董 彤 田 甄 聶曉慧 南 群

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124)

注射不同液體對(duì)微波消融溫度場(chǎng)的離體實(shí)驗(yàn)研究

董 彤 田 甄 聶曉慧 南 群#*

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124)

研究不同注射液體、注射量對(duì)于微波消融溫度場(chǎng)的影響。在加熱功率60 W、加熱時(shí)間10 min的情況下，利用新型注射型微波天線(xiàn)進(jìn)行消融離體肝臟的實(shí)驗(yàn)研究，并且于加熱過(guò)程中分別注射生理鹽水和無(wú)水乙醇液體，注射量依次為0、10、20 mL。根據(jù)測(cè)溫針采集的溫度數(shù)據(jù)，利用Matlab計(jì)算消融區(qū)域的范圍(高于60℃區(qū)域)。通過(guò)對(duì)離體肝臟的消融面積、體積、橫徑和縱徑的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)注射兩種液體均可有效增大消融范圍，與無(wú)液體注射相比面積增大率的范圍在29.1%～72.0%之間，體積增加率在45.2%～141.8%之間；當(dāng)注射液體體積由10 mL增加到20 mL時(shí)，生理鹽水組的面積增加率為8.8%，無(wú)水乙醇組的面積增加率為28.8%。因此，聯(lián)合液體注射可以擴(kuò)大微波消融范圍，并且隨著注射體積的增加，消融范圍擴(kuò)大；微波聯(lián)合無(wú)水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水。

微波消融；生理鹽水；無(wú)水乙醇；離體牛肝；消融范圍

引言

肝細(xì)胞肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)位居全球惡性腫瘤發(fā)病率第5位，死因第3位，被稱(chēng)為是“癌中之王”[1]。我國(guó)是肝癌大國(guó)，新發(fā)病逐年攀升，并且其發(fā)病率與死亡率幾乎相同[2]。在我國(guó)，肝癌現(xiàn)已成為繼肺癌之后的第2位殺手[3]。目前對(duì)于肝癌的治療，最有效的方法是進(jìn)行肝移植或者肝切除手術(shù)。然而，由于受身體健康狀況、肝硬化程度、腫瘤大小、數(shù)目和部位等各種條件限制，真正適合手術(shù)切除的僅占所有患者的25%左右[4]。

微波消融( microwave ablation, MWA )具有痛苦小、操作簡(jiǎn)便、可反復(fù)施行、療效確切等優(yōu)點(diǎn)，為肝癌的局部治療提供了一種新途徑[5]。MWA是借助醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的引導(dǎo)對(duì)腫瘤靶區(qū)進(jìn)行定位，將微波輸入局部，當(dāng)局部溫度迅速升高達(dá)有效治療溫度54℃或60℃以上時(shí)細(xì)胞即刻發(fā)生凝固壞死，達(dá)到原位滅活腫瘤的一種治療手段[6]。隨著微波消融術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，其安全有效性已經(jīng)在臨床上得到了一定的證實(shí)，但是仍存在一定的局限性和弊端。從目前的臨床數(shù)據(jù)上來(lái)看，更多消融過(guò)程是應(yīng)用于單針的天線(xiàn)。然而，由于微波本身的物理特性以及肝臟的供血特點(diǎn)，單針天線(xiàn)一般適用于體積較小且數(shù)量單一的腫瘤，對(duì)于體積較大、非單一以及存在特殊位置的腫瘤可以采取分時(shí)或者多針加熱的手段，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則腫瘤的消融[7]。微波消融腫瘤的完全壞死率會(huì)隨著腫瘤體積的增大而降低，因此如何增加單針天線(xiàn)消融范圍從而擴(kuò)大適應(yīng)癥是目前的主要研究方向之一[8]。

研究表明，射頻消融治療體積較大的腫瘤時(shí)，采用注射液體(鹽水、乙酸、乙醇)的方法來(lái)擴(kuò)大消融區(qū)的范圍。由于鹽水、乙酸、乙醇等可以改變組織的電導(dǎo)率，可防止電極表面的組織產(chǎn)生血凝及組織炭化等使阻抗明顯增高的現(xiàn)象，減少能量的損失，因此可導(dǎo)致熱量的增加，從而顯著擴(kuò)大消融區(qū)域的范圍[9]。

