經(jīng)皮激光消融測(cè)溫裝置的研制

【作 者】黃亮

上海市第十人民醫(yī)院，醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200072

0 引言

人類的惡性腫瘤的發(fā)病率和死亡率一直呈上升趨勢(shì)。在目前各類治療方式中，介入治療的發(fā)展非常迅速，介入治療中影像引導(dǎo)下的經(jīng)皮熱消融是行之有效的方法之一，經(jīng)皮熱消融比較成熟的技術(shù)有射頻消融、微波消融。近年來，激光消融由于其安全和精準(zhǔn)的特性，得到了介入醫(yī)生的認(rèn)可，被認(rèn)為是一種有發(fā)展?jié)摿Φ臒嵯谥委煼椒╗1-3]。

1 經(jīng)皮激光消融腫瘤技術(shù)簡介

影像引導(dǎo)下的經(jīng)皮激光消融是指在影像設(shè)備，通常是超聲，也可用CT、磁共振等放射設(shè)備，在實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控引導(dǎo)下，經(jīng)皮穿刺后，將穿刺針穿到腫瘤組織附近，然后將光纖導(dǎo)入穿刺針內(nèi)，到達(dá)腫瘤邊緣，利用前向發(fā)射的激光，消融腫瘤組織，主要利用的是激光的熱效應(yīng)進(jìn)行滅活[4]。

研究表明，細(xì)胞在42.5～43.0oC時(shí)處于臨界溫度，超過此溫度后細(xì)胞呈指數(shù)性殺傷[5]。由于腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞對(duì)溫度更敏感，當(dāng)溫度處于臨界溫度，腫瘤細(xì)胞容易造成膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞而很快進(jìn)入凋亡過程；但正常細(xì)胞能耐受此溫度而不受損傷[6]。因此消融設(shè)備的重要參數(shù)是不同能量下的消融形狀和范圍，臨床醫(yī)生通過這個(gè)參數(shù)，可以精確控制消融范圍，達(dá)到兩個(gè)目的：一是適形地把腫瘤組織加熱到有效治療溫度范圍，并維持一段時(shí)間，使腫瘤細(xì)胞以及病灶受到毀滅性的打擊；另一方面也要保護(hù)正常組織的過熱損傷，盡量減少治療中患者所不能忍受的各種創(chuàng)傷及威脅生命的并發(fā)癥[7]。

因此醫(yī)生希望能在腫瘤激光熱消融開展前期，進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)直觀地看到離消融針不同距離組織的溫度變化。

2 消融實(shí)時(shí)測(cè)溫技術(shù)簡介

腫瘤熱消融中測(cè)溫方法從根本上來講可分為兩種類型[8]，一種為有損測(cè)溫或侵入式測(cè)溫，另外一種為無損測(cè)溫或非侵入式測(cè)溫。

無損測(cè)溫由于對(duì)被測(cè)物體沒有損傷，安全可靠，是目前的溫度檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)。方法主要包括紅外熱成像無損測(cè)溫[9]、磁共振成像無損測(cè)溫[10]、電阻抗斷層成像無損測(cè)溫[11]、微波無損測(cè)溫[12]、超聲無損測(cè)溫[13]等，這些技術(shù)大多處于研究階段，技術(shù)成熟度有欠缺，有的實(shí)現(xiàn)方式比較復(fù)雜，或者配套設(shè)備比較昂貴。

有損測(cè)溫方法是指將測(cè)溫探頭通過穿刺針或套管之類介入裝置放置于生物組織內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、可靠。缺點(diǎn)是由于是侵入性的，對(duì)病人有損傷。測(cè)溫探頭常用醫(yī)用熱電偶、熱電阻探頭、光纖探頭等。醫(yī)用熱電偶、熱電阻探頭主要存在的問題是：一方面這種探頭受加熱的高頻電磁波的影響而不能準(zhǔn)確測(cè)定溫度，甚至于難以讀數(shù)；另一方面?zhèn)鞲衅鞯囊€可能會(huì)影響到磁場的分布等[14]，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。使用光纖探頭可以避免以上問題，但是價(jià)格比較昂貴。

3 測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)

