微波、射頻及電凝對(duì)離體豬股骨干骺端制熱效應(yīng)的對(duì)照研究*

閆飛飛 謝遠(yuǎn)龍 馮帆 胡超 蔡林 雷軍

微波、射頻及電凝對(duì)離體豬股骨干骺端制熱效應(yīng)的對(duì)照研究*

閆飛飛 謝遠(yuǎn)龍 馮帆 胡超 蔡林 雷軍*

目的探索微波、射頻及電凝對(duì)離體豬股骨干骺端的制熱效應(yīng)的差異，以指導(dǎo)臨床應(yīng)用。方法取30條新鮮成年豬股骨，隨機(jī)分成微波組、射頻組和電刀組，每組10個(gè)樣本，分別采用微波、射頻和電刀進(jìn)行加熱（60 W·300 s），旁開(kāi)加熱點(diǎn)5、10、15、20mm測(cè)溫，比較三組的凝固范圍、溫度的分布及變化趨勢(shì)。結(jié)果三組凝固范圍橫徑分別為（23.3±1.5）、（14.8±1.1）、（10.8±1.3）mm，縱徑分別為（28.1±2.2）、（25.3±1.5）、（22.1±1.8）mm，橫縱徑均為微波＞射頻＞電刀（＜0.05）。病理切片證實(shí)肉眼所見(jiàn)的凝固范圍與病理切片凝固范圍基本一致。微波組在旁開(kāi)中心5、10、15mm處的溫度均顯著高于射頻組和電刀組，而三組在旁開(kāi)中心20mm處溫度無(wú)顯著差異。三組熱場(chǎng)分別在240、210和140秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快。結(jié)論 微波、射頻及電凝對(duì)股骨干骺端均具有制熱滅活作用，微波熱場(chǎng)溫度最高，凝固范圍大，射頻次之，而電刀制熱效應(yīng)最小。

微波；射頻消融；高頻電刀；股骨；干骺端；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

微波消融（Microwave ablation,MWA）的基本原理是通過(guò)發(fā)射電磁波場(chǎng)（915MHz or 2.45 GHz），引起周?chē)M織中偶極分子的旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生熱量，從而使組織發(fā)生凝固性壞死[1]；射頻消融（Radiofrequency ablation,RFA）則是通過(guò)射頻發(fā)射改變電流活動(dòng)，引起局部離子震蕩，產(chǎn)生高溫使組織發(fā)生凝固性壞死[2]；電刀熱凝也是利用射頻原理，即通過(guò)變壓變頻將高頻電流聚集起來(lái)，極短時(shí)間內(nèi)的震蕩電流引起局部離子震蕩摩擦產(chǎn)生大量的熱，直接摧毀與有效電極尖端相接觸下的組織[3]。三者都是通過(guò)高溫使腫瘤細(xì)胞凝固壞死，但產(chǎn)熱原理、產(chǎn)熱效率及熱場(chǎng)分布等均存在差異，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

腫瘤熱療在臨床使用中常面臨熱毀損腫瘤組織和保護(hù)正常組織熱損傷的矛盾，既要盡可能殺滅腫瘤組織，又要避免熱點(diǎn)周?chē)＝M織熱毀損傷。然而目前對(duì)于骨組織局部加熱后熱量傳遞及周?chē)鸁釄?chǎng)分布的研究頗少。本實(shí)驗(yàn)擬繼續(xù)深化MWA、RFA和電刀對(duì)離體豬干骺端松質(zhì)骨的制熱效應(yīng)研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電刀是否可作為腫瘤熱療的輔助方式進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.1MWA系統(tǒng)：南京九洲醫(yī)療設(shè)備研發(fā)中心內(nèi)冷式微波治療儀。工作頻率（2450±50）MHz，輸出功率：5～120W 逐步可調(diào)，步進(jìn) 5W；內(nèi)冷式硬質(zhì)天線外徑為 2.0mm，長(zhǎng)度150mm。自帶水循環(huán)動(dòng)力泵，室溫生理鹽水（20℃）作為降溫水源。

