微波消融。實驗在70 W微波功率作用下，實時采集了距離微波消融針5、10、15、20 mm處的毀損區(qū)域溫度，對采用不同微波功率和作用時間得到的有效消融區(qū)域的短徑、長徑及體積數(shù)據(jù)進行了分析，并利用1stopt軟件進行擬合。結(jié)果顯示，消融區(qū)域不同位置的升溫速度不同，距離微波針5 mm位置的升溫速度為20 mm處的10倍左右；得到了有效消融區(qū)域的短徑、長徑和體積有關(guān)微波功率和作用時間的離體組織數(shù)學(xué)模型。消融區(qū)域的溫升狀態(tài)監(jiān)測和有效消融體積模型的建立，有助于優(yōu)化微波消融的術(shù)前治療計劃和進行實時消融治療的效果評估。

微波消融；毀損區(qū)域；體積模型；手術(shù)計劃

引言

微波消融(microwave ablation, MWA)已逐步成為腫瘤治療的一種常用手段。其具有產(chǎn)熱效率高、升溫速度快、高溫?zé)釄鼍鶆?、凝固區(qū)壞死徹底、充血帶窄等特點，在局部熱療方法中擁有較大優(yōu)勢[1-4]，現(xiàn)有的臨床治療結(jié)果證明了其良好的療效[5-6]。目前，微波消融已先后應(yīng)用于肝癌、肺癌、腎癌、脾臟等實質(zhì)臟器腫瘤的治療中[7-10]。微波消融對肝癌腫瘤的治療具有毀損區(qū)形態(tài)規(guī)則，毀損范圍大等優(yōu)點，能夠?qū)χ睆叫∮? cm的腫瘤一次性完全滅活，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前在微波消融治療手術(shù)術(shù)前計劃制定時，缺乏準(zhǔn)確的有效消融體積模型，主要依賴影像學(xué)診斷得到的腫瘤尺寸，加之醫(yī)生的臨床經(jīng)驗來確定微波劑量，治療效果具有較大的不確定性[11]。因此，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的動物實驗,來研究不同微波劑量產(chǎn)生的消融效果。豬肝(或牛肝)因其與人體肝組織特性類似，常被用來作為微波消融的動物組織模型[12-17]。實驗表明，微波消融活體豬肝的實驗結(jié)果與人體肝臟得到的結(jié)果相近，因此活體豬肝組織的實驗?zāi)Ｐ涂梢詰?yīng)用于人體[18-19]。微波消融動物實驗中，活體組織消融與離體組織消融的結(jié)果存在差別。由于活體組織存在血流影響，消融得到的毀損體積小于同劑量微波作用下的離體組織[20]。然而,由于離體組織實驗中微波消融針的穿刺和組織測溫較為方便、可控，便于大規(guī)模開展，并且組織樣本、實驗條件可以保持高度均一，因此離體組織的實驗結(jié)果仍然具有重要參考價值。

本課題通過離體豬肝微波消融實驗，研究微波消融過程中的溫度變化與消融區(qū)域變化的關(guān)系，獲取不同功率的微波在不同作用時間下的有效消融體積,進一步通過數(shù)據(jù)擬合建立微波消融有效消融體積模型。最后經(jīng)過驗證證明,該模型能夠較好地反映消融毀損體積隨時間和功率的實時變化，從而為臨床治療提供參考。

1 方法

1.1實驗系統(tǒng)

微波消融實驗系統(tǒng)如圖1所示，由微波消融治療儀、微波消融針、測溫針組成。微波消融治療儀(KY-2000型，南京康友微波能應(yīng)用研究所，中國)發(fā)射頻率(2 450±50)MHz，連續(xù)波和脈沖波兩種工作模式，功率在5～100 W范圍連續(xù)可調(diào)，微波發(fā)射時間在0～100 min范圍連續(xù)可調(diào)。微波消融治療儀自帶溫度測量，最高測量溫度99℃，分辨率0.2℃。微波消融針為水循環(huán)內(nèi)冷卻硬質(zhì)縫隙式微波針，針體長度15 cm，外徑1.9 mm。

圖1 微波消融的實驗系統(tǒng)組成Fig.1 System set up of the microwave ablation experiments

1.2實驗內(nèi)容

(1)溫度采集實驗

實驗材料為新鮮離體豬肝，微波功率70 W，根據(jù)測溫針的4個不同測溫位置設(shè)置4組實驗，每組實驗重復(fù)3次，共計12次實驗。

(2)體積模型的構(gòu)建實驗

實驗材料為新鮮離體豬肝，隨機分組，微波功率分別為40、50、60、70 W，時間分別為300、480、600、720、900 s，每個功率與不同時間的組合為一組實驗，每組實驗重復(fù)5次，共計100次實驗。