激光消融的特色是應(yīng)用于消融周圍富含神經(jīng)、血管和重要器官的腫瘤組織，因此除了需要完全消融腫瘤組織外，掌握激光消融不同能量下的消融范圍，防止損傷附近的神經(jīng)、血管和重要器官變得非常重要。臨床上需求一種能夠簡單、方便、直觀地讓醫(yī)生通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)了解并掌握消融范圍的方法。經(jīng)過調(diào)研，我們認(rèn)為可以設(shè)計(jì)一套測(cè)溫裝置來滿足臨床的需求。根據(jù)腫瘤消融的原理，只要測(cè)得組織的溫度低于臨界溫度，可以認(rèn)為這部分組織沒有被消融，通過多點(diǎn)測(cè)溫的方法，讓醫(yī)生實(shí)時(shí)觀察消融有效區(qū)域內(nèi)部和外部各取樣點(diǎn)的實(shí)時(shí)組織溫度和變化曲線，使其對(duì)消融區(qū)域的范圍有感性的認(rèn)識(shí)。

在測(cè)溫方式的選擇上，由于我們的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是離體或活體動(dòng)物，不用擔(dān)心由于侵入式測(cè)溫而導(dǎo)致被測(cè)量對(duì)象的損傷，因此測(cè)溫方式我們采用有損測(cè)溫。在測(cè)溫探頭選擇上，由于是激光消融，不存在電磁場的干擾等因素，因此采用性價(jià)比較好的熱電偶探頭。

3.1 測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)

激光消融測(cè)溫裝置由溫度傳感器、多通道測(cè)溫儀與電腦顯示監(jiān)控和處理器構(gòu)成，見圖1所示。

圖1 測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of temperature measuring device

3.1.1 溫度傳感器

激光消融的消融光纖是通過21G的穿刺針導(dǎo)入，直徑為0.3 mm，根據(jù)廠家提供的資料，消融范圍為1.8 cm ×1.0 cm，為了精確地測(cè)定溫度，最大限度地降低本裝置對(duì)測(cè)溫的干擾，必須選擇盡可能細(xì)的熱電偶。

經(jīng)過調(diào)研，我們采用了美國OMEGA工業(yè)測(cè)量公司生產(chǎn)的TJ36-CASS-010G-6型熱電偶，其主要參數(shù)為：熱電偶直徑0.25 mm，可通過25G穿刺針，最大測(cè)量溫度可達(dá)500oC。

3.1.2 多通道測(cè)溫儀

根據(jù)測(cè)量的取樣點(diǎn)數(shù)決定選型，如果取樣點(diǎn)數(shù)較多，可選臺(tái)式，為了方便使用，可以選擇掌上型的，采樣頻率最高≥1 Hz，溫度精度≤0.5oC即可。測(cè)溫儀必須具備與電腦的通訊口，可上傳測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并提供在電腦上運(yùn)行的應(yīng)用軟件。我們采用的是Atest公司測(cè)溫儀，型號(hào)：DT-847UD，最大量程1370oC。

3.1.3 電腦顯示監(jiān)控和處理

常規(guī)手提電腦，能安裝測(cè)溫儀提供的測(cè)溫應(yīng)用軟件，主要用以實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)和溫度變化曲線，方便醫(yī)生觀察溫度變化。同時(shí)能夠以EXCEL格式存儲(chǔ)采集到的溫度數(shù)據(jù)，供后續(xù)分析使用。

3.2 測(cè)溫裝置的性能

根據(jù)臨床醫(yī)生的要求，主要參數(shù)是測(cè)溫精度≤0.5oC和采樣頻率≥1 Hz兩個(gè)參數(shù)，次要參數(shù)是溫度量程在0.5oC到500oC之間。

我們對(duì)本裝置性能進(jìn)行了分析，測(cè)溫精度取決于溫度傳感器和測(cè)溫儀的性能，采樣頻率精度取決于測(cè)溫儀的性能，溫度量程取決于溫度傳感器和測(cè)溫儀的性能。

我們?cè)谶x取溫度傳感器和測(cè)溫儀的供應(yīng)廠家時(shí)，和供應(yīng)廠家的技術(shù)人員進(jìn)行了探討，根據(jù)選取的溫度傳感器和測(cè)溫儀的技術(shù)參數(shù)，保證了本裝置的參數(shù)性能達(dá)到并超過臨床要求。

3.3 測(cè)溫裝置的離體動(dòng)物試驗(yàn)

將該裝置調(diào)試完成后，在臨床醫(yī)生幫助下，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：離體豬肉。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：引導(dǎo)穿刺針用的超聲成像儀、激光消融儀、本套測(cè)溫裝置。

實(shí)驗(yàn)用配件：穿刺針和激光消融光纖。

實(shí)驗(yàn)方法如下：

（1）在超聲引導(dǎo)下，根據(jù)預(yù)先計(jì)劃的布針方案進(jìn)行布針，熱電偶布針方案見圖2，以激光消融針為原點(diǎn)，距離0.6 cm、1.2 cm、1.8 cm、2.4 cm分別布好測(cè)量針，導(dǎo)入消融光纖和測(cè)溫?zé)犭娕肌?/p>

