熱損傷計(jì)量相關(guān)方法研究進(jìn)展

蔣徽豪 張國安

（北京大學(xué)第四臨床醫(yī)學(xué)院，北京積水潭醫(yī)院，北京 100035）

熱損傷（thermal injury）是機(jī)體接觸高溫物體、熱輻射源或是因體溫異常而導(dǎo)致的損傷。熱損傷不僅與燒傷、熱射病等疾病相關(guān)，其相關(guān)概念也被應(yīng)用于熱療、消融等治療及其安全范圍界定。因而，熱損傷的計(jì)量方式是多學(xué)科研究的重點(diǎn)之一。目前，以溫度等效時(shí)間[如累計(jì)等效43 ℃加熱時(shí)間（cumulative equivalent minutes at 43 ℃，CEM43 ℃）]為代表的等效劑量法已被廣泛應(yīng)用于腫瘤熱療領(lǐng)域[1]，但在其他領(lǐng)域的推廣仍在進(jìn)行之中。本文對熱損傷相關(guān)指標(biāo)及其在不同組織、不同研究方式中的研究進(jìn)展綜述如下。

1 熱損傷的常用指標(biāo)

1.1 等效劑量法測定的指標(biāo) 早期，對于熱損傷的描述曾使用單一變量，如僅描述加熱溫度，而不考慮其他變量。后基于對高熱導(dǎo)致的腫瘤縮小現(xiàn)象，Henriques 等[2]認(rèn)為生物化學(xué)反應(yīng)類似簡單物質(zhì)的基元化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速率k 滿足阿倫尼烏斯方程，即速率k 與溫度T 呈指數(shù)關(guān)系，如下式：

其中k 為化學(xué)反應(yīng)速率，dM、M 分別為損傷（即已經(jīng)發(fā)生反應(yīng)）以及反應(yīng)前總共的組織細(xì)胞或分子濃度，A 為相關(guān)系數(shù)，e 為自然對數(shù)的底，為該反應(yīng)的活化能，R 為通用氣體常數(shù)，T 為組織溫度。Dewhrist 等[3]以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過研究建立了以CEM43 ℃為代表的等效劑量法。該方法認(rèn)為細(xì)胞熱損傷是以溫度為單一限速因素，從而以公式（1）的阿倫尼烏斯方程為基礎(chǔ)，以持續(xù)在某個(gè)溫度加熱某段時(shí)間長度的組織或細(xì)胞為對象，轉(zhuǎn)換為等效于43 ℃下的加熱時(shí)間，其計(jì)算式如下：

其中，CEM43℃為累計(jì)等效43 ℃加熱時(shí)間，t 為實(shí)驗(yàn)對象加熱時(shí)間，R 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，T 為實(shí)驗(yàn)對象加熱溫度。其理論基礎(chǔ)為體外細(xì)胞加熱實(shí)驗(yàn)，Dewhirst 等[3]總結(jié)中國倉鼠卵巢細(xì)胞、人黑色素瘤細(xì)胞的體外加熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在42 ℃及以下溫度加熱時(shí)細(xì)胞生存率不隨時(shí)間延長降低，而升至42 ℃以上后生存率即隨時(shí)間延長而下降；對人、鼠的多種細(xì)胞系進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，細(xì)胞生存率的變化會出現(xiàn)明顯單一的拐點(diǎn)（多為42 ～43 ℃）；在此拐點(diǎn)之上，用不同加熱溫度及時(shí)間組合對在體動(dòng)物組織進(jìn)行加熱，研究不同溫度下造成相同程度損傷所需時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示溫度與對數(shù)轉(zhuǎn)換后的時(shí)間呈線性關(guān)系，由此建立了公式（2）這一等效公式，用以在某個(gè)組織或細(xì)胞中將不同加熱溫度與時(shí)間合并，視作43 ℃下加熱達(dá)到相同效應(yīng)所需的等效時(shí)間，從而簡化研究標(biāo)準(zhǔn)、利于相互比較；其中的轉(zhuǎn)換系數(shù)由研究與經(jīng)驗(yàn)共同決定。后續(xù)的研究也多證實(shí)了在不同組織部位的應(yīng)用，以及在臨床腫瘤熱療之中的可靠性[4-5]。而隨著研究發(fā)展，不同組織的轉(zhuǎn)換系數(shù)取值卻相同，無法體現(xiàn)不同血流灌注、不同散熱組織的區(qū)別，依賴實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)部溫度均一相同的假設(shè)，以及腫瘤的放化療聯(lián)合下對熱療結(jié)果的影響，使得其無法良好預(yù)測臨床結(jié)果，也難以指導(dǎo)熱損傷的進(jìn)一步研究[4,6]?？赡苁浅鲇诎l(fā)展腫瘤熱療的目的，此類研究多集中于43 ～55 ℃、數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)的較低溫度加熱、較長時(shí)間的熱損傷現(xiàn)象研究，而將其應(yīng)用在60 ℃以上的較高溫度、或是數(shù)秒的較短時(shí)間時(shí)，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)明顯的不同[7]。