雖然微波與射頻的致熱原理存在差異，但注射型微波消融，不僅增加了組織中的含水量，增加了熱量的吸收，同時(shí)也提高了微波能量轉(zhuǎn)化為熱量的效率，從而為擴(kuò)大消融區(qū)域的范圍提供了技術(shù)保證。因此，為驗(yàn)證不同注射液體和注射量對(duì)于微波消融區(qū)域范圍的影響提供一定的技術(shù)支持。

范伯強(qiáng)等通過(guò)聯(lián)合注射無(wú)水乙醇對(duì)兔肝腫瘤進(jìn)行了微波消融的治療[10]，從而證明了其方法的安全有效性。然而，盡管聯(lián)合消融在這個(gè)腫瘤模型上取得較好的結(jié)果，但其研究仍有一些局限性：腫瘤規(guī)模較小，不能模擬大腫瘤的臨床效果，且消融功率較小，消融時(shí)間較短，對(duì)臨床的參考價(jià)值較低。本實(shí)驗(yàn)采用了生理鹽水跟無(wú)水乙醇兩種液體來(lái)進(jìn)行微波消融離體實(shí)驗(yàn)的研究，并提高了消融功率和消融時(shí)間，在相同條件下對(duì)比兩種液體對(duì)消融范圍和溫度場(chǎng)的影響，以驗(yàn)證擴(kuò)大消融區(qū)域的理論，從而為臨床醫(yī)療提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)采用MTC-3微波發(fā)射儀，該儀器是由南京慶海微波電子研究所設(shè)計(jì)并制造，同時(shí)此系統(tǒng)配有低損耗的同軸電纜傳輸線(xiàn)。表1為該微波儀的工作條件和一些主要的性能參數(shù)。

表1 微波儀的工作條件和主要性能參數(shù)

天線(xiàn)采用裂隙發(fā)射，裂隙寬1.5 mm，距前端13 mm。為了防止微波天線(xiàn) ( 直徑為1.9 mm，長(zhǎng)150 mm)與組織黏接，表面附有涂層。在其裂隙后沿20mm處有一出水孔，當(dāng)按壓注射器后，液體可從注射管流入天線(xiàn)內(nèi)部的液體管道，并從出水孔流出，進(jìn)入消融區(qū)域。當(dāng)注射液體流入消融區(qū)域后，可使其中心溫度降低，減少碳化，熱量隨著液體的滲透向周?chē)鷶U(kuò)散，從而達(dá)到擴(kuò)大消融范圍的效果。圖1為微波天線(xiàn)及注射器。

圖1 微波天線(xiàn)及注射器Fig. 1 Microwave antenna and syringes

實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)采集儀是安捷倫公司(Agilent)所生產(chǎn)的34972A多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集儀。Agilent34972A擁有6位半分辨率(22bit)、0.004%的基本直流電壓精度以及極低的讀數(shù)噪聲， 250通道/s掃描速率，利用Agilent Bench Link Data Logger軟件設(shè)置測(cè)試參數(shù)，采集并歸檔測(cè)量數(shù)據(jù)，以及對(duì)輸入的測(cè)量數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)顯示和分析。

實(shí)驗(yàn)中采用的循環(huán)水泵為蘭格BT09-100，水泵上有旋鈕可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，控制實(shí)驗(yàn)所需水流速度，上方的數(shù)字代表十位，下方的數(shù)字代表個(gè)位，本實(shí)驗(yàn)要求將轉(zhuǎn)速調(diào)至40 r/min。通過(guò)水循環(huán)裝置防止天線(xiàn)溫度過(guò)高導(dǎo)致組織炭化的現(xiàn)象，為微波消融實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。圖2為循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)。

圖2 循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)Fig.2 The water circulation structure

1.2 測(cè)溫點(diǎn)的排布

為了固定天線(xiàn)和測(cè)溫針，在放置牛肝的裝置上部分別標(biāo)注了r軸與z軸的位置，其中r軸垂直于微波天線(xiàn)，z軸與微波天線(xiàn)平行，在r軸正方向即以天線(xiàn)位置為中心的牛肝右半部分布測(cè)溫針。由于測(cè)溫針采集的主要為60℃左右的溫度，根據(jù)消融區(qū)域的特點(diǎn)，采取內(nèi)疏外緊的排布方案，即最靠近天線(xiàn)的區(qū)域布置少量的測(cè)溫針，60℃邊界附近布置較多的測(cè)溫針，從而得到準(zhǔn)確的60℃等溫線(xiàn)圖。

