頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)

鄒金成，張愛(ài)麗

上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，200030

0 引言

現(xiàn)有的射頻消融手術(shù)中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)射頻消融治療系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行持續(xù)的加熱達(dá)到預(yù)期的熱消融范圍[1-3]。為了能夠增加消融范圍和射頻的穿透深度，則常常通過(guò)增加治療時(shí)間或加熱功率，然而當(dāng)加熱功率過(guò)低時(shí)，則因?yàn)檠汗嘧⒙实拇嬖?，將熱量帶走，達(dá)不到消融的目的，而過(guò)高又會(huì)使靶向組織因高溫氣化形成碳化，阻礙射頻信號(hào)的傳輸，很難到達(dá)更遠(yuǎn)的區(qū)域。并且靶向組織的形狀不規(guī)則，現(xiàn)有治療探針產(chǎn)生的形狀基本不可控[4-6]。為了能夠?qū)Π邢蚪M織進(jìn)行精準(zhǔn)適形治療，必須考慮到組織的實(shí)際結(jié)構(gòu)，從射頻加熱的基本原理進(jìn)行加熱方法研究，以更好消融各組織。

已有研究表明，不同頻率的射頻在生物組織中的穿透深度與加熱范圍有很大的差異。HAEMMERICH等[7-8]建模分析腫瘤組織和正常組織在10 kHz和500 kHz射頻頻率作用下組織內(nèi)部電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，得到了在較低頻率下可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)先加熱腫瘤而不傷害正常組織的結(jié)果；EKSTRAND等[9]對(duì)如何使用射頻優(yōu)先加熱乳腺癌中的腫瘤組織而不傷害周圍的脂肪展開(kāi)研究；FRANCO等[10]對(duì)射頻消融生物組織中脂肪的能力進(jìn)行研究，其采用了500 kHz和4 MHz射頻頻率對(duì)豬肉進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)500 kHz的射頻加熱范圍更大，但加熱速度較慢， 4 MHz的射頻具有更快的加熱速度但加熱范圍相對(duì)較小。BLENKY等[11]研究了不同射頻頻率對(duì)生物組織穿透深度的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了穿透深度隨頻率的增大而減小。因此，不同射頻頻率消融能夠改變靶向組織的消融范圍和消融深度，可以通過(guò)控制治療策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶向組織的精準(zhǔn)適形治療，達(dá)到更加有效的消融目的。如果在治療過(guò)程中，能夠針對(duì)不同的組織需要，選擇分時(shí)甚至同時(shí)使用不同頻率的射頻進(jìn)行消融，將大大增加系統(tǒng)的可控性和適用范圍。

然而目前所有的系統(tǒng)，均為單一頻率治療系統(tǒng)，為了能夠進(jìn)一步研究多頻率射頻的使用對(duì)腫瘤消融的治療效果以及治療機(jī)理，本文提出了頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了可以發(fā)出多種頻率的射頻消融信號(hào)系統(tǒng)，并通過(guò)仿生物膠體實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該治療系統(tǒng)不同頻率射頻信號(hào)在恒定功率控制模式下的加熱規(guī)律，為后期射頻精準(zhǔn)消融治療策略的研究提供了硬件基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作原理與體系架構(gòu)

射頻消融技術(shù)利用了組織的高頻電流場(chǎng)作用下的熱效應(yīng)，達(dá)到對(duì)靶向組織的消融治療作用，且治療深度會(huì)隨著頻率的改變而變化。鑒于射頻消融的這一特性，為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)靶向組織的徹底消融，以及達(dá)到所需要的治療目的，本文提出了頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)系統(tǒng)中發(fā)出多種不同頻率的射頻消融信號(hào)，可根據(jù)實(shí)際的靶向組織的尺寸與形狀，配合適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，?shí)現(xiàn)對(duì)靶向組織的徹底消融目的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括了射頻功率放大電路、射頻信號(hào)檢測(cè)電路、顯示控制模塊、微處理器控制模塊、可控直流電源、頻率選擇電路、隔離輸出電路以及溫度采集電路等模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of system

