江雄鷹 陳棟 倪嘉延 王衛(wèi)東 駱江紅 陳耀庭 孫宏亮 許林鋒

·基礎(chǔ)研究·

2450 MHz與915 MHz微波消融離體牛肝：消融范圍、能量輸出與轉(zhuǎn)化的差異

江雄鷹 陳棟 倪嘉延 王衛(wèi)東 駱江紅 陳耀庭 孫宏亮 許林鋒

目的 探討2450 MHz水冷循環(huán)與915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融離體牛肝在毀損范圍、能量輸出以及能量轉(zhuǎn)化方面的差異。方法 新鮮離體牛肝10副，重量為5.2～6.5 kg。實(shí)驗(yàn)分為A組和B組，A組為2450 MHz水冷循環(huán)微波消融組，B組為915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融組。每組分別對(duì)離體牛肝進(jìn)行10、20、30、40 min的消融實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)兩種消融系統(tǒng)在毀損范圍（平均徑、體積、類圓率）、能量輸出以及能量轉(zhuǎn)化方面的數(shù)據(jù)，并比較其差異。結(jié)果 A組和B組的消融平均徑隨著消融時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大。B組的消融平均徑顯著大于A組（P均＜0.001）。消融體積在10和20 min時(shí)兩組間無(wú)明顯差異（P=0.44、0.65），消融30 min以后，B組消融體積顯著大于A組（P＜0.001）。B組消融灶的平均徑最大可達(dá)6.5 cm，消融體積最大為112.20 cm3（消融40 min）。A組的消融灶類圓率較B組更接近于1（P均＜0.001），A組消融灶的類圓性更好。在能量輸出方面，A組顯著高于B組（P均＜0.001），相同消融時(shí)間A組能量輸出為B組的2倍以上。但能量轉(zhuǎn)化效率方面，B組顯著高于A組（P均＜0.001）。結(jié)論 2450 MHz水冷循環(huán)微波具有更高的能量輸出和類圓性更好的消融范圍，但915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波的能量轉(zhuǎn)化效率更高，所獲得的消融范圍更大。

微波消融； 牛肝； 消融范圍； 消融灶類圓率； 能量轉(zhuǎn)化； 能量轉(zhuǎn)化效率

原發(fā)性肝癌（簡(jiǎn)稱肝癌）在我國(guó)高發(fā)，患者常由于肝硬化嚴(yán)重、肝功能差、腫瘤發(fā)生位置特殊等原因不能接受手術(shù)切除[1]。以射頻消融為代表的局部消融治療已逐漸成為肝癌手術(shù)切除的替代治療方法[2-3]。局部消融治療具有損傷小、療效確切、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于直徑小于3 cm的肝癌，射頻消融治療是與手術(shù)切除相媲美的治療手段[4]。微波消融是近年來(lái)迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于肝癌治療的局部消融方法。相對(duì)于射頻消融，微波消融具有消融范圍大、消融灶類圓性好、受血流的“熱沉效應(yīng)”影響小等優(yōu)點(diǎn)，有望成為肝癌局部消融的首選治療方法[5-6]。

我國(guó)是早期應(yīng)用微波消融治療肝癌的國(guó)家，早在上世紀(jì)九十年代，董寶瑋、吳孟超等老一輩學(xué)者分別以超聲引導(dǎo)或開(kāi)腹直視下的方式采用微波消融治療肝癌患者[7-8]。在隨后的十多年里，微波消融治療肝癌在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)學(xué)者梁萍等[9-10]研究了有水冷循環(huán)的915和2450 MHz微波消融系統(tǒng)的升溫特點(diǎn)和消融范圍，結(jié)果顯示915 MHz水冷循環(huán)微波系統(tǒng)具有更高的組織升溫作用和更大的消融范圍。但對(duì)比2450 MHz水冷循環(huán)與915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)的文章仍少有報(bào)道，尤其是比較不同波段微波消融系統(tǒng)在能量輸出、能量轉(zhuǎn)化方面的文獻(xiàn)仍尚未有報(bào)道。為此，本研究分別采用2450 MHz水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)與915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)對(duì)離體牛肝進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)，對(duì)比這兩種消融系統(tǒng)所產(chǎn)生消融范圍、形態(tài)特點(diǎn)、能量輸出、能量轉(zhuǎn)化等方面的差異。