1.1.2RFA系統(tǒng)：柯惠醫(yī)療器械有限公司提供的Cool-tipTMRF Ablation System E，工作頻率 375 kHz，輸出功率：5～150 W，阻抗測(cè)量范圍：10～500，電極直徑為 1.2mm，長(zhǎng)度150mm。室溫生理鹽水（20℃）作為灌注水源。

1.1.3 美國(guó)進(jìn)口威力高頻電刀ForceFX-8C：具有單、雙極兩種輸出模式，頻率 300～750kHz、單極切割最大輸出功率300W，單極電灼凝血的最大輸出功率為120W，工作時(shí)電流均從負(fù)極板返回主機(jī)，本實(shí)驗(yàn)選用固定功率為60W的單電極電凝輸出模式；

1.1.4 測(cè)溫系統(tǒng)：武漢泰倫特科技有限公司提供的多點(diǎn)測(cè)溫儀，采用NTC熱敏測(cè)溫探頭（頭部尺寸1.3×1.5mm），可同時(shí)監(jiān)測(cè)八通道溫度變化，測(cè)溫范圍0～200℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取30條新鮮成年豬股骨遠(yuǎn)端干骺端，根據(jù)數(shù)據(jù)隨機(jī)法分成微波組、射頻組和電刀組三組，每組10個(gè)樣本，均采用臨床常用的功率和時(shí)間組合即60 W·300 s（本實(shí)驗(yàn)根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告及臨床經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定該功率和時(shí)間組合）。用3.0mm克氏針打孔，插入電極作為加熱中心，旁開(kāi)中心5、10、15和20mm，用1.5mm克氏針打孔，插入NTC熱敏測(cè)溫探頭實(shí)時(shí)測(cè)溫，所有孔深均為2cm。300秒后停止加熱，繼續(xù)監(jiān)測(cè)2分鐘內(nèi)各測(cè)溫孔自然冷卻下溫度衰減情況；測(cè)溫結(jié)束后，測(cè)凝固區(qū)橫徑，再沿各鉆孔的連線縱行切開(kāi)標(biāo)本，測(cè)凝固區(qū)縱徑，并觀察形態(tài)學(xué)特征。再將標(biāo)本脫鈣切片等后行HE染色處理，鏡下重點(diǎn)觀察凝固區(qū)臨界范圍。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS19.0軟件。凝固范圍以最大橫徑和縱徑，以及橫徑和縱徑均數(shù)評(píng)定。計(jì)量資料以（±s）表示，兩組間均數(shù)比較采用t檢驗(yàn)，多組間比較采用方差分析，＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 標(biāo)本形態(tài)學(xué)觀察

分別采用微波、射頻及電刀對(duì)標(biāo)本進(jìn)行凝固（60 W· 300s），凝固結(jié)束后，肉眼觀察干骺端橫斷面（圖1a,1b,1c）及沿各鉆孔的連線縱行切開(kāi)截面的凝固范圍（圖1d,1e,1f）：三組的凝固區(qū)均可見(jiàn)明顯的炭化帶，微波組凝固范圍最大（圖1a,1d），射頻組次之（圖1b,1e）；電刀組范圍最?。▓D1c,1f）。（彩圖見(jiàn)插頁(yè)）

圖1a,1d為微波組凝固后標(biāo)本；圖1b,1e為射頻組凝固后標(biāo)本；圖1c,1f為電刀組凝固后標(biāo)本（圖中白色箭頭所指為凝固炭化區(qū)；A為微波，射頻及電刀電極插入通道，B,C,D,E為旁開(kāi)加熱中心距離為5、10、15及20mm的測(cè)溫通道）

2.2 標(biāo)本病理學(xué)觀察

分別將三組標(biāo)本進(jìn)行HE染色處理后鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)肉眼所見(jiàn)的凝固范圍與病理切片凝固范圍基本一致。（彩圖見(jiàn)插頁(yè)）