1.2 損傷指數(shù)法測定的指標(biāo) 與等效劑量法轉(zhuǎn)化、描述加熱時(shí)間相反，損傷指數(shù)法直接測量的是加熱前后存活細(xì)胞數(shù)量，其推算式也是以溫度為單一限速因素的阿倫尼烏斯方程為基礎(chǔ)，認(rèn)為存活細(xì)胞數(shù)之比的對數(shù)與加熱溫度、時(shí)間呈對數(shù)關(guān)系[1]：

上式中，Ω 為損傷指數(shù)，C(0)和C(τ)分別為加熱前以及加熱到τ 時(shí)刻存活細(xì)胞數(shù)；后半部分即為τ 時(shí)刻的推算，A 是一個(gè)頻率系數(shù)，R 為通用氣體常數(shù)，T 為絕對溫度，t為加熱時(shí)長。經(jīng)Viglianti 等[1]計(jì)算，公式（1）與公式（2）可相互轉(zhuǎn)化；損傷指數(shù)描述的為存活細(xì)胞的比例，難以用于指導(dǎo)臨床治療的實(shí)施而較少使用，多見于消融治療的療效評價(jià)，本文不再深入介紹。

2 組織與細(xì)胞的熱損傷計(jì)量

在證明特定溫度范圍內(nèi)熱損傷的等效效應(yīng)之后，大量研究進(jìn)一步探討了不同器官、不同組織的熱損傷。有學(xué)者曾對其進(jìn)行總結(jié)分類，按照CEM43 ℃大小、實(shí)驗(yàn)物種、離體還是在體、觀察時(shí)間等區(qū)別，歸納此類研究下腦、骨髓、肌肉、神經(jīng)、乳腺、肝臟、腎臟、食管等不同組織器官的熱損傷在血管通透性、細(xì)胞損傷等方面的差異，證明不同器官、甚至相同器官內(nèi)的不同組織對熱損傷的耐受不同，同時(shí)也指出了多數(shù)實(shí)驗(yàn)僅能測量表面溫度、內(nèi)部熱能分布不均、加熱程度或時(shí)間較短等不足[5,8-11]。

局部及全身的熱療被廣泛用于腫瘤的輔助治療，并取得了較好的臨床效果[12-13]。傳統(tǒng)的熱水浴依舊被用于實(shí)驗(yàn)加熱、模擬較低溫度的熱療以及較高溫度的消融[7,14]，而臨床除熱水以外，還多用射頻、微波、超聲及激光光纖等方式進(jìn)行熱療或消融[15-16]，而射頻及微波因加熱裝置多使用探針結(jié)構(gòu)，故而出現(xiàn)了隨距離增加熱能明顯衰減的現(xiàn)象[15]。近來核磁共振聯(lián)合金屬納米顆粒用于加熱受到重視，其通過外源交變磁場來加熱通過靜脈或局部注射而放置的金屬顆粒，被認(rèn)為是一種對腫瘤組織選擇性高、操作更精細(xì)的方法，但其安全性、溫度維持、操作可重復(fù)等應(yīng)用問題仍在研究中[6,13,17]。在燒傷研究領(lǐng)域，多用熱水、加熱后的金屬等物體來模擬短時(shí)間高溫度暴露，用碳弧、電火花引燃金屬鎂等方法模擬上千攝氏度的高溫暴露[18]。雖然在近年出現(xiàn)了一定程度的質(zhì)疑和爭論，上述大多數(shù)加熱方法仍使用CEM43 ℃及其延伸出的CEM43 ℃T90，以及按照某個(gè)實(shí)驗(yàn)中、不同探測位置的平均升溫與作用時(shí)間的乘積進(jìn)行加總、再除以總的作用時(shí)間的熱計(jì)量-效應(yīng)參數(shù)TRISE 等參數(shù)作為熱計(jì)量[4,13,15,17]，而高溫短時(shí)間的部分燒傷及消融實(shí)驗(yàn)則多以溫度與時(shí)間進(jìn)行描述[16,18]。