材料與方法

一、材料和設(shè)備

從屠宰場(chǎng)購(gòu)買當(dāng)天屠宰的新鮮離體牛肝10副，重5.2～6.5 kg。

2450 MHz水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)（南京億高ECO-100A，中國(guó)）：微波輸出頻率（2450±10）MHz，消融前設(shè)定固定輸出功率和消融時(shí)間。消融過(guò)程中微波主機(jī)以所設(shè)定的功率恒定輸出微波能量，根據(jù)固定功率和消融時(shí)間可計(jì)算能量輸出。14G微波天線內(nèi)具有中空管道可外接水冷循環(huán)泵，可持續(xù)向微波天線灌注冷卻水。根據(jù)廠家推薦，該微波系統(tǒng)的優(yōu)選輸出功率為60 W[5]。

915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)（Avecure Microwave Generator， Medwaves，美國(guó)）：微波輸出頻率(915±13)MHz，微波天線末端具有測(cè)溫電偶，監(jiān)測(cè)消融過(guò)程中微波天線周圍溫度，根據(jù)溫度反饋可自動(dòng)調(diào)節(jié)功率輸出，消融結(jié)束時(shí)在主機(jī)中顯示總能量輸出[11]。消融前需設(shè)定微波天線消融時(shí)間。14G微波天線內(nèi)無(wú)水冷循環(huán)。

二、實(shí)驗(yàn)分組

根據(jù)消融系統(tǒng)的不同，將實(shí)驗(yàn)分成兩組。A組為2450 MHz水冷循環(huán)微波消融實(shí)驗(yàn)組，B組為915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波消融實(shí)驗(yàn)組。兩組分別進(jìn)行10、20、30、40 min消融，為減少誤差，每個(gè)消融持續(xù)時(shí)間各進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行40次微波消融實(shí)驗(yàn)。

三、測(cè)量與計(jì)算

消融結(jié)束后，沿微波天線針道切開(kāi)肝臟組織，針道中心為灰白色區(qū)域，與鮮紅色正常肝組織分界清楚（圖1），灰白色區(qū)域被認(rèn)定為消融毀損范圍[12]。分別由兩位研究人員明確毀損范圍，測(cè)量平行針道的最長(zhǎng)徑線為消融灶縱徑（Longitudinal Diameter, LD），垂直針道的最長(zhǎng)徑線為消融灶橫徑（Transverse Diameter, TD）。消融灶平均徑（Mean Diameter，MD）為縱徑和橫徑的平均值，消融灶類圓率（Sphericity Ratio, SR）以縱徑與橫徑的比值表示（圖2）。類圓率越接近1，消融灶類圓性越好[5]。消融體積計(jì)算公式V=π×LD×TD2/6[13]。A組中根據(jù)輸出功率及消融時(shí)間的乘積計(jì)算能量輸出（Total deposited energy, E）。B組消融結(jié)束后直接顯示能量輸出。能量轉(zhuǎn)化效能為消融體積與能量輸出的比值（R=V/E）。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 15.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，消融毀損灶平均徑、體積、類圓率、能量輸出和能量轉(zhuǎn)化結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示。兩組間差異的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

一、消融毀損灶特征

A組和B組的消融灶平均徑隨著消融時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大。在各個(gè)消融持續(xù)時(shí)間里，B組的消融灶平均徑均大于A組（P均＜0.001）。消融時(shí)間為10和20 min時(shí)，兩組消融體積無(wú)明顯差異（P分別為0.44、0.65），但消融30 min以后，B組消融灶的體積大于A組（P＜0.001）。在消融40 min時(shí)，A組和B組的消融范圍達(dá)到最大，其中A組的最大平均徑和最大體積分別為5.42 cm、75.13 cm3，B組為6.50 cm，112.20 cm3。類圓率方面，A組較B組更接近于1（P均＜0.001），A組消融灶的類圓性更好，見(jiàn)表1。

