激光在肺組織消融灶與輸出功率、能量的效應(yīng)觀察研究

崔琪浩 俞小衛(wèi)

近年來,熱消融技術(shù)在肺癌的治療中應(yīng)用越來越多,為不可手術(shù)的肺癌患者提供了新的治療選擇。熱消融既做到了對瘤灶進行直接損毀,又能最大限度地保留肺功能,相較手術(shù)切除不僅損傷小,操作時間短,且費用更少[1],射頻消融與微波消融已在原發(fā)性肺癌(特別是磨玻璃結(jié)節(jié)(Ground-glass nodule, GGN)型肺癌)與肺轉(zhuǎn)移癌治療中獲得良好療效[2-4]。激光消融作為熱消融技術(shù)之一,其原理為組織中的生色基團吸收激光束中的光子并轉(zhuǎn)化為熱能,當組織被加熱到高于60℃并持續(xù)一定時間,蛋白質(zhì)則發(fā)生凝固變性,同時也可伴隨其他熱效應(yīng)的產(chǎn)生包括汽化和炭化,從而達到殺死腫瘤細胞的目的[5],目前雖已在肝癌、甲狀腺腫瘤等治療中廣泛應(yīng)用[6-7],但在肺癌治療中尚未普及,激光消融具有目標精準、損傷小、并發(fā)癥少等獨特優(yōu)勢,相信在肺癌的治療中會有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過對激光在不同功率、能量下對肺組織消融的效應(yīng)觀察研究,探索出相關(guān)參數(shù),為臨床肺部腫瘤的激光消融治療提供參考。

資料與方法

一、實驗設(shè)備

VELAS30B半導(dǎo)體激光治療儀由武漢博激世紀科技有限公司提供,波長為980nm,輸出功率0～30W,輸出方式:連續(xù)脈沖,光纖直徑為600μm由南京春輝科技實業(yè)公司提供,18G同軸引導(dǎo)活檢針由廣州啟和醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)。

二、實驗對象

新鮮離體豬肺24只,每只豬肺重量在2kg左右,離體時間不超過8h,由江蘇凌家塘農(nóng)副產(chǎn)品批發(fā)市場提供。

三、實驗方法

1 實驗分組

實驗設(shè)定4個功率組別:3W,5W,10W,15W,每個功率組下又分7個能量組:300J,600J,900J,1200J,1500J,1800J,2100J,共28個消融參數(shù)組合,每個消融參數(shù)重復(fù)6 次,共計168個消融灶。

2 實驗步驟

四、統(tǒng)計方法

結(jié) 果

一、離體實驗

1 大體觀察

實驗中觀察到激光消融形成的空腔為光纖向前發(fā)射形成,消融灶起始端與光纖裸露端起點重合,消融灶空腔內(nèi)表面可見黑色炭化組織,向外為呈棕褐色改變的壞死組織,再向外為粉紅色正常肺組織,說明激光消融可以形成有清晰邊界的組織損傷區(qū)域(見圖1)。

圖1 5W/1200J時離體豬肺消融灶形態(tài)

2 消融灶大小、形狀與功率、能量關(guān)系

(1)相同功率時消融灶大小隨能量變化關(guān)系

① 隨著能量的增大,消融灶長徑、短徑、厚徑不斷增大,但以長徑增大為主,長徑大于短徑、厚徑,即激光前向作用大于側(cè)向作用(見圖2、表1～3)。

圖2A 3W組消融灶各徑線隨能量增長變化趨勢圖 圖2B 5W組消融灶各徑線隨能量增長變化趨勢圖 圖2C 10W組消融灶各徑線隨能量增長變化趨勢圖 圖2D 15W組消融灶各徑線隨能量增長變化趨勢圖

表1 不同消融參數(shù)消融灶長徑(mm)

表2 不同消融參數(shù)消融灶短徑(mm)

表3 不同消融參數(shù)消融灶厚徑(mm)