細(xì)胞的熱損傷與耐熱機(jī)制也得到了進(jìn)一步的研究，熱休克蛋白（heat shock protein，HSP）家族被認(rèn)為從維持細(xì)胞膜穩(wěn)定、維護(hù)轉(zhuǎn)錄翻譯穩(wěn)定、啟動(dòng)DNA 修復(fù)酶等方面在熱耐受中起到重要作用，并進(jìn)一步被延伸到紫外線照射、輻射等多種應(yīng)激場景[19-20]。

3 不同測溫方法的發(fā)展

隨著CEM43 ℃在腫瘤治療領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，對加熱控制的重要性也日益顯著。研究重點(diǎn)之一即為不同的溫度測量方法。在這一方向上，有些研究偏重于加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，例如對熱療持續(xù)加熱期間的對象反復(fù)采集溫度數(shù)據(jù)，以第90 百分位數(shù)的數(shù)據(jù)作為指標(biāo)的CEM43 ℃T90，或是以實(shí)際熱療的時(shí)間、升溫乘積與總體治療時(shí)間比值的TRISE[4]；也有研究偏重于增加侵入性的傳感器數(shù)量，以熱電偶、熱電阻多見[9]，以期能更準(zhǔn)確地描述實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)溫度的分布、實(shí)際溫度的變化，如Bakker 等[21]為了減少熱療中燙傷的發(fā)生，就通過實(shí)驗(yàn)來探討在乳腺癌熱療中所需最少的傳感器數(shù)量，其實(shí)驗(yàn)以乳腺癌初始放療合并熱療、發(fā)生復(fù)發(fā)、且初始熱療時(shí)熱電偶傳感器數(shù)目超過60 個(gè)的患者為基礎(chǔ)，將復(fù)發(fā)患者隨機(jī)分配至不同亞組，在再次熱療中使用不同數(shù)目的熱傳感器，以比較兩次熱療之中使用不同數(shù)量傳感器時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)的區(qū)別，結(jié)論是推薦傳感器應(yīng)超過50個(gè)/400 cm2，但未能明確證明復(fù)發(fā)前后腫瘤的一致性。侵入性的設(shè)備除了傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻外，光纖測量也被用于熱測量領(lǐng)域，通過測量其發(fā)射光線的衰減來測量溫度，因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易受其他加熱方法影響、操作相對簡單而受重視，但也僅能用于侵入性的局部測量[9,15]。

同樣的研究方向上，也有學(xué)者著重于尋找不同的溫度測量方法。核磁共振（MRI）已被證實(shí)是適于不同組織、不同治療過程的熱測量的可靠標(biāo)準(zhǔn)[9,22]，Rieke 等[23]曾總結(jié)了其在熱測量之中的應(yīng)用。這種方法由于測量對象氫原子廣泛存在、可觀察物體內(nèi)部且又多為非侵入性而受到重視?？偨Y(jié)從T1 及T2 弛豫時(shí)間等常用指標(biāo)、到溫度敏感對比劑等，可實(shí)現(xiàn)溫度絕對值及參考標(biāo)定的相對值的較為精確的測量；但因精度與測量時(shí)間呈相反關(guān)系，實(shí)時(shí)反饋未能實(shí)際實(shí)現(xiàn)，而且還存在其他的缺陷，如存在組織特異性，校準(zhǔn)難度較大，成本高昂，操作較復(fù)雜等。

微波輻射、紅外線測量作為測量不同頻率熱輻射的方法，因其快捷、安全、創(chuàng)傷少、測量面積大，在非侵入性的淺表面及表面溫度測量方面有著較多的研究，但存在測量需要良好的參照與校準(zhǔn)程序、測得數(shù)據(jù)仍需復(fù)雜算法運(yùn)算、僅能局限于物體表面溫度測量等缺陷[9,24-26]。

超聲通過對聲學(xué)參數(shù)受熱影響的變化，也可間接測定溫度變化，但溫度變化與測量結(jié)果不呈線性關(guān)系、數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，且限于50 ℃以下的相對溫度變化、需要校準(zhǔn)比對，而且需要考慮射頻等加熱方法對于測量的干擾[9,26]。

