注射不同液體對微波消融溫度場的離體實(shí)驗(yàn)研究

董 彤 田 甄 聶曉慧 南 群

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124)

注射不同液體對微波消融溫度場的離體實(shí)驗(yàn)研究

董 彤 田 甄 聶曉慧 南 群#*

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124)

研究不同注射液體、注射量對于微波消融溫度場的影響。在加熱功率60 W、加熱時間10 min的情況下，利用新型注射型微波天線進(jìn)行消融離體肝臟的實(shí)驗(yàn)研究，并且于加熱過程中分別注射生理鹽水和無水乙醇液體，注射量依次為0、10、20 mL。根據(jù)測溫針采集的溫度數(shù)據(jù)，利用Matlab計(jì)算消融區(qū)域的范圍(高于60℃區(qū)域)。通過對離體肝臟的消融面積、體積、橫徑和縱徑的測量和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)注射兩種液體均可有效增大消融范圍，與無液體注射相比面積增大率的范圍在29.1%～72.0%之間，體積增加率在45.2%～141.8%之間；當(dāng)注射液體體積由10 mL增加到20 mL時，生理鹽水組的面積增加率為8.8%，無水乙醇組的面積增加率為28.8%。因此，聯(lián)合液體注射可以擴(kuò)大微波消融范圍，并且隨著注射體積的增加，消融范圍擴(kuò)大；微波聯(lián)合無水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水。

微波消融；生理鹽水；無水乙醇；離體牛肝；消融范圍

引言

肝細(xì)胞肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)位居全球惡性腫瘤發(fā)病率第5位，死因第3位，被稱為是“癌中之王”[1]。我國是肝癌大國，新發(fā)病逐年攀升，并且其發(fā)病率與死亡率幾乎相同[2]。在我國，肝癌現(xiàn)已成為繼肺癌之后的第2位殺手[3]。目前對于肝癌的治療，最有效的方法是進(jìn)行肝移植或者肝切除手術(shù)。然而，由于受身體健康狀況、肝硬化程度、腫瘤大小、數(shù)目和部位等各種條件限制，真正適合手術(shù)切除的僅占所有患者的25%左右[4]。

微波消融( microwave ablation, MWA )具有痛苦小、操作簡便、可反復(fù)施行、療效確切等優(yōu)點(diǎn)，為肝癌的局部治療提供了一種新途徑[5]。MWA是借助醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的引導(dǎo)對腫瘤靶區(qū)進(jìn)行定位，將微波輸入局部，當(dāng)局部溫度迅速升高達(dá)有效治療溫度54℃或60℃以上時細(xì)胞即刻發(fā)生凝固壞死，達(dá)到原位滅活腫瘤的一種治療手段[6]。隨著微波消融術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，其安全有效性已經(jīng)在臨床上得到了一定的證實(shí)，但是仍存在一定的局限性和弊端。從目前的臨床數(shù)據(jù)上來看，更多消融過程是應(yīng)用于單針的天線。然而，由于微波本身的物理特性以及肝臟的供血特點(diǎn)，單針天線一般適用于體積較小且數(shù)量單一的腫瘤，對于體積較大、非單一以及存在特殊位置的腫瘤可以采取分時或者多針加熱的手段，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則腫瘤的消融[7]。微波消融腫瘤的完全壞死率會隨著腫瘤體積的增大而降低，因此如何增加單針天線消融范圍從而擴(kuò)大適應(yīng)癥是目前的主要研究方向之一[8]。

研究表明，射頻消融治療體積較大的腫瘤時，采用注射液體(鹽水、乙酸、乙醇)的方法來擴(kuò)大消融區(qū)的范圍。由于鹽水、乙酸、乙醇等可以改變組織的電導(dǎo)率，可防止電極表面的組織產(chǎn)生血凝及組織炭化等使阻抗明顯增高的現(xiàn)象，減少能量的損失，因此可導(dǎo)致熱量的增加，從而顯著擴(kuò)大消融區(qū)域的范圍[9]。

雖然微波與射頻的致熱原理存在差異，但注射型微波消融，不僅增加了組織中的含水量，增加了熱量的吸收，同時也提高了微波能量轉(zhuǎn)化為熱量的效率，從而為擴(kuò)大消融區(qū)域的范圍提供了技術(shù)保證。因此，為驗(yàn)證不同注射液體和注射量對于微波消融區(qū)域范圍的影響提供一定的技術(shù)支持。