② 消融灶體積隨能量增加而增加(見圖3)。當消融功率為3W時,消融能量超過1500J后,消融灶體積增長緩慢,能量為1500～2100J時,相鄰兩能量組消融灶體積差異無統(tǒng)計學(xué)意義,P值分別為(0.143,0.705);消融功率為5W時,消融能量超過1800J后消融體積基本保持不變,1800J與2100J消融灶體積差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.625);消融功率為10W及15W時,消融灶體積隨能量增長未出現(xiàn)平臺期,各能量之間消融灶體積差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

圖3 各功率組消融灶體積隨能量增長變化趨勢圖

(2) 相同能量時消融灶大小隨功率變化關(guān)系

能量相同時,消融灶體積隨功率增大而增大。當能量在300J～900J時,消融灶體積隨功率增大而增大,然而并非各功率組間差異均存在統(tǒng)計學(xué)意義;當能量在1200J～2100J時,消融灶體積隨功率增大增長顯著,各功率組間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)(見表4)。

表4 不同消融參數(shù)消融灶體積(mm3)

(3) 不同功率組間消融灶形狀比較

[以球度系數(shù)(Φ)評估消融灶形狀,球度系數(shù)范圍為:0～1,越接近于1代表形狀約接近于球形]

隨機區(qū)組方差分析顯示功率是消融灶球度系數(shù)顯著性影響因素(P<0.05),多重比較顯示10W組及15W組球度系數(shù)明顯小于3W及5W組球度系數(shù),差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05),15W組球度系數(shù)略小于10W組(P=0.568>0.05),5W組球度系數(shù)略小于3W組(P=0.203>0.05),但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(見表5)。結(jié)合大體消融灶形態(tài)可得出:高功率組即10W與15W組消融灶呈長條狀,與多為球形的肺部瘤灶適配性差,臨床不建議選用高功率進行肺部瘤灶的激光消融,相反低功率組(3W組和5W組)更佳具有適形性(見圖4)。

圖4 不同功率組離體豬肺消融灶形態(tài)對比(注:10W與15W消融灶呈長條狀,3W與5W消融灶較接近球形)

表5 不同消融參數(shù)消融灶球度系數(shù)

討 論

本實驗中,大體消融灶可見與周圍正常肺組織界限分明的壞死性區(qū)域,消融效果確切。消融灶由內(nèi)向外分別為空腔區(qū)(當溫度超過100°C時,肺組織汽化所形成),炭化層,凝固壞死區(qū)(溫度在60℃～100℃區(qū)間組織凝固壞死造成)。我們還發(fā)現(xiàn),激光由光纖向前方發(fā)射對組織造成摧毀,從而消融灶均發(fā)生在光纖前端,這意味著臨床上針對瘤灶激光消融時,我們僅需將穿刺針及光纖置于瘤灶前端,一定程度上能夠降低了消融完畢后退針造成腫瘤轉(zhuǎn)移的風(fēng)險。相反,射頻消融及微波消融基于其消融灶形成特點需要將穿刺針置入瘤灶后端導(dǎo)致針道轉(zhuǎn)移事件時有發(fā)生[8-9]。

在消融灶形狀方面,射頻消融和微波消融能量向四周發(fā)散較均勻,形成的消融灶多呈橢球型,但激光消融灶的長徑明顯大于短徑與厚徑,可見激光的前向作用明顯強于側(cè)向作用,并且在高功率組中更加明顯。能量相同,雖然選用高功率(10W與15W)燒蝕出的消融灶的體積大于低功率(3W與5W),能在短時間內(nèi)產(chǎn)生更大體積的消融灶,具有高能效性的特點,但是根據(jù)球度系數(shù)與大體消融灶觀察可見,高功率組的消融灶呈長條狀,球度系數(shù)顯著小于低功率組,這可能與高功率激光前沖力更強有關(guān)。適形性一直以來是消融術(shù)中的關(guān)注重點,臨床上的肺部瘤灶以球形為主,因此高功率激光消融灶與之并不適配。相反,低功率組別即3W組與5W組的消融灶更接近球形,適形性更佳,臨床激光消融肺部瘤灶時更推薦選擇在10W以下的低功率下進行。

