高小晗，蘇潤洲，谷宏圓

(東北林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，哈爾濱 150040)

1 引 言

如今，熱消融技術(shù)已成為治療各種實(shí)體腫瘤的一種重要手段。射頻消融和微波消融是兩種常見方式[1]。微波消融作為一種新型的加熱技術(shù)，具有效率高、無二次污染、加熱速率快等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2]。其原理是通過波長為1 mm～1 m，頻率為300 MHz～300 GHz的高頻電磁波[3]輻照刺激生物組織內(nèi)的帶電粒子，使之產(chǎn)生振蕩，對(duì)靶區(qū)進(jìn)行加熱的現(xiàn)象[4]，即微波的生物熱效應(yīng)[5]。

微波在生物組織中的傳播特性及生物組織內(nèi)的溫度分布[6]是微波消融的研究熱點(diǎn)。2005年，席曉莉等[7]利用液體等效組織體模對(duì)微波熱療天線在生物組織中的溫度分布進(jìn)行了研究； 2009年，孫兵等[8]以2 450 MHz的微波輻射器輻照均勻的分層仿生體模，對(duì)透熱深度(透熱深度是指組織溫度超過315 k的組織深度)進(jìn)行了研究；2017年，Momenroodaki 等[9]研究了多層人體組織的無創(chuàng)微波測溫，楊夢(mèng)溪等[10]利用人體腹部模型對(duì)電磁波在人體腹部中的傳播特性進(jìn)行了研究。

微波進(jìn)入人體必須穿過皮下脂肪組織[11]，為進(jìn)一步明確其相互作用過程，本研究以豬肉腹部皮下脂肪組織為研究對(duì)象，以微波的生物熱效應(yīng)為理論依據(jù)，使用2 450 MHz頻率的微波治療儀作為發(fā)射裝置，探究了微波在脂肪組織中的傳播過程及其溫度分布，并從微觀角度觀察脂肪組織上表面及透熱深度最深處形態(tài)變化，為進(jìn)一步探究生物組織比吸收率[6](specific sbsorption rate,SAR)的影響因素、提高微波的輻照效率[12]提供有效參考。

2 材料與方法

2.1 儀器設(shè)備

微波治療儀，CFT-2100型，0～60 W，2 450 MHz，徐州瑞祺醫(yī)療設(shè)備有限公司; 數(shù)碼熒光顯微鏡，DXM-1200F型，尼康儀器(上海)有限公司; CCD攝像裝置，尼康儀器(上海)有限公司; 紅外線測溫槍手持式測溫儀，華誼 ( PEAKMETER ) PM6519A，-50～380 ℃; 電子天平，ME204T /2，10 mg～220 g， 實(shí)際分度值0.1 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

2.2 樣品制備

選取符合鮮豬肉衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 9959.1-2001)的腹部豬肉，哈爾濱市香坊區(qū)凱旋廣場比優(yōu)特超市購得。去除皮及精肉等非脂肪組織，提取較高純度脂肪，將提取的脂肪切成約2.0 cm×2.0 cm×2.5 cm的脂肪塊，將脂肪塊裝進(jìn)潔凈的塑料器皿中制成樣品，作為研究對(duì)象，見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)過程與方法

3.1 脂肪組織質(zhì)量及上表面溫度的測量

取制備好的脂肪塊樣品，用紅外線測溫槍測量樣品上表面十個(gè)不同位置點(diǎn)的溫度，取其平均值作為初始溫度，用電子天平稱量樣品質(zhì)量作為初始質(zhì)量并記錄。

完成上述工作后，將盛有脂肪塊樣品的塑料器皿放置在微波治療儀5號(hào)探頭(圓形探頭)下，并調(diào)節(jié)樣品與探頭之間的垂直距離至1 cm，采用垂直向下的方式輻照樣品，輻照過程中保證微波均勻地輻照脂肪組織表層，為防止空氣對(duì)流對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度造成影響，本研究在自制的屏蔽箱中進(jìn)行操作，見圖2。

調(diào)節(jié)微波治療儀的輸出功率分別為40、45、50、55、60 W，設(shè)定輻照時(shí)間為30 min,每隔3 min按照上述方法測量一次樣品上表面的溫度及質(zhì)量并記錄。為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，減小誤差，同一實(shí)驗(yàn)條件下，取相鄰的6塊樣品重復(fù)以上過程，取其平均值并記錄。