圖2a，2b，2c分別為微波，射頻，電刀組病理標(biāo)本（HE×40，圖中白色箭頭所示為標(biāo)本炭化帶邊緣）

2.3 三組標(biāo)本凝固范圍的比較

凝固結(jié)束后測(cè)得三組標(biāo)本的的橫徑分別為（23.3±1.5）、（14.8±1.1）、（10.8±1.3）mm，微波＞射頻＞電刀（＜0.05）；縱徑分別為（28.1±2.2）、（25.3±1.5）、（22.1±1.8）mm，微波＞射頻＞電刀（＜0.05）。（表1）

表1 三組標(biāo)本凝固范圍的比較（±s）

表1 三組標(biāo)本凝固范圍的比較（±s）

注釋?zhuān)篴與電刀組比較＜0.05，b與射頻組比較＜0.05

方法 橫徑（mm） 縱徑（mm）微波組射頻組電刀組23.3±1.5ab 28.1±2.2ab14.8±1.1a 25.3±1.5a10.8±1.3 22.1±1.8

2.4 三組凝固方式溫度-時(shí)間效應(yīng)變化的比較

微波、射頻及電刀組熱場(chǎng)在240、210、140秒均達(dá)到穩(wěn)態(tài)，三組距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快（圖3）。（彩圖見(jiàn)插頁(yè)）三組距加熱中心5mm處的平均穩(wěn)態(tài)溫度分別為（130.2±1.5）、（104.0±2.3）、（87.3.0±3.2）℃，10mm處分別為（87.3±2.1）、（71.6±1.5）、（61.8±3.8）℃，15mm處平均溫度分別為（67.2±2.2）、（57.1±3.1）、（51.2±2.9）℃，均為微波明顯高于射頻高于電刀（＜0.05）；20mm處平均穩(wěn)態(tài)溫度分別為（23.3±0.3）、（23.2±0.2）、（23.4±0.3）℃，無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（＞0.05）（表2）。

表2 三組凝固溫度分布比較（±s，n=10）

表2 三組凝固溫度分布比較（±s，n=10）

注釋?zhuān)篴與電刀組比較＜0.05，b與射頻組比較＜0.05

方法微波組射頻組電刀組5mm（℃） 10mm（℃） 15mm（℃）20mm（℃）130.2±1.5ab 87.3±2.1ab 67.2±2.2ab 23.3±0.3 104.0±2.3a 71.6±1.5a 57.1±3.1a 23.2±0.2 87.3.0±3.2 61.8±3.8 51.2±2.9 23.4±0.3

圖3 微波、射頻及高頻電刀對(duì)離體豬股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨凝固的溫度-時(shí)間關(guān)系

3 討論

腫瘤的熱療是繼腫瘤手術(shù)、放療、生物治療、化療后的又一新型的療法[4]。損傷細(xì)胞和組織的機(jī)制主要是通過(guò)局部高熱導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞基質(zhì)蛋白、線粒體酶和核酸組蛋白復(fù)合物凝聚等[5]。近來(lái)，Zhe Y等[6]實(shí)驗(yàn)證明MWA處理后的腫瘤細(xì)胞，特別是在原位消融中，可通過(guò)免疫反應(yīng)誘導(dǎo)特異性抗腫瘤效果。目前，熱消融已在骨腫瘤的治療中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[7-12]，RFA已成為治療骨樣骨瘤的循證方法的選擇，MWA或RFA，單獨(dú)或聯(lián)合骨水泥可用于轉(zhuǎn)移性骨腫瘤的姑息治療，在減輕病人疼痛及改善生活質(zhì)量上效果顯著[1]；骨腫瘤的熱消融既起到了殺滅腫瘤組織的作用，又可以極大程度地保留了自體骨量，為骨的再生和修復(fù)提供了良好條件[13]。雖已取得較好的臨床療效，但也存在消融范圍不精確，安全性能不高等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近組織損傷，術(shù)后復(fù)發(fā)率高，術(shù)后再骨折等并發(fā)癥的出現(xiàn)[14]。高頻電刀利用高頻電流，雖可使腫瘤產(chǎn)生局部高溫，發(fā)生凝固性壞死，但可否將其熱效應(yīng)用于腫瘤熱療，目前尚無(wú)定論。施鑫等[15]提出在股骨近端巨細(xì)胞瘤的手術(shù)治療時(shí)用高頻電刀反復(fù)燒灼殘腔骨壁有助于消滅殘留的腫瘤細(xì)胞。所以，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)研究，繼續(xù)深化對(duì)三者產(chǎn)熱效率、制熱效應(yīng)及熱場(chǎng)分布的研究，并在此基礎(chǔ)上，展開(kāi)對(duì)電刀是否可成為腫瘤熱療的一種輔助方式的探討，進(jìn)而來(lái)指導(dǎo)臨床。