熱物理及工程等學(xué)科也在生物熱測量領(lǐng)域有研究，其重點(diǎn)在于生物傳熱模型的建構(gòu)、生物組織熱物性參數(shù)的測量及測量方法，以及生物體三維溫度場的無損重構(gòu)[27]。生物傳熱模型的突出代表為20 世紀(jì)60 年代Pennes 等提出的圓筒型徑向溫度分布的熱傳導(dǎo)模型，雖然仍假定對象的各物理參數(shù)分布均勻一致，但除溫度差外還考慮了血液灌注、生物代謝而增加、交換的熱量，被廣泛接受和應(yīng)用[2,18,28-30]，并且出現(xiàn)了許多延伸公式[27,31-32]，從而以熱量、傳熱為基礎(chǔ)，結(jié)合熱彌散系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容等熱力學(xué)物理參數(shù)[33]，對特定參數(shù)進(jìn)行測量，或是計(jì)算溫度場以估計(jì)實(shí)驗(yàn)對象內(nèi)溫度隨空間及時(shí)間的變化。這些物理性質(zhì)可以進(jìn)一步利用，如模擬皮膚燒傷過程時(shí)，Dewhirst 等[3]將其用于計(jì)算不同深度、溫度與時(shí)間下的皮膚燒傷損傷程度、細(xì)胞壞死率；而Abraham 等[8]則相反，利用不同組織層次的熱物性，設(shè)定不同溫度來計(jì)算皮膚燒傷達(dá)特定深度所需時(shí)間，兩者都以阿倫尼烏斯方程為基礎(chǔ)的CEM43 ℃計(jì)算，并得出相接近的結(jié)果。Wan 等[34]則用以論證氣道之中的散熱及保護(hù)方式。也有將其綜合、推導(dǎo)溫度場分布，并以熱紅外成像[29]或溫度傳感器[30]進(jìn)行驗(yàn)證，證明其能夠?qū)崟r(shí)反映溫度場隨空間及時(shí)間變化，可能應(yīng)用于指導(dǎo)熱療或消融。

而在實(shí)用方面，中國標(biāo)準(zhǔn)研究中心與機(jī)械工業(yè)部機(jī)械科學(xué)研究院早在2000 年就以歐洲推出的機(jī)械表面安全溫度標(biāo)準(zhǔn)為參考，推出了我國的機(jī)械表面可接觸安全溫度的標(biāo)準(zhǔn)，以避免皮膚燒傷[35]，其中，接觸溫度、接觸時(shí)間以及接觸材料都被認(rèn)為是重要指標(biāo)。例如，當(dāng)接觸時(shí)間在1 ～10 s 時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)列出的皮膚接觸不同材料、不引起燒傷的溫度閾值不同，皮膚與裸露金屬等熱導(dǎo)率高的材料接觸的不燒傷閾值在60 ～70 ℃，與涂層金屬、陶瓷、塑料等材料接觸的安全閾值在70 ～90 ℃，而與導(dǎo)熱性差的木材接觸安全閾值能在90 ～130 ℃，提示熱量傳導(dǎo)等熱物理性質(zhì)也對生物的熱耐受有明顯影響。

4 總 結(jié)

綜上所述，以等效劑量法為基礎(chǔ)的CEM43 ℃是目前熱損傷的重要計(jì)量指標(biāo)。在其理論提出后，該指標(biāo)被逐步證實(shí)適用于不同組織器官，引導(dǎo)了多種腫瘤熱療工具與部分消融治療的研究，并延伸出了許多參數(shù)。熱損傷的監(jiān)測工具技術(shù)及其熱物理工程也仍以CEM43 ℃、或其密切相關(guān)的溫度-時(shí)間關(guān)系為基礎(chǔ)發(fā)展。但在以燒傷為代表的高溫短時(shí)間加熱的領(lǐng)域內(nèi)，仍以溫度-時(shí)間的組合居多，而CEM43 ℃的應(yīng)用僅有初步研究，尚未能得到廣泛認(rèn)可。熱物理方向的研究與建模在皮膚燒傷分層的模型、氣道高溫?fù)p傷的模型等復(fù)雜場景有了一定的建樹，但在解釋熱損傷過程、機(jī)體保護(hù)機(jī)制、預(yù)測損傷程度等方面仍有待發(fā)展。