圖1 樣品塊Fig.1 The sample piece

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

3.2 輻照功率對(duì)脂肪組織透熱深度的影響

完成樣品的制備并切取樣品表層適量組織后，測量初始溫度，再將表層樣品置于顯微鏡CCD攝像裝置下,記錄每個(gè)樣品的初始形態(tài)。將制備好的樣品按照?qǐng)D2的方法放置在5號(hào)探頭下(輻照距離為1 cm)，輻照時(shí)間設(shè)為15 min，分別以45、50、55、60 W的功率對(duì)樣品進(jìn)行輻照。輻照完成后測溫，并將加熱后的脂肪組織按照標(biāo)記好的深度位置依次迅速切開(標(biāo)定的位置為5 mm一層)，對(duì)各切片測溫并將表層組織置于顯微鏡下觀察其微觀形態(tài)，使用NIS-Elements F軟件將觀察到的微觀形態(tài)保存記錄。按照3.1節(jié)，同一條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)6次，取平均值并記錄。

3.3 輻照時(shí)間對(duì)脂肪組織透熱深度的影響

輻照前，按照3.2節(jié)步驟切取表層樣品并在顯微鏡下觀察其微觀形態(tài)。輻照距離1 cm，輸出功率為50 W，輻照時(shí)間分別設(shè)為10、15、20、25 min，按照3.1節(jié)中的測溫方法完成測溫，利用顯微鏡觀察各切片樣品的微觀形態(tài)并保存記錄。按照3.1節(jié)，同一條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)6次，取平均值并記錄。

4 結(jié)果與討論

4.1 脂肪組織上表面溫度、質(zhì)量損失率隨輻照時(shí)間、輻照功率的變化

由圖3 、圖 4 可知，增大輻照時(shí)間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度增大，質(zhì)量損失率也隨之增加。不同功率下，當(dāng)輻照時(shí)間較短(1～2 min)時(shí)，脂肪組織上表面溫度變化不大，當(dāng)輻照時(shí)間延長時(shí)，溫度變化逐漸增大；同一功率下，隨著輻照時(shí)間的延長，脂肪組織上表面溫度的變化逐漸減小，當(dāng)上表面達(dá)到一定溫度后(72～75 ℃)，變化率達(dá)到最?。划?dāng)功率為40～50 W時(shí)，脂肪組織質(zhì)量損失率變化較小；當(dāng)功率達(dá)到55 W時(shí)，損失率出現(xiàn)大幅度的上升，且同一功率下隨著時(shí)間的延長，變化率逐漸增大。當(dāng)溫度達(dá)到約60 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率出現(xiàn)了顯著上升的現(xiàn)象。

圖3 上表面溫度隨輻照時(shí)間和輻照功率的變化Fig.3 The upper surface temperature varies with irradiation time and irradiation power

圖4 損失率隨輻照時(shí)間和輻照功率的變化Fig.4 Loss rate varies with irradiation time and irradiation power

圖5 不同溫度下脂肪組織的微觀形態(tài)Fig.5 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

4.2 脂肪組織上表面溫度、透熱深度隨輻照時(shí)間、輻照功率的變化

由圖5-圖10可知，增大輻照時(shí)間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度增加，透熱深度也隨之增加。當(dāng)上表面溫度過低時(shí)，無透熱深度出現(xiàn)；當(dāng)上表面溫度達(dá)到41.8 ℃時(shí)，透熱深度開始出現(xiàn)；同一功率下，隨輻照時(shí)間的延長，上表面溫度的變化率逐漸減?。划?dāng)功率較低時(shí)(40～50 W)，相同時(shí)間內(nèi)脂肪組織上表面溫度變化不大；當(dāng)功率達(dá)到55 W時(shí)，上表面溫度出現(xiàn)顯著上升；當(dāng)功率為60 W時(shí)，上表面溫度可達(dá)64 ℃，透熱深度最大約為20.8 mm。不同功率下得到的溫度分布沿徑向距離呈指數(shù)遞減[13]。由圖5和圖8可知，脂肪細(xì)胞呈白色橢圓形空泡狀，大而飽滿，部分細(xì)胞經(jīng)擠壓形狀不規(guī)則，細(xì)胞間層狀排列，細(xì)胞中央出現(xiàn)較大脂肪滴，約占細(xì)胞的4/5，隨著溫度的升高，細(xì)胞內(nèi)脂肪滴溶解形成空泡逐漸變大。