本實(shí)驗(yàn)在相同功率及加熱時(shí)間下，發(fā)現(xiàn)微波的凝固范圍、熱場(chǎng)溫度均顯著大于射頻大于電刀，這主要是三者與組織的作用方式不同所致。通過(guò)觀察凝固后的標(biāo)本可以發(fā)現(xiàn)，三組加熱中心均有形成不同程度的炭化帶，微波范圍最大，射頻和電刀次之。而微波與后兩者最大不同在于其對(duì)組織有一定的穿透力，穿透組織的偶極子均為熱源，可以自體加熱[16]。且對(duì)于低熱傳導(dǎo)的松質(zhì)骨來(lái)說(shuō)，穿透性更佳，其對(duì)組織熱傳導(dǎo)系數(shù)的依賴(lài)明顯小于射頻和電刀[17]。而射頻和高頻電刀通過(guò)射頻波使周?chē)M織產(chǎn)生交變電流，引起電極周?chē)M織中自由離子發(fā)生震蕩，摩擦生熱并傳導(dǎo)擴(kuò)散，產(chǎn)熱部位主要位于電極周?chē)鷰缀撩變?nèi)，易受組織內(nèi)自由離子濃度和周?chē)M織電導(dǎo)率的影響，凝固范圍的擴(kuò)大主要靠傳導(dǎo)散熱[18]。所以筆者分析，影響凝固范圍不同的主要原因是高溫導(dǎo)致電極周?chē)l(fā)生組織脫水炭化，而微波發(fā)射的電磁波可以穿越炭化帶，使范圍可以在熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大，而射頻和電凝易受組織內(nèi)自由離子濃度和周?chē)M織電導(dǎo)率影響，且當(dāng)電極周?chē)M織脫水炭化時(shí)阻抗上升，限制了熱量的產(chǎn)生及傳導(dǎo)，不利于消融范圍的繼續(xù)擴(kuò)大。所以臨床上正在嘗試向病灶內(nèi)注射鹽水或鐵離子復(fù)合物等方法來(lái)改善組織熱傳導(dǎo)[18]。而電刀與RFA相比，雖制熱原理相同，但因二者電極性能的差別、電刀缺乏冷循環(huán)系統(tǒng)等，使得其工作時(shí)熱量分布不均勻，僅集中于電刀周?chē)杀l(fā)性導(dǎo)致組織脫水炭化，限制熱量的產(chǎn)生及傳導(dǎo)，導(dǎo)致其凝固范圍及熱場(chǎng)溫度不如RFA。