范伯強(qiáng)等通過聯(lián)合注射無水乙醇對兔肝腫瘤進(jìn)行了微波消融的治療[10]，從而證明了其方法的安全有效性。然而，盡管聯(lián)合消融在這個腫瘤模型上取得較好的結(jié)果，但其研究仍有一些局限性：腫瘤規(guī)模較小，不能模擬大腫瘤的臨床效果，且消融功率較小，消融時間較短，對臨床的參考價值較低。本實(shí)驗(yàn)采用了生理鹽水跟無水乙醇兩種液體來進(jìn)行微波消融離體實(shí)驗(yàn)的研究，并提高了消融功率和消融時間，在相同條件下對比兩種液體對消融范圍和溫度場的影響，以驗(yàn)證擴(kuò)大消融區(qū)域的理論，從而為臨床醫(yī)療提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)采用MTC-3微波發(fā)射儀，該儀器是由南京慶海微波電子研究所設(shè)計(jì)并制造，同時此系統(tǒng)配有低損耗的同軸電纜傳輸線。表1為該微波儀的工作條件和一些主要的性能參數(shù)。

表1 微波儀的工作條件和主要性能參數(shù)

天線采用裂隙發(fā)射，裂隙寬1.5 mm，距前端13 mm。為了防止微波天線 ( 直徑為1.9 mm，長150 mm)與組織黏接，表面附有涂層。在其裂隙后沿20mm處有一出水孔，當(dāng)按壓注射器后，液體可從注射管流入天線內(nèi)部的液體管道，并從出水孔流出，進(jìn)入消融區(qū)域。當(dāng)注射液體流入消融區(qū)域后，可使其中心溫度降低，減少碳化，熱量隨著液體的滲透向周圍擴(kuò)散，從而達(dá)到擴(kuò)大消融范圍的效果。圖1為微波天線及注射器。

圖1 微波天線及注射器Fig. 1 Microwave antenna and syringes

實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)采集儀是安捷倫公司(Agilent)所生產(chǎn)的34972A多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集儀。Agilent34972A擁有6位半分辨率(22bit)、0.004%的基本直流電壓精度以及極低的讀數(shù)噪聲， 250通道/s掃描速率，利用Agilent Bench Link Data Logger軟件設(shè)置測試參數(shù)，采集并歸檔測量數(shù)據(jù)，以及對輸入的測量數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時顯示和分析。

實(shí)驗(yàn)中采用的循環(huán)水泵為蘭格BT09-100，水泵上有旋鈕可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，控制實(shí)驗(yàn)所需水流速度，上方的數(shù)字代表十位，下方的數(shù)字代表個位，本實(shí)驗(yàn)要求將轉(zhuǎn)速調(diào)至40 r/min。通過水循環(huán)裝置防止天線溫度過高導(dǎo)致組織炭化的現(xiàn)象，為微波消融實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。圖2為循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)。

圖2 循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)Fig.2 The water circulation structure

1.2 測溫點(diǎn)的排布

為了固定天線和測溫針，在放置牛肝的裝置上部分別標(biāo)注了r軸與z軸的位置，其中r軸垂直于微波天線，z軸與微波天線平行，在r軸正方向即以天線位置為中心的牛肝右半部分布測溫針。由于測溫針采集的主要為60℃左右的溫度，根據(jù)消融區(qū)域的特點(diǎn)，采取內(nèi)疏外緊的排布方案，即最靠近天線的區(qū)域布置少量的測溫針，60℃邊界附近布置較多的測溫針，從而得到準(zhǔn)確的60℃等溫線圖。

圖3 測溫針排布Fig. 3 temperature measuring needle configuration

水平方向r垂直于天線的方向，水平布置6個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，第1個采集點(diǎn)在天線所在位置，采集點(diǎn)間隔10 mm，為了得到更為準(zhǔn)確的等溫線圖，在邊緣處將采集點(diǎn)間隔改為5 mm，于是得到r=0，±10，±20，±30，±40，±45 mm 的測溫點(diǎn)。

豎直方向z平行于天線方向，豎直方向上每間隔5 mm布置一個測溫點(diǎn)，而將第一列只留下兩個關(guān)鍵位置的測溫點(diǎn)，分別是天線尖端和天線裂隙，兩點(diǎn)間距大約在15 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程主要包括8個步驟。

步驟1：在離體肝臟復(fù)溫到37℃后，將肝臟放入消融裝置中，同時將微波天線和測溫針插入肝臟體內(nèi)，并連接微波消融儀器和水冷裝置。

步驟2：校準(zhǔn)微波發(fā)射儀，將功率調(diào)至60 W，設(shè)定加熱時間為10 min，用注射器抽取10 mL(20 mL)生理鹽水(無水乙醇)，并與微波天線相連。

步驟3：開啟采集器，在點(diǎn)擊開始采集數(shù)據(jù)的同時開啟微波發(fā)射儀，開始對離體牛肝進(jìn)行微波消融實(shí)驗(yàn)。

步驟4：當(dāng)消融時間持續(xù)5 min時，需將微波天線連接的注射器內(nèi)的液體(生理鹽水或無水乙醇)勻速緩慢地推送，液體會順著微波天線內(nèi)部的結(jié)構(gòu)流入離體牛肝的消融區(qū)域，注射時間維持在15～30 s。