在消融灶大小方面,實驗中我們觀察到消融灶體積隨能量與功率的增大而增大,基于適形性討論的結(jié)果,并結(jié)合考慮到減少激光消融術(shù)時間,相較3W,我們更推薦選擇5W作為較佳激光消融功率。功率為5W時,當能量到達1800J后,消融灶體積增長進入平臺期。消融參數(shù)為(5W,1800J)時,離體肺組織消融灶體積約1.2cm3,因此,單針激光消融更適用于小于1cm的肺部瘤灶治療。與激光消融不同,微波由于熱效能高,在短時間內(nèi)即產(chǎn)生較大消融范圍,適合大于3cm的瘤灶,在對微小瘤灶消融時,激光消融術(shù)的消融范圍的高度可控性更佳凸顯優(yōu)勢,使瘤灶周圍正常肺組織損傷最小化。有趣的是,在一項離體肝組織激光消融的實驗也顯示當功率為5W時,能量達1800J后消融灶體積無明顯增長,但此時肝組織的消融灶體積已經(jīng)達到2cm3[10]。有研究認為激光消融的效果受到激光波長、激光參數(shù)設(shè)置(激光功率、激光能量)以及靶組織的生物學(xué)特性(水分、密度)等多因素影響[11]。肺組織與肝臟的生物學(xué)特性存在明顯差異,肺組織疏松,密度小于肝臟,肺泡腔內(nèi)含有氣體,使得激光的光熱傳導(dǎo)受阻,從而出現(xiàn)相同消融參數(shù)條件下消融灶較肝臟小。此外該實驗使用的1064nm釹:釔鋁石榴石晶體(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet, Nd:YAG)激光與本實驗使用的980nm半導(dǎo)體激光不同,這也可能是造成差異的原因。

至于低功率組別隨能量增大消融灶體積平臺期的出現(xiàn),結(jié)合大體消融灶形態(tài)我們發(fā)現(xiàn),隨著能量的積累,消融灶空腔內(nèi)壁的炭化層不斷增厚,纖韌的炭化層明顯阻礙了激光能量向四周傳導(dǎo),因此出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。如何克服組織炭化對激光消融灶體積的限制是今后需要關(guān)注的問題。目前有病例報道將新型環(huán)狀光纖應(yīng)用于肝癌術(shù)后復(fù)發(fā)合并門靜脈癌栓的激光消融治療,該研究者認為環(huán)形光纖與普通圓柱形光纖散焦出光不同,其末端呈圓環(huán)狀作用于腫瘤組織,能量均勻,燒灼形狀呈圓形,消融灶范圍與功率呈良好線性關(guān)系[12]。雖然目前新型光纖的臨床應(yīng)用案例極為稀少,但為解決激光消融體積受限問題提供了可能性。此外,Rosenberg C.等[13]報道了水冷循環(huán)激光裝置的應(yīng)用,該裝置在光纖周圍帶有冷卻導(dǎo)管,通過向?qū)Ч軆?nèi)注水循環(huán)冷凝阻止消融過程中溫度過高所致的組織炭化,值得我們關(guān)注。

結(jié) 論

980nm半導(dǎo)體激光消融肺組織效果確切,消融灶體積隨輸出能量和功率增加而增加。高功率消融灶體積雖較低功率大,呈現(xiàn)長條形,球形系數(shù)低,臨床應(yīng)用適形性低。對于肺部瘤灶激光消融,推薦輸出功率10W以下為宜,5W為較適宜消融功率,消融能量選擇不超過1800J為宜,單針激光消融適用于1cm以下的肺瘤灶。