圖1 消融灶大體觀。

圖2 微波毀損灶測(cè)量方法。

表1 兩組間消融毀損灶平均徑、體積、類圓率、能量輸出和能量轉(zhuǎn)化情況比較

二、能量輸出與轉(zhuǎn)化

A組的能量輸出均高于B組（P均＜0.001），同一消融時(shí)間內(nèi)A組的能量輸出為B組的2倍以上。而能量轉(zhuǎn)化為消融組織的效率方面，B組的能量轉(zhuǎn)化率顯著高于A組（P均＜0.001）。隨著消融時(shí)間的延長(zhǎng)，A組的能量轉(zhuǎn)化效率未有明顯的提高，而B(niǎo)組的能量轉(zhuǎn)化效率逐漸增大。

討 論

腫瘤微波消融的原理是通過(guò)微波天線發(fā)射高頻電磁波，形成電磁波場(chǎng)，高頻電磁波帶動(dòng)極性分子相互碰撞摩擦，產(chǎn)生大量熱量，使組織溫度超過(guò)50 ℃而發(fā)生不可逆熱損傷的熱消融過(guò)程[14-15]。相對(duì)于射頻消融，微波消融具有更快的組織溫度上升作用和更大的消融毀損范圍[16-17]。理想的微波消融是能夠在短時(shí)間內(nèi)形成消融體積大、類圓性好的消融范圍。不同廠家的微波系統(tǒng)有著不同的特點(diǎn)，其主要差別在于微波輸出頻率和微波天線設(shè)計(jì)，915 MHz和2450 MHz是目前最廣泛使用的2種微波頻率，微波天線具備水冷循環(huán)或無(wú)水冷循環(huán)是最常見(jiàn)的天線設(shè)計(jì)模式。本文比較了915 MHz無(wú)水冷循環(huán)微波系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱915 MHz系統(tǒng)）和2450 MHz水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱2450 MHz系統(tǒng)）在所形成消融灶的大小、類圓率、能量輸出以及能量轉(zhuǎn)化等方面的消融差異。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同消融時(shí)間下，915 MHz系統(tǒng)的消融灶平均徑顯著高于2450 MHz系統(tǒng)，但消融10 min和20 min時(shí)兩種系統(tǒng)的消融體積卻無(wú)差異。這是由于915 MHz系統(tǒng)所產(chǎn)生的消融灶類圓率在該時(shí)間段分別為2.49和1.98，而2450 MHz系統(tǒng)為1.36和1.27，后者類圓率更接近于1，其類圓性更好。類圓性越好的消融灶所獲得的消融體積相對(duì)越大，因此盡管915 MHz系統(tǒng)的消融灶平均徑顯著大于2450 MHz系統(tǒng)，但由于消融灶形態(tài)學(xué)上的差異，導(dǎo)致兩組間在消融10和20 min時(shí)消融體積無(wú)差異。隨著消融時(shí)間的延長(zhǎng)，915 MHz系統(tǒng)的消融灶類圓率由最初的2.49到1.47，類圓性逐漸變好。因此，依靠消融灶平均徑的增加和消融灶類圓性的改善，915 MHz系統(tǒng)的消融體積迅速增大，并在消融30 min以后顯著高于2450 MHz系統(tǒng)。提示我們?cè)谂R床應(yīng)用中，2450 MHz系統(tǒng)對(duì)于較小的類圓形病灶可能具有較好的消融效果，而915 MHz系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于長(zhǎng)時(shí)間消融，能夠毀損范圍較大的病灶。為了克服915 MHz系統(tǒng)消融灶類圓性較差的缺點(diǎn)，可采用雙針同步消融或延長(zhǎng)消融時(shí)間的方式改善消融類圓率。