圖3 測(cè)溫針排布Fig. 3 temperature measuring needle configuration

水平方向r垂直于天線(xiàn)的方向，水平布置6個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，第1個(gè)采集點(diǎn)在天線(xiàn)所在位置，采集點(diǎn)間隔10 mm，為了得到更為準(zhǔn)確的等溫線(xiàn)圖，在邊緣處將采集點(diǎn)間隔改為5 mm，于是得到r=0，±10，±20，±30，±40，±45 mm 的測(cè)溫點(diǎn)。

豎直方向z平行于天線(xiàn)方向，豎直方向上每間隔5 mm布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，而將第一列只留下兩個(gè)關(guān)鍵位置的測(cè)溫點(diǎn)，分別是天線(xiàn)尖端和天線(xiàn)裂隙，兩點(diǎn)間距大約在15 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要包括8個(gè)步驟。

步驟1：在離體肝臟復(fù)溫到37℃后，將肝臟放入消融裝置中，同時(shí)將微波天線(xiàn)和測(cè)溫針插入肝臟體內(nèi)，并連接微波消融儀器和水冷裝置。

步驟2：校準(zhǔn)微波發(fā)射儀，將功率調(diào)至60 W，設(shè)定加熱時(shí)間為10 min，用注射器抽取10 mL(20 mL)生理鹽水(無(wú)水乙醇)，并與微波天線(xiàn)相連。

步驟3：開(kāi)啟采集器，在點(diǎn)擊開(kāi)始采集數(shù)據(jù)的同時(shí)開(kāi)啟微波發(fā)射儀，開(kāi)始對(duì)離體牛肝進(jìn)行微波消融實(shí)驗(yàn)。

步驟4：當(dāng)消融時(shí)間持續(xù)5 min時(shí)，需將微波天線(xiàn)連接的注射器內(nèi)的液體(生理鹽水或無(wú)水乙醇)勻速緩慢地推送，液體會(huì)順著微波天線(xiàn)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)流入離體牛肝的消融區(qū)域，注射時(shí)間維持在15～30 s。

步驟5：微波消融結(jié)束后，停止采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉微波發(fā)射儀，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到文件并保存。

步驟6：將消融后的肝組織沿著微波天線(xiàn)插入的位置橫向切開(kāi)，測(cè)量并記錄其消融區(qū)域的長(zhǎng)徑和短徑。

步驟7：為提高消融結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)離體牛肝進(jìn)行多次相同條件的消融實(shí)驗(yàn)，因此需重復(fù)上述方法5次。

步驟8：采用Matlab軟件進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)得到時(shí)間與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，并生成60℃等溫線(xiàn)，并計(jì)算消融區(qū)域的長(zhǎng)徑、短徑、面積和體積。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)不同組間注射液體的種類(lèi)、體積、消融區(qū)域大小、體積大小以及類(lèi)圓率縱橫比進(jìn)行了單因素方差分析以及單樣本t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組與無(wú)注射的對(duì)照組存在顯著性差異，P<0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而實(shí)驗(yàn)組組間差異較小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 離體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在微波加熱過(guò)程中，測(cè)溫針采集到的數(shù)據(jù)為各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的電壓值，通過(guò)相應(yīng)的公式將電壓值轉(zhuǎn)換為溫度值，得到各測(cè)量點(diǎn)溫度的數(shù)據(jù)，最終用Matlab軟件作圖得到不同z坐標(biāo)下的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，生成等溫線(xiàn)圖進(jìn)而得出消融截面面積、長(zhǎng)寬值和體積等。消融實(shí)物如圖4所示。