1.3實驗方法

實驗在室溫20℃環(huán)境中進行。實驗前離體冷藏豬肝先在室溫下放置30 min，使其溫度達到室溫20℃。實驗時將豬肝平鋪于實驗臺上，從肝組織較厚位置穿入微波消融針，針體穿入組織約10 cm，避開較大的血管腔。采集溫度數(shù)據(jù)的測溫針與微波消融針平行穿入肝組織中，前端與微波消融針的絕緣介質(zhì)開口處平齊(如圖2所示)。在溫度采集實驗中，測溫針與微波針的平行相隔距離分別設(shè)置為5、10、15、20 mm。

開啟水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，檢查水循環(huán)的暢通。然后按照實驗設(shè)計的微波發(fā)射功率和時間，在連續(xù)波工作模式下開始微波消融實驗，并同時采集溫度數(shù)據(jù)。

圖2 溫度采集和毀損區(qū)域測量方法示意Fig.2 Schematic of the acquisition of temperature and value of short axis and long axis

微波消融結(jié)束后，繼續(xù)記錄一段時間的溫度數(shù)據(jù)直至溫度降至40℃。沿與微波消融針平行方向水平切開肝組織，使毀損區(qū)域的剖面暴露出來。測量并記錄毀損區(qū)域的幾何尺寸(見圖2)，并用橢球體積公式計算毀損區(qū)域的體積

(1)

式中，ds為毀損區(qū)域剖面的短徑，d1為長徑。

2 結(jié)果

2.1微波毀損區(qū)域

圖3為微波消融后的豬肝毀損區(qū)域剖面?？梢钥闯鰵p區(qū)域剖面形狀近似為橢圓形，沿微波消融針體方向為橢圓的長徑，垂直于針體方向為橢圓的短徑。毀損區(qū)域分為靠近針體較小范圍的碳化區(qū)(圖中靠近針道的黑色區(qū)域)、大面積凝固區(qū)和凝固區(qū)周邊較窄的充血帶。碳化區(qū)是由于針體附近的高溫使組織脫水產(chǎn)生碳化，呈黑色。凝固區(qū)是毀損區(qū)域的主要部分，此區(qū)域的肝組織產(chǎn)生完全熱毀損，呈黃白色。充血帶環(huán)繞在凝固區(qū)周邊，是由于組織受熱，毛細血管等膨脹充血，肝組織發(fā)生變性產(chǎn)生，呈粉紅色。

圖3 豬肝毀損區(qū)域剖面。(a)70 W微波作用300 s；(b)70 W微波作用600 sFig.3 Ablation zone of porcine liver (a) 70 W power output after 300 s；(b) 70 W power output after 600 s

2.2溫度變化曲線

圖4所示為微波功率70 W條件下,距離微波針不同位置的組織溫度變化曲線。5 mm組實驗中,溫度升至99℃后儀器自動停止微波輸出，約120 s；10 mm組時間達到300 s時停止微波輸出；15 mm組和20 mm組時間達到600 s后停止微波輸出。離微波針較近的5 mm處溫度上升迅速，平均速率約為0.66℃/s，在開始微波的40 s左右溫度上升至60℃以上。距微波針較遠位置的溫度上升依次變緩，平均速率依次約為0.24、0.10、0.065℃/s。4個不同位置的溫度下降趨勢均較為緩慢，10、15、20 mm從最高溫度降至60℃的平均速率依次約為0.23、0.11、0.045、0.024℃/s。

圖4 微波功率70 W時不同位置(距微波針5、10、15、20 mm)的溫度變化Fig.4 Temperature variation on different sites (5, 10, 15, 20 mm away from microwave antenna) with 70 W microwave output

2.3毀損區(qū)域體積

在體積模型構(gòu)建實驗中，測得的短徑數(shù)據(jù)如圖5所示，長徑數(shù)據(jù)如圖6所示，根據(jù)橢球體積公式計算得到的體積數(shù)據(jù)如圖7所示。在不同微波功率條件下測得的長徑與短徑的平均值的比值變化曲線如圖8所示。

圖5 不同微波功率條件下的短徑隨時間的變化Fig.5 Short axis change under different microwave power

圖6 不同微波功率條件下的長徑隨時間的變化Fig.6 Long axis change under different microwave power

圖7 不同微波功率條件下的體積隨時間的變化Fig.7 Volume change under different microwave power

圖8 不同微波功率條件下的長徑與短徑的平均值的比值隨時間的變化Fig.8 Change of the ratio of long axis and short axis under different microwave power

2.4有效毀損區(qū)域體積模型的構(gòu)建

根據(jù)圖5和圖6中的數(shù)據(jù)，利用1stopt軟件(七維高科有限公司，中國)構(gòu)建短徑ds和長徑d1關(guān)于微波功率p和時間t的實驗數(shù)學(xué)模型。采用麥夸特法及通用全局優(yōu)化算法進行數(shù)據(jù)擬合，兼顧模型的簡潔和數(shù)據(jù)相關(guān)性，確定模型如下