圖2 熱電偶布針方案圖Fig.2 Thermocouple array diagram

（2）模擬消融手術(shù)方案：計(jì)劃激光消融能量：1080 J，預(yù)設(shè)輸出功率：4 W，用腳踏開關(guān)控制激光持續(xù)時(shí)間：270 s。

（3）將熱電偶連接到測(cè)溫儀上，并將測(cè)溫儀通過通訊口與手提電腦相連接，打開電腦上的測(cè)溫儀應(yīng)用軟件，可實(shí)時(shí)顯示四通道的溫度變化曲線，并可將采集到的溫度數(shù)據(jù)以EXCEL格式文件保存在電腦中，供后續(xù)分析用。

（4）利用MS EXCEL分析保存溫度數(shù)據(jù)文件，繪制的溫度曲線，見圖3。

圖3 激光消融測(cè)溫曲線Fig.3 Laser ablation temperature curve

結(jié)合圖2熱電偶布針方案圖和圖3激光消融測(cè)溫曲線，可以觀察到：位置距離針尖0.6 cm的通道1熱電偶，升溫最快，最高超過100oC。位置距離針尖1.2 cm的通道2熱電偶，位置距離針尖1.8 cm的通道3熱電偶，升溫也較快，最高也超過80oC，都達(dá)到了消融所需的溫度。需要說明的是通道4熱電偶，位置距離針尖向2.4 cm處，在整個(gè)消融過程中，最高溫度始終低于40oC，小于42oC的最低滅活溫度，考慮到在人體消融時(shí)，血液循環(huán)會(huì)帶走一部分熱量，因此活體消融相同距離溫度通常比離體組織相同距離溫度要低，因此在實(shí)際消融時(shí)，如果使用4 W，1080 J的消融劑量，距離針尖2.4 cm處的組織屬于安全的區(qū)域。

4 討論

經(jīng)皮激光消融技術(shù)由于其精準(zhǔn)和安全，臨床更多地應(yīng)用于甲狀腺[15]、乳腺[16]等小器官和附近有重要器官的腫瘤消融，腫瘤組織周圍往往富含神經(jīng)、血管和重要器官，因此，臨床醫(yī)生在開始開展該手術(shù)時(shí)，對(duì)消融有效區(qū)域范圍的掌控非常重視，通常會(huì)先要求進(jìn)行離體或活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，使其對(duì)消融范圍有感性認(rèn)識(shí)，才開始進(jìn)行臨床工作。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的常用方法是使用激光系統(tǒng)消融離體豬肉、豬肝或活體動(dòng)物，肉眼觀察消融灶壞死程度，并取組織進(jìn)行病理檢查[17]，其中肉眼觀察消融效果，主要是看形態(tài)和顏色的改變，優(yōu)點(diǎn)是直觀方便，缺點(diǎn)是非常不精確。病理檢查看細(xì)胞是否壞死，優(yōu)點(diǎn)是精確，缺點(diǎn)是標(biāo)本需要送病理科，需要等待，不夠快速方便得到結(jié)果。醫(yī)生希望能夠提供一種更簡便直觀的方法。

我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)溫裝置經(jīng)過離體和活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)試用后，臨床醫(yī)生評(píng)價(jià)是方便有效，通過調(diào)節(jié)布針位置，能夠幫助醫(yī)生對(duì)激光消融范圍有直觀的認(rèn)識(shí)。臨床應(yīng)用中醫(yī)生反映主要存在的問題是：在超聲引導(dǎo)下進(jìn)行布針時(shí)，實(shí)際布針位置和理論上的計(jì)劃會(huì)有偏差；如何布針到位，減小偏差，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)多針保持住位置，不發(fā)生位移，操作上有一定的不方便性。我們后續(xù)準(zhǔn)備研發(fā)專用的多針穿刺引導(dǎo)裝置，方便醫(yī)生穿刺到位，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中幫助醫(yī)生固定所有測(cè)溫針，在實(shí)驗(yàn)過程中，特別是在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程中，盡量避免測(cè)溫針發(fā)生位移，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

微創(chuàng)技術(shù)在臨床的應(yīng)用越來越廣泛，其中熱消融技術(shù)是其中重要的一個(gè)分支，該技術(shù)在腫瘤治療中越來越成熟，隨著使用的推廣，特別是從三級(jí)甲等醫(yī)院向基層醫(yī)院推廣的過程中，我們相信，本套測(cè)溫裝置也會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。