圖4 消融實(shí)物Fig.4 ablation physical figure

單一條件變量，每一組實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)做5次，去掉離群數(shù)據(jù)后，將余下的幾組數(shù)據(jù)取平均值，用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得到如表2所示的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)注射液體為0 mL時(shí)，即無(wú)任何液體注射時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2第一行所示；當(dāng)注射液體為生理鹽水和無(wú)水乙醇時(shí)，消融結(jié)果對(duì)比無(wú)注射液體時(shí)有較為明顯的差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，注射后比無(wú)注射條件下的消融范圍有顯著增加，且消融范圍的縱橫比也逐漸趨近于1，達(dá)到了擴(kuò)大消融面積且消融范圍更接近于球體的目的。

表2 不同條件下的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(±s)

注：a表示與無(wú)注射組相比，P<0.05；b表示與無(wú)注射組相比，P<0.05；c表示與無(wú)注射組相比，P<0.05。

Note：aCompared with no injection group,P<0.05;bcompared with no injection group,P<0.05;ccompared with no injection group,P<0.05.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

雖然消融面積和體積能夠較為直觀(guān)地體現(xiàn)消融效果，然而對(duì)于每次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的面積計(jì)算由于每次使用的牛肝存在大小差異、含水量的區(qū)別，所以造成計(jì)算出的數(shù)據(jù)都有可能存在一些偏差，與理論上的結(jié)果不完全一致。為了更直觀(guān)地從消融面積上來(lái)討論消融效果，將每組結(jié)果產(chǎn)生的60℃等溫線(xiàn)做了單一變量的消融區(qū)域重疊，以便得到結(jié)論。

2.2.1 注射液體與無(wú)注射對(duì)比結(jié)果

當(dāng)無(wú)任何液體注射時(shí)的面積平均是19.58 cm2，在注射生理鹽水和無(wú)水乙醇后，消融區(qū)域的面積均擴(kuò)大，面積增加率在29.1%～72.0%之間；無(wú)注射時(shí)體積平均為57.35 cm3，在消融過(guò)程中注射液體可導(dǎo)致體積增大，其增加率在45.2%～141.8%之間。因此，聯(lián)合注射液體確實(shí)能夠起到增加消融范圍的效果。

2.2.2 注射體積對(duì)比結(jié)果

當(dāng)注射液體體積增加時(shí)，注射生理鹽水和注射無(wú)水乙醇均可導(dǎo)致消融范圍的增加，并且均隨著注射體積的增加，消融區(qū)域的范圍也增大。注射體積由10 mL增加到20 mL，生理鹽水組的面積增加率約為8.8%，無(wú)水乙醇組的面積增加率約為28.8%，說(shuō)明增加注射液體體積也可以起到消融范圍增加的效果。如圖5所示，通過(guò)消融區(qū)域最大橫截面的等溫線(xiàn)疊加比較，可以直觀(guān)地看出，當(dāng)注射體積增加時(shí)，消融區(qū)域擴(kuò)大；而微波消融區(qū)域具有對(duì)稱(chēng)性，其消融體積為類(lèi)橢球形具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)消融區(qū)域最大橫截面積的不斷擴(kuò)大，可導(dǎo)致其消融體積的不斷增加，證明消融范圍有所增大。

圖5 注射液體體積增加時(shí)的等溫線(xiàn)疊加比較Fig. 5 The isothermal comparisonof different injection liquid volume

2.2.3 相同條件下兩種液體的對(duì)比結(jié)果

在相同條件下，注射無(wú)水乙醇產(chǎn)生的消融范圍比注射生理鹽水后的有所增加，在注射體積為10 mL的時(shí)候面積增加率為3.4%，注射體積為20 mL時(shí)面積增加率為22.4%。如圖6的等溫線(xiàn)疊加比較所示，單一變量注射液體，可以比較清晰地看出注射無(wú)水乙醇時(shí)的消融區(qū)域略大于注射生理鹽水時(shí)的消融區(qū)域。

圖6 不同注射液體時(shí)的等溫線(xiàn)疊加比較Fig. 6 The isothermal comparisonof different injection liquid