(2)

(3)

式(2)和式(3)分別記為fs(p,t)和fl(p,t)。

根據(jù)圖7中的數(shù)據(jù)，同理可構(gòu)建毀損體積的數(shù)學(xué)模型為

(4)

將實驗測得的體積數(shù)據(jù)V,與根據(jù)實驗構(gòu)建的體積模型計算得到的體積數(shù)據(jù)Vf進行對比，可知兩組數(shù)據(jù)值相近，平均誤差為7.4%，該實驗體積模型能夠較好的反應(yīng)微波消融過程中有效毀損體積的大小變化。

3 討論

豬肝離體組織在微波消融之后產(chǎn)生的毀損區(qū)域形態(tài)相對固定，組織受損特征明顯。通過病理檢查可以發(fā)現(xiàn)，碳化區(qū)和凝固區(qū)的組織細胞發(fā)生了不可逆熱毀損[21]。因此在實驗中以凝固區(qū)外圍為毀損區(qū)域邊界測量毀損體積，從而建立有效消融的體積模型。

由圖5和圖6可知，隨著微波功率和時間的增大，毀損區(qū)域的短徑和長徑逐漸增大。隨著微波時間的增長，相比于短徑，長徑的增加趨于減緩。由此產(chǎn)生的效果,是毀損區(qū)域剖面隨著微波時間的增加向短徑方向擴展更明顯。圖8中長徑與短徑的比值變化印證了這一點。在微波消融過程中，長徑與短徑的比值隨時間增加而逐漸減小，600s以內(nèi)比值減小最明顯?，F(xiàn)有微波消融針的微波輻射特征,決定了肝組織中微波的比吸收率(specificabsorptionrate,SAR)分布和溫度場分布呈橢球形(或水滴形)[23-24]，因此在微波開始時，沿微波針軸向并貼近微波針的肝組織升溫最快，毀損區(qū)域長徑與短徑的比值較大。隨著時間延長，熱量不斷沿垂直于微波針的方向向外傳導(dǎo)，短徑不斷增加。而且由于水循環(huán)冷卻的存在，微波針針體能夠保持較低溫度不變，避免了沿微波針的消融“尾跡”的出現(xiàn)[20]，長徑的增加慢于短徑的增加，長徑與短徑的比值減小。如圖3，微波時間為300s時消融區(qū)域剖面相比600s更“狹長”。在臨床微波消融腫瘤時，可以根據(jù)這一點來合理制定治療計劃，當(dāng)腫瘤形狀接近圓球形時，單次單針消融需要選擇相對較小的功率和大于600s的消融時間，以期能夠達到適形消融的效果。

微波消融的臨床治療,通常以測溫針采集組織溫度來判斷組織毀損狀態(tài)，一般將60℃視為組織發(fā)生不可逆凝固毀損的閾值溫度。實際消融中，腫瘤周邊組織達到60℃或者54℃保持3min為腫瘤發(fā)生有效毀損的指標(biāo)[11,22]。因此,溫度的實時監(jiān)測在治療過程中十分重要。實驗進行的溫度測量結(jié)果顯示，距離微波針不同位置的組織溫度上升速率不同，距離微波針越遠，升溫速度越慢，5mm位置處的升溫速度約為20mm位置處的10倍左右。這可能是由于微波在組織中的穿透深度有限，臨近微波針的組織受到微波的直接作用而升溫迅速，而較遠處的組織升溫則主要是由于熱傳導(dǎo)作用。停止微波輸出之后，不同位置的組織降溫速度比升溫速度更為緩慢。遠離微波針位置的測溫點降溫尤為平緩，能夠長時間保持在54℃以上。因此可以推斷，微波輸出停止時刻60℃等溫線以外的組織毀損是在較低溫度下(54℃～60℃)緩慢進行的。這意味著毀損區(qū)域在微波輸出停止后仍然在緩慢擴展，具有一定的延遲效應(yīng)。根據(jù)這一效應(yīng)可以對腫瘤邊界的測溫點附近、或保護性測溫位置測溫點附近的組織毀損狀況，做出更加合理的預(yù)測。