微波能量輸出是影響消融灶范圍的主要因素之一，輸出越高，消融范圍越大[5,11,13]。張亮等[18]采用2450 MHz水冷循環(huán)微波消融系統(tǒng)對(duì)離體豬肝進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：主機(jī)設(shè)定輸出功率為60 W時(shí)，實(shí)際針尖熱沉積功率僅有34.32 W。該作者認(rèn)為微波消融的功率存在許多不確定因素，電纜耗損和微波天線損耗將微波能量轉(zhuǎn)化為無(wú)效熱量散失。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2450 MHz系統(tǒng)的能量輸出顯著高于915 MHz系統(tǒng)，在同等條件下前者的能量輸出為后者的2倍以上。但在能量轉(zhuǎn)換為消融體積的效率方面，2450 MHz系統(tǒng)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及915 MHz系統(tǒng)?？紤]其原因可能是：第一，頻率為915 MHz的微波能量較2450 MHz具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，傳導(dǎo)過(guò)程中耗損少，組織內(nèi)的穿透作用強(qiáng)，消融過(guò)程中能量散失少，能量轉(zhuǎn)化為有效熱沉積效應(yīng)更高[9-10]。第二，2450 MHz系統(tǒng)的微波天線自帶水冷循環(huán)系統(tǒng)，消融過(guò)程中冷卻水持續(xù)帶走熱量，部分熱沉積能量被冷卻水吸收后循環(huán)至組織外散失。而915 MHz系統(tǒng)微波天線無(wú)水冷循環(huán)裝置，熱量在局部緩慢沉積，無(wú)冷卻系統(tǒng)的額外散失。

本實(shí)驗(yàn)存在的不足之處：本實(shí)驗(yàn)采用離體牛肝進(jìn)行微波消融實(shí)驗(yàn)，缺少活體狀態(tài)下的“血沉效應(yīng)”。而且牛肝組織與腫瘤組織的成分具有差別。為更準(zhǔn)確反映這兩種消融系統(tǒng)的差異，還需要進(jìn)行活體狀態(tài)下動(dòng)物腫瘤模型的消融實(shí)驗(yàn)。

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2450 MHz and 915 MHz microwave ablation in ex vivo bovine livers: the difference in ablation zone, energy and energy conversion

Jiang Xiongying , Chen Dong, Ni Jiayan, Wang Weidong, Luo Jianghong, Chen Yaoting, Sun Hongliang, Xu Linfeng. Department of Interventional Radiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, China

Xu Linfeng, Email: Xulf1@21cn.cn.net

Objective To compare ablation zone, total deposited energy and energy conversion effciency between 915 MHz non-cooled shaft and 2450 MHz cooled shaft microwave ablation in ex vivo bovine livers. Methods Experiment was carried out in ten fresh excised bovine livers weight 5.2-6.5 kg. The ten livers were divided into two groups, with Group A be 2450 MHz cooled shaft microwave ablation, and Group B be 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation. In each group, different ablation durations (10, 20, 30, and 40 minutes) were evaluated. We compared coagulation diameters and volume, sphericity ratio, deposited energy, energy conversion efficiency in each ablation time. Results Compare to Group B, the mean coagulation volume and transverse diameter were signifcantly greater with Group A and longitudinal diameter was lower (P＜0.001). The sphericity ratio was closer to 1 with Group A. Total deposited energy with Group A was signifcantly larger than in Group B. The value of total deposited energy with Group A was about two times with Group B in the same ablation duration. The energy conversion efficiency between the two groups was not statistically significantly differ for 10 minutes ablation but increased signifcantly with Group B than with Group A from 20 minutes to 40 minutes (P＜0.05 in all). Conclusions Due to more energy deposition, 2450 MHz cooled shaft microwave ablation can create substantially larger and more spherical ablation lesionsthan 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation. But the energy conversion effciency with 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation is higher.

Microwave ablation; Bovine liver; Ablation zone; Sphericity ratio; Energy conversion; Energy conversion effciency

2015-12-13）

（本文編輯：王劍鋒）

10.3877/cma.j.issn.2095-5782.2016.01.011

510120 廣州，中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院介入放射科

許林鋒，Email：Xulf1@21cn.cn.net

江雄鷹，陳棟，倪嘉延，等.2450 MHz與915 MHz微波消融離體牛肝：消融范圍、能量輸出與轉(zhuǎn)化的差異[J/CD].中華介入放射學(xué)電子雜志，2016,4（1）：39-43.