系統(tǒng)工作原理為：顯示控制模塊在工作之前設(shè)置好當(dāng)前工作頻率與工作方式，即時(shí)傳輸?shù)轿⑻幚砥骺刂颇K，微處理器控制模塊發(fā)出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制PWM轉(zhuǎn)電壓電路，發(fā)出0～5 V的控制輸入信號(hào)，控制可控直流電源輸出0～60 V的可調(diào)直流信號(hào)，作用到射頻功率放大電路；同時(shí)微處理控制模塊控制頻率選擇電路，選擇射頻功率放大電路的激勵(lì)信號(hào)頻率，以及選擇射頻功率放大電路中，諧振電感的值，使其在固有頻率下發(fā)生諧振，通過(guò)射頻功率放大電路輸出設(shè)定頻率的射頻消融信號(hào)；射頻消融信號(hào)使用1:1的高頻隔離變壓器傳輸?shù)街委熖筋^作用于人體，進(jìn)行組織治療。射頻信號(hào)檢測(cè)電路采集隔離耦合的方式采集治療過(guò)程中的電流以及采集高頻隔離變壓器輸入端的電壓，并且將其采集的信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥骺刂颇K進(jìn)行信號(hào)處理后，傳輸?shù)接|控顯示模塊上進(jìn)行顯示。此外，系統(tǒng)上還設(shè)計(jì)有兩路的溫度采集電路，采集治療過(guò)程中溫度信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 射頻功率放大電路

射頻功率放大電路是射頻消融能量產(chǎn)生的核心部件，采用了單端輸入的E類功率放大電路。電路原理如圖2所示，電路中主要采用了功率放大型的MOS管作為功率放大器件，將方波激勵(lì)信號(hào)作用于MOS管的柵極G，提供基頻激勵(lì)信號(hào)，使其MOS管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，MOS管開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)MOS管的電流和電壓不同時(shí)存在，使其在理想的工作狀態(tài)下，損耗為零。

圖2 射頻功率放大電路原理圖Fig.2 Diagram of RF power amplifier

電路工作時(shí)，可控恒流源輸出的0～60 V可控電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路后接入到高頻扼流圈L1，進(jìn)行恒流處理，然后，傳輸?shù)焦β史糯驧OS管的源級(jí)，接入到L2與C4組成的LC串聯(lián)諧振電路，經(jīng)過(guò)阻抗拼配網(wǎng)絡(luò)，發(fā)出射頻消融信號(hào)。最后，將射頻消融信號(hào)采用高頻隔離變壓器輸出到治療探頭，輸送到組織進(jìn)行治療。

為了能夠發(fā)出不同頻率的射頻消融信號(hào)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)E類功率放大電路的基本工作原理[12]，扼流圈的取值應(yīng)該滿足公式：因此，為了能夠滿足所有設(shè)計(jì)頻率的要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將高頻扼流圈的取值設(shè)置為可選最小頻率時(shí)的值，即頻率f為最小頻率fmin。LC串聯(lián)諧振電路中電感L2與電容C4應(yīng)該滿足關(guān)系式，設(shè)計(jì)中將諧振電容的值取值為固定值，取C4=0.01 μF，然后將電感設(shè)計(jì)為可調(diào)電感，其中可選值為系統(tǒng)可選頻率的諧振電感值，并且采用了頻率選擇電路進(jìn)行選擇，這里的頻率選擇電路采用譯碼電路與繼電器選擇電路連接，使用微處理控制電路控制其信號(hào)選擇。輸出隔離電路采用了高頻隔離變壓器進(jìn)行信號(hào)隔離。

同時(shí)使用了晶體振蕩電路與數(shù)字邏輯與非門電路，產(chǎn)生了方波信號(hào)，然后采用D觸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行分頻，產(chǎn)生了多種頻率的方波信號(hào)，采用頻率選擇電路選擇工作射頻頻率的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，傳輸?shù)缴漕l功率放大電路中的功率放大MOS管柵極，為其提供激勵(lì)源信號(hào)。

2.2 微處理器控制模塊

本文中的微處理控制模塊主要是用于對(duì)射頻消融信號(hào)進(jìn)行控制與信號(hào)采集處理，其中微處理器采用了TI公司的MSP430F149片上系統(tǒng)作為解決方案。MSP430f149單片機(jī)采用16位RISC處理器，高性能的模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)，具有多個(gè)可任意嵌套的中斷源，內(nèi)置8路12位ADC，實(shí)現(xiàn)溫度與射頻信號(hào)檢測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，16位定時(shí)器Timer A具有4種工作模式，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能，用于實(shí)現(xiàn)控制算法設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)間控制，以及可以通過(guò)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)PWM功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻功率的控制。