3 討論

本研究對(duì)擴(kuò)大肝臟腫瘤消融區(qū)域的新方法，即注射液體聯(lián)合微波消融進(jìn)行了離體實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)比了注射生理鹽水與無(wú)水乙醇所得的消融效果以及溫度場(chǎng)變化情況。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與無(wú)液體注射相比消融區(qū)域面積增大率的范圍在29.1%～72.0%之間，體積增加率在45.2%～141.8%之間；當(dāng)注射液體體積由10 mL增加到20 mL，生理鹽水組的面積增加率為8.8%，無(wú)水乙醇組的面積增加率為28.8%。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，注射兩種液體均可有效增大消融范圍，而聯(lián)合無(wú)水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水。這是由于乙醇的滲透性很強(qiáng)，熱的乙醇快速向周?chē)鷱浬?，使中央產(chǎn)生的高溫可快速向周?chē)鷶U(kuò)散；在微波加熱時(shí)，向周?chē)鷱浬⒌囊掖伎蓪?duì)組織產(chǎn)生再次破壞作用[10]，所以隨著乙醇注入體積的增加，最高溫度升高，消融面積增大。而對(duì)于生理鹽水，注射后增加局部組織內(nèi)水分含量，局部組織內(nèi)水分增加減緩了天線(xiàn)周?chē)蓟^(guò)程[11]，使微波能量向周?chē)鷶U(kuò)散得更多，而生理鹽水的增加消耗了一部分熱量，消融的能量向四周彌散，導(dǎo)致天線(xiàn)周?chē)淖罡邷囟瘸霈F(xiàn)小幅度的降低。鹽水注入得越多，熱量被分走得越多，所以會(huì)造成最高溫度隨著注射體積增加而降低的狀況。但隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，天線(xiàn)加熱補(bǔ)償?shù)臒崃块_(kāi)始大于對(duì)于生理鹽水的滲透作用而帶來(lái)的熱能損耗，而且中央組織脫水使能量逐漸集中而不易于散熱[12]，最終形成的消融區(qū)域范圍擴(kuò)大；微波加熱后的熱鹽水易于向周?chē)鷶U(kuò)散，其本身就有一個(gè)熱損傷作用。而通過(guò)聯(lián)合注射液體進(jìn)行消融，加強(qiáng)了肝細(xì)胞的壞死程度，距離微波消融部位較近區(qū)域的肝細(xì)胞廣泛固縮變性，灶性壞死，說(shuō)明流失的熱量對(duì)肝細(xì)胞的影響明顯。通過(guò)對(duì)比不注射液體與注射液體時(shí)的消融范圍，可以看出其熱損傷的程度大大提高，而單純注射液體所形成的細(xì)胞壞死很難造成細(xì)胞凝固變性[13]，所以細(xì)胞的壞死是消融主導(dǎo)造成，而不是全來(lái)自于液體占位。

但本次實(shí)驗(yàn)也存在一定的缺陷：由于時(shí)間和設(shè)備的原因，無(wú)法針對(duì)注射液體體積和消融范圍的增長(zhǎng)率關(guān)系做出線(xiàn)性相關(guān)分析來(lái)確定最佳注射量；此次得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需要和理論計(jì)算值做比較；由于牛肝與人肝臟之間、離體與活體之間存在較大差異，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供臨床參考。這些問(wèn)題都還需要后期的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和更多的理論學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行深入的研究。

4 結(jié)論

由生理鹽水和無(wú)水乙醇聯(lián)合微波消融都可以擴(kuò)大消融范圍，相對(duì)之前的單針微波消融的情況，消融面積及體積增加，并且縱橫比增加，逐漸接近于1，消融形狀趨向球形，更適合臨床上腫瘤的治療。注射液體體積增加，消融范圍增大。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及等溫線(xiàn)重疊圖直觀(guān)對(duì)比，研究認(rèn)為聯(lián)合無(wú)水乙醇的注射效果要略好于生理鹽水?？偟膩?lái)說(shuō)，注射液體對(duì)擴(kuò)大消融是有利的，但最佳注射用量還需要進(jìn)一步研究。

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Experimental Study on Temperature Field of Microwave Ablation with Injecting Different Liquidsinvitro

Dong Tong Tian Zhen Nie Xiaohui Nan Qun#*

(BeijingUniversityofTechnologyCollegeofLifeScienceandBiotechnology,Beijng100124,China)

microwave ablation; saline; anhydrous ethanol;ex-vivo bovine liver; ablation range

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.016

2016-01-07， 錄用日期:2016-03-08

北京市自然科學(xué)基金(3162006)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31070754)；北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目

R318

D

0258-8021(2016) 05-0621-05

# 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員(Senior member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: nanqun@bjut.edu.cn