本實(shí)驗(yàn)證明，MWA、RFA和電刀的熱場(chǎng)分別在240、210和140秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快。三組的溫度變化都局限于加熱中心15mm以?xún)?nèi)，20mm處溫度未受熱效應(yīng)的明顯影響，說(shuō)明該功率及加熱時(shí)間下，三者的熱效應(yīng)的有效半徑均不超過(guò)15mm。既往研究表明，骨細(xì)胞熱耐受閾值為50℃·30s，4～6分鐘即發(fā)生不可逆的細(xì)胞壞死[19]。目前認(rèn)為，50℃為腫瘤熱耐受的極限，50℃以上的溫度區(qū)域?yàn)橛行囟葓?chǎng)，而實(shí)驗(yàn)中三者距中心15mm以?xún)?nèi)，在加熱及降溫的過(guò)程中，都可在一定時(shí)間內(nèi)滿足有效溫度場(chǎng)的要求，但就凝固區(qū)范圍看，并不與50℃以上的高溫區(qū)完全吻合，而是在垂直電極方向上略小于50℃高溫區(qū)，可能由于離加熱中心較遠(yuǎn)的地方，雖也可以達(dá)到50℃以上，但溫度相對(duì)較低，加之維持時(shí)間不夠，并未能引起骨組織在肉眼觀察下形態(tài)學(xué)改變。

因此，微波、射頻及電凝對(duì)股骨干骺端均具有制熱滅活作用，微波較射頻熱場(chǎng)溫度高，凝固范圍大，在較大骨腫瘤的治療中宜選用微波。射頻消融較微波有更好的溫控性。相比之下，電刀的制熱效應(yīng)較低，凝固范圍受多種因素影響差異較大，且缺乏冷循環(huán)及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，使高頻電刀在腫瘤熱療的作用上無(wú)法與前二者相比，但其同樣具備高溫滅活腫瘤細(xì)胞的功能，如在病灶刮除后的殘腔行一定時(shí)間的加熱凝固以殺死殘留腫瘤細(xì)胞等，可作為一種輔助治療手段供選擇，但需注意避免對(duì)周?chē)＝M織的熱損傷。

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Swine femoral metaphysis ablation experiment in vitro:a comparative study of heating effects between microwave,radiofrequency and high frequency electrotome

Yan Feifei,Xie Yuanlong,Feng Fan,et al.
Department of Orthopedics,the Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan Hubei,430071,China

ObjectiveTocompare the heatingeffects between microwave,radiofrequencyandhigh frequencyelectrotomein porcine femoral metaphysis.Methods Microwave,radiofrequency and high frequency electrotome were applied for 300 seconds at 60 Watts in 30 porcine femoral metaphysis.Thermal sensors were placed at 5,10,15 and 20mm from the electrodes,thediameter and shape,the distribution andvariationtendency of temperaturein the coagulation zone,werecompared between three groups.Results The transverse diameters of lesions ablated with microwave,radiofrequency and electrotomewere(23.3±1.5),(14.8±1.1)and(10.8±1.3)mmrespectively,Thelongitudinal diameterswere(28.1±2.2), (25.3±1.5)and(22.1±1.8)mm respectively,andboth of two diameterswere thattheformerwassignificantly longer than the later than the last(＜0.05).The coagulation zone observed directly by eyes is consistent basically with pathological section.The temperature5,10,15mmfromthe centers of microwaveweresignificantlyhigherthanthe radiofrequencygroup than the electrotome group,but there was no significant difference in three groups at the temperature 20mm from the centers.The three groups could reach the steady-state at 240,210 and 140s independently,the shorter the distance to the heating point,the higher temperature reached and faster the temperature rose.Conclusion Both of Microwave,radiofrequency and electrotome have heating effects to inactivate porcine femoral metaphysis.The temperature of the heating zone and the boundary of microwave are highest and largest in these three groups,followed by radiofrequency,and the heating effect of high frequency electrotome was not as good as the other two groups.

Microwaves;Radiofrequencyablation;Highfrequencyelectrotome;Femur;Epiphyses;Animal experimentation

R318.03

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.06.01

swgk2016-04-00091

閆飛飛（1991-）男，碩士在讀。研究方向：脊柱、骨腫瘤。

*[通訊作者]雷軍（1975-）男，博士，副主任醫(yī)師。研究方向：骨外科。

2016-04-27)

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（基金號(hào)：2014CFB742）

武漢大學(xué)中南醫(yī)院骨四科，湖北武漢430071