微處理器控制模塊的外圍電路包括DS1302時(shí)鐘電路、PWM信號(hào)轉(zhuǎn)電壓電路、I/O口控制電路、串口通信電路、485通信電路、晶振電路和蜂鳴器報(bào)警電路，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中觸控顯示屏使用深圳拓普微科技開(kāi)發(fā)有限公司10.4 in電阻式觸控顯示屏，型號(hào)為HMT104ATA-C。系統(tǒng)采用了485通訊電路實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的通信。系統(tǒng)采用了多路I/O控制頻率選擇電路的譯碼器，選擇當(dāng)前射頻消融頻率的基頻信號(hào)與射頻功率放大電路的諧振電感值。

圖4 微處理器控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The diagram of MCU control module

3 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

3.1 不同頻率的射頻消融信號(hào)的測(cè)試

為了對(duì)本文中設(shè)計(jì)的頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證，將射頻信號(hào)的輸出端加載在負(fù)載為100 Ω的功率電阻上，將安捷倫MSO-X 2022A的示波器連接到射頻輸出端的兩極，分別測(cè)試了頻率為230 kHz、460 kHz、920 kHz、2 000 kHz時(shí)的射頻信號(hào)，測(cè)試的信號(hào)波形圖如圖5所示。

圖5 不同頻率的射頻信號(hào)Fig.5 The RF signal of diあerent frequency

3.2 不同頻率射頻仿真膠體消融實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同頻率射頻消融信號(hào)的加熱規(guī)律，我們根據(jù)生物組織特性（尤其是傳熱特性與導(dǎo)熱特性），設(shè)計(jì)了仿生物組織膠體[13]，主要成分為88.5%的蒸餾水，0.46%的氯化鈉，5.5%的甲醛溶液和5.54%的明膠，生物仿真膠體的尺寸為30 mm×30 mm×30 mm。選擇了460 kHz、920 kHz、2 000 kHz頻率的射頻消融信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。使用了紅外熱成像分析儀（型號(hào)：FLIR SC3，美國(guó)），精度為0.1 ℃，實(shí)時(shí)記錄射頻加熱過(guò)程中膠體溫度場(chǎng)變化。實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖6所示，將微電極和負(fù)極板用微細(xì)絕緣銅導(dǎo)線引出，接入射頻信號(hào)發(fā)生接口，微電極設(shè)置為正極，尺寸為2 mm×2 mm，負(fù)極板接入射頻負(fù)極。紅外熱像儀正對(duì)著放置有微電極的側(cè)面，用于實(shí)時(shí)記錄射頻加熱時(shí)的溫度場(chǎng)變化。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.6 Experimental system diagram

將三種頻率的射頻信號(hào)的消融功率均設(shè)置為1.5 W，加熱時(shí)間為90 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種頻率相同功率下加熱90 s熱云圖Fig,7 Thermal cloud diagram at 90 s under three frequencies

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可看出，射頻消融面積隨著射頻頻率的增加而減少。并且三種頻率射頻加熱的最高溫度按照頻率（460 kHz、920 kHz、2 000 kHz）從小到大依次為39.7 ℃、36.2 ℃、33.9 ℃，可見(jiàn)最高溫度也隨著頻率的升高而減小，其主要原因在于生物膠體的電學(xué)特性隨著頻率的變化發(fā)生了變化，隨著射頻頻率變化，生物膠體的容抗和感抗也發(fā)生了相應(yīng)的變化，導(dǎo)致總的電抗隨著頻率升高而增加，從而導(dǎo)致無(wú)用功率增加，在總功率與總能量一定的情況下，射頻頻率越高加熱范圍與加熱最高溫度越小。

4 結(jié)論

本研究基于E功率放大器的基本原理，提出了頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一套頻率可選的射頻消融治療系統(tǒng)。并且對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的四種射頻頻率（230 kHz、460 kHz、920 kHz、2 000 kHz）的射頻消融信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同頻率在相同加熱功率和加熱時(shí)間下的加熱規(guī)律，測(cè)試結(jié)果表明：射頻加熱消融功率和加熱時(shí)間一定時(shí)，隨著射頻頻率的增加，加熱消融面積與加熱溫升越小。因此，射頻頻率的變化能夠改變射頻消融的過(guò)程與消融范圍。在射頻消融臨床研究過(guò)程中，可以通過(guò)控制射頻頻率和治療控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶向組織的精準(zhǔn)治療與徹底消融，并且可以通過(guò)本文中提出的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)更多可選頻率的射頻消融治療系統(tǒng)。