步驟5：微波消融結(jié)束后，停止采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉微波發(fā)射儀，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文件并保存。

步驟6：將消融后的肝組織沿著微波天線插入的位置橫向切開，測量并記錄其消融區(qū)域的長徑和短徑。

步驟7：為提高消融結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對離體牛肝進(jìn)行多次相同條件的消融實(shí)驗(yàn)，因此需重復(fù)上述方法5次。

步驟8：采用Matlab軟件進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，通過采集的數(shù)據(jù)得到時間與溫度的關(guān)系曲線，并生成60℃等溫線，并計(jì)算消融區(qū)域的長徑、短徑、面積和體積。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對不同組間注射液體的種類、體積、消融區(qū)域大小、體積大小以及類圓率縱橫比進(jìn)行了單因素方差分析以及單樣本t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組與無注射的對照組存在顯著性差異，P<0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而實(shí)驗(yàn)組組間差異較小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在微波加熱過程中，測溫針采集到的數(shù)據(jù)為各個測溫點(diǎn)的電壓值，通過相應(yīng)的公式將電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，得到各測量點(diǎn)溫度的數(shù)據(jù)，最終用Matlab軟件作圖得到不同z坐標(biāo)下的溫度與時間的關(guān)系曲線，生成等溫線圖進(jìn)而得出消融截面面積、長寬值和體積等。消融實(shí)物如圖4所示。

圖4 消融實(shí)物Fig.4 ablation physical figure

單一條件變量，每一組實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)做5次，去掉離群數(shù)據(jù)后，將余下的幾組數(shù)據(jù)取平均值，用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得到如表2所示的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)注射液體為0 mL時，即無任何液體注射時，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2第一行所示；當(dāng)注射液體為生理鹽水和無水乙醇時，消融結(jié)果對比無注射液體時有較為明顯的差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，注射后比無注射條件下的消融范圍有顯著增加，且消融范圍的縱橫比也逐漸趨近于1，達(dá)到了擴(kuò)大消融面積且消融范圍更接近于球體的目的。

表2 不同條件下的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(±s)

注：a表示與無注射組相比，P<0.05；b表示與無注射組相比，P<0.05；c表示與無注射組相比，P<0.05。

Note：aCompared with no injection group,P<0.05;bcompared with no injection group,P<0.05;ccompared with no injection group,P<0.05.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

雖然消融面積和體積能夠較為直觀地體現(xiàn)消融效果，然而對于每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的面積計(jì)算由于每次使用的牛肝存在大小差異、含水量的區(qū)別，所以造成計(jì)算出的數(shù)據(jù)都有可能存在一些偏差，與理論上的結(jié)果不完全一致。為了更直觀地從消融面積上來討論消融效果，將每組結(jié)果產(chǎn)生的60℃等溫線做了單一變量的消融區(qū)域重疊，以便得到結(jié)論。

2.2.1 注射液體與無注射對比結(jié)果

當(dāng)無任何液體注射時的面積平均是19.58 cm2，在注射生理鹽水和無水乙醇后，消融區(qū)域的面積均擴(kuò)大，面積增加率在29.1%～72.0%之間；無注射時體積平均為57.35 cm3，在消融過程中注射液體可導(dǎo)致體積增大，其增加率在45.2%～141.8%之間。因此，聯(lián)合注射液體確實(shí)能夠起到增加消融范圍的效果。

2.2.2 注射體積對比結(jié)果

當(dāng)注射液體體積增加時，注射生理鹽水和注射無水乙醇均可導(dǎo)致消融范圍的增加，并且均隨著注射體積的增加，消融區(qū)域的范圍也增大。注射體積由10 mL增加到20 mL，生理鹽水組的面積增加率約為8.8%，無水乙醇組的面積增加率約為28.8%，說明增加注射液體體積也可以起到消融范圍增加的效果。如圖5所示，通過消融區(qū)域最大橫截面的等溫線疊加比較，可以直觀地看出，當(dāng)注射體積增加時，消融區(qū)域擴(kuò)大；而微波消融區(qū)域具有對稱性，其消融體積為類橢球形具有軸對稱結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)消融區(qū)域最大橫截面積的不斷擴(kuò)大，可導(dǎo)致其消融體積的不斷增加，證明消融范圍有所增大。

圖5 注射液體體積增加時的等溫線疊加比較Fig. 5 The isothermal comparisonof different injection liquid volume