腫瘤的微波消融治療否一次性成功，科學(xué)合理的術(shù)前手術(shù)計劃和實時療效評估起著關(guān)鍵作用。目前臨床應(yīng)用中，尚無輔助制定手術(shù)計劃的微波消融體積模型，醫(yī)生對消融結(jié)果無法做出定量預(yù)測。因此，采用一系列不同劑量的微波輸出進行離體和活體消融實驗，其消融結(jié)果是臨床劑量選擇的重要依據(jù)。本研究根據(jù)大量實驗測量數(shù)據(jù)構(gòu)建了毀損區(qū)域短徑、長徑和體積的實驗?zāi)Ｐ?，為解決上述問題提出了一種思路。在制定手術(shù)計劃時，可以根據(jù)已經(jīng)確定的腫瘤形狀和大小，利用體積模型Vf確定治療時需要采用的微波功率pplan和時間tplan，此時可以得到預(yù)期的毀損區(qū)域的短徑ds-plan和長徑dl-plan為：ds-plan=fs(pplan,tplan)，d1-plan=f1(pplan,tplan)。為了保證腫瘤的完全消融，預(yù)期毀損區(qū)域的短徑和長徑均需大于或等于腫瘤相應(yīng)尺寸，以保證毀損區(qū)域能夠完全覆蓋腫瘤體，即滿足：ds-plan≥ds-tumor和d1-plan≥d1-tumor。因此為了達到最佳治療效果，手術(shù)計劃選定的功率和時間組合(pplan,tplan)需要同時達到以上兩個條件。

本研究存在一定的局限性。首先，由于實驗均在離體豬肝組織中完成，實驗結(jié)果與活體實驗存在一定差別?；铙w組織由于存在血流灌注，其對毀損區(qū)域溫度變化的影響不同于離體組織，且同樣微波劑量下得到的消融體積偏小[20]，因此離體實驗得到的體積模型無法直接應(yīng)用于活體消融。其次，不同結(jié)構(gòu)、尺寸的微波消融針具有不同的微波輻射特征，使得組織中的微波SAR分布并不相同，因此實驗構(gòu)建的體積模型只適用于文中采用的特定微波消融針?；谝陨戏治觯绾螠?zhǔn)確得到活體肝組織微波消融中的溫度變化規(guī)律、毀損區(qū)域形態(tài)變化及微波劑量與毀損體積的關(guān)系，進而針對臨床常用的不同微波消融針建立活體組織有效消融體積模型，需要進一步探索和研究。

4 結(jié)論

通過一系列微波消融離體豬肝實驗得到以下結(jié)論：

1)通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)了微波消融過程中的溫度變化規(guī)律，分析了距離微波消融針不同位置的肝組織升溫速度，結(jié)果表明距離微波針較近位置的毀損區(qū)域由于吸收微波能量而升溫迅速，而距離微波針較遠位置的毀損區(qū)域是由于溫度的熱傳導(dǎo)作用形成，升溫較慢；

2)對豬肝微波消融毀損區(qū)域的短徑、長徑數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，分析了消融區(qū)域在微波消融過程中的形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)隨著微波時間的延長，消融區(qū)域剖面的短徑相比于長徑增加更明顯；

3)建立了微波消融毀損區(qū)域的短徑、長徑及有效毀損體積的數(shù)學(xué)模型，從而可以根據(jù)該模型對微波消融治療進行術(shù)前計劃制定及實時療效評估，并提出了達到有效適形消融的情況下治療計劃需要滿足的條件，臨床上可以根據(jù)該結(jié)論對微波消融腫瘤的治療計劃進行優(yōu)化。

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ExperimentalStudyonEffectiveMicrowaveAblationVolumeModel

ZHAO Jin-Zhe1QIAN Zhi-Yu1*LIU Jia2WU Jia-Li1WANG Yu-Yan1

1(DepartmentofBiomedicalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)2(TheAffiliatedTumorHospitalofXiangyaMedicalSchoolofCentralSouthUniversity/HunanProvincialTumorHospital,Changsha410013,China)

Temperature variation in ablated area and effective ablation volume are very important parameters for microwave ablation treatment. In order to provide reference for real-time assessment of ablation efficacy,invitroporcine liver experiments were carried out to monitor tissue temperature and build effective microwave ablation volume models in this work. Microwave power of 40～70 W and ablation time of 300～600 s were chosen to perform total 112 microwave ablations. The microwave power of 70 W was used in the first group of experiments and temperature changes at sites 5, 10, 15 and 20 mm away from microwave antenna were recorded in real-time during ablation. In the second group of experiments, different combinations of power and time produced a series of data of short axis, long axis and volume. Results showed that the increase of temperature near the microwave antenna was more rapid. Temperature rise at 5 mm away from the antenna was 10 times faster than that at 20 mm away. Volume data of the ablation area was analyzed using 1stopt to build experimental models for the short axis, long axis and volume of the ablation zone. Consequently, the monitoring of temperature and utilization of effective volume models will contribute to the microwave ablation surgical planning and real-time ablation efficacy assessment.

microwave ablation; ablation zone; volume model; surgical planning

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 01.08

2013-05-08，錄用日期：2013-10-20

國家自然科學(xué)基金(61275199)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXLX13_147)

R318

A

0258-8021(2014) 01-0051-06

*通信作者。E-mail: zhiyu@nuaa.edu.cn