2.2.3 相同條件下兩種液體的對比結(jié)果

在相同條件下，注射無水乙醇產(chǎn)生的消融范圍比注射生理鹽水后的有所增加，在注射體積為10 mL的時候面積增加率為3.4%，注射體積為20 mL時面積增加率為22.4%。如圖6的等溫線疊加比較所示，單一變量注射液體，可以比較清晰地看出注射無水乙醇時的消融區(qū)域略大于注射生理鹽水時的消融區(qū)域。

圖6 不同注射液體時的等溫線疊加比較Fig. 6 The isothermal comparisonof different injection liquid

3 討論

本研究對擴(kuò)大肝臟腫瘤消融區(qū)域的新方法，即注射液體聯(lián)合微波消融進(jìn)行了離體實(shí)驗(yàn)研究，并對比了注射生理鹽水與無水乙醇所得的消融效果以及溫度場變化情況。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與無液體注射相比消融區(qū)域面積增大率的范圍在29.1%～72.0%之間，體積增加率在45.2%～141.8%之間；當(dāng)注射液體體積由10 mL增加到20 mL，生理鹽水組的面積增加率為8.8%，無水乙醇組的面積增加率為28.8%。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，注射兩種液體均可有效增大消融范圍，而聯(lián)合無水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水。這是由于乙醇的滲透性很強(qiáng)，熱的乙醇快速向周圍彌散，使中央產(chǎn)生的高溫可快速向周圍擴(kuò)散；在微波加熱時，向周圍彌散的乙醇可對組織產(chǎn)生再次破壞作用[10]，所以隨著乙醇注入體積的增加，最高溫度升高，消融面積增大。而對于生理鹽水，注射后增加局部組織內(nèi)水分含量，局部組織內(nèi)水分增加減緩了天線周圍碳化過程[11]，使微波能量向周圍擴(kuò)散得更多，而生理鹽水的增加消耗了一部分熱量，消融的能量向四周彌散，導(dǎo)致天線周圍的最高溫度出現(xiàn)小幅度的降低。鹽水注入得越多，熱量被分走得越多，所以會造成最高溫度隨著注射體積增加而降低的狀況。但隨著加熱時間的增長，天線加熱補(bǔ)償?shù)臒崃块_始大于對于生理鹽水的滲透作用而帶來的熱能損耗，而且中央組織脫水使能量逐漸集中而不易于散熱[12]，最終形成的消融區(qū)域范圍擴(kuò)大；微波加熱后的熱鹽水易于向周圍擴(kuò)散，其本身就有一個熱損傷作用。而通過聯(lián)合注射液體進(jìn)行消融，加強(qiáng)了肝細(xì)胞的壞死程度，距離微波消融部位較近區(qū)域的肝細(xì)胞廣泛固縮變性，灶性壞死，說明流失的熱量對肝細(xì)胞的影響明顯。通過對比不注射液體與注射液體時的消融范圍，可以看出其熱損傷的程度大大提高，而單純注射液體所形成的細(xì)胞壞死很難造成細(xì)胞凝固變性[13]，所以細(xì)胞的壞死是消融主導(dǎo)造成，而不是全來自于液體占位。

但本次實(shí)驗(yàn)也存在一定的缺陷：由于時間和設(shè)備的原因，無法針對注射液體體積和消融范圍的增長率關(guān)系做出線性相關(guān)分析來確定最佳注射量；此次得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需要和理論計(jì)算值做比較；由于牛肝與人肝臟之間、離體與活體之間存在較大差異，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供臨床參考。這些問題都還需要后期的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和更多的理論學(xué)習(xí)來進(jìn)行深入的研究。

4 結(jié)論

由生理鹽水和無水乙醇聯(lián)合微波消融都可以擴(kuò)大消融范圍，相對之前的單針微波消融的情況，消融面積及體積增加，并且縱橫比增加，逐漸接近于1，消融形狀趨向球形，更適合臨床上腫瘤的治療。注射液體體積增加，消融范圍增大。

通過對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及等溫線重疊圖直觀對比，研究認(rèn)為聯(lián)合無水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水?？偟膩碚f，注射液體對擴(kuò)大消融是有利的，但最佳注射用量還需要進(jìn)一步研究。

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Experimental Study on Temperature Field of Microwave Ablation with Injecting Different Liquidsinvitro

Dong Tong Tian Zhen Nie Xiaohui Nan Qun#*

(BeijingUniversityofTechnologyCollegeofLifeScienceandBiotechnology,Beijng100124,China)

microwave ablation; saline; anhydrous ethanol;ex-vivo bovine liver; ablation range

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.016

2016-01-07， 錄用日期:2016-03-08

北京市自然科學(xué)基金(3162006)；國家自然科學(xué)基金(31070754)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目

R318

D

0258-8021(2016) 05-0621-05

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會高級會員(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: nanqun@bjut.edu.cn