圖6 輻照距離、功率不變時(shí)，上表面溫度隨輻照時(shí)間的變化Fig.6 The change of upper surface temperature with irradiation time when irradiation distance and power are constant

圖7 輻照距離、功率不變時(shí)，透熱深度隨輻照時(shí)間的變化Fig.7 The depth of heat penetration changes with irradiation time when irradiation distance and power are constant

圖8 不同溫度下脂肪組織的微觀形態(tài)Fig.8 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

圖9 輻照距離、時(shí)間不變時(shí)，上表面溫度隨輻照功率的變化Fig.9 The change of upper surface temperature with irradiation power when irradiation distance and time are constant

4.3 理論分析

由上述研究可知，通過增大輻照功率和延長輻照時(shí)間可使脂肪組織上表面產(chǎn)生不同程度的升溫，樣品質(zhì)量損失率和透熱深度也隨之增加。由圖3和圖4可知，當(dāng)功率達(dá)到55 W時(shí)，上表面溫度和損失率出現(xiàn)了顯著上升，因低功率的微波源對(duì)生物組織進(jìn)行均勻輻照時(shí)產(chǎn)生的能量較少，所以溫度變化較?。划?dāng)高功率的微波源對(duì)生物組織進(jìn)行輻照時(shí)，高能量的輻照集中會(huì)造成升溫幅度急劇增加，甚至使生物組織發(fā)生炭化，因此，生物組織內(nèi)的水分蒸發(fā)量也非常可觀，達(dá)到了毫克量級(jí)[14]。

圖10 輻照距離、時(shí)間不變時(shí)，透熱深度隨輻照功率的變化Fig.10 The depth of heat penetration changes with irradiation power when irradiation distance and time are constant

由圖5-圖10可知，當(dāng)脂肪組織上表面溫度過低時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生透熱深度；當(dāng)上表面溫度達(dá)到41.8 ℃時(shí)，透熱深度開始出現(xiàn)。因微波輻照生物組織的過程中會(huì)在生物組織的上表面發(fā)生縱向弛豫而產(chǎn)生趨膚效應(yīng)[7]，從而使能量集中在生物組織表面，而非均勻地分布在整個(gè)生物組織中；當(dāng)上表面溫度達(dá)到41.8 ℃時(shí)，微波輻射產(chǎn)生的高能量可使深層組織中產(chǎn)生升溫，出現(xiàn)透熱深度。

基于半無限大平面的熱傳導(dǎo)方程[15]:

(1)

(2)

式中，ρ為組織密度,C為組織的熱容,I為微波的功率密度,L是微波的功率趨膚深度(場趨膚深度的一半),Q(x,t)是內(nèi)熱源(生物組織吸收微波后產(chǎn)生),ε為微波在組織表面的透射效率。U(t)是微波輻照時(shí)間函數(shù),當(dāng)t>0 時(shí),U(t)=1；當(dāng)t≤0 時(shí),U(t)= 0。

忽略水分蒸發(fā)等散熱因素,將生物組織表面視為絕熱,則有：

(3)

其中：

τ=L2ρC/k

(4)

上式中，熱容量C、組織密度ρ、熱導(dǎo)率k、趨膚深度L、微波功率密度I、微波透射效率ε均可視為常量。將式(4)代入式(3)中可知，溫升曲線在理論上隨著輻照時(shí)間的增加變化率逐漸減小。由于實(shí)驗(yàn)過程中散發(fā)的熱量導(dǎo)致屏蔽箱內(nèi)溫度上升及該理論模型并未考慮蛋白質(zhì)變性[15]等對(duì)溫升曲線的影響，從而導(dǎo)致了對(duì)溫升曲線的低估。通過對(duì)脂肪組織溫升曲線的模擬，可知曲線變化與理論模型大體一致，與理論相符。

5 結(jié)論

本研究主要探討了2 450 MHz頻率的微波在豬肉腹部皮下脂肪中的傳播規(guī)律。由結(jié)果可知，增大輻照時(shí)間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度升高，質(zhì)量損失率和透熱深度也隨之增加。相同功率下，延長輻照時(shí)間，溫升曲線變化逐漸減小，質(zhì)量損失率變化逐漸增大；當(dāng)上表面溫度達(dá)到72～75 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率變化最小且趨于平緩。功率為40～50 W時(shí)，上表面溫度和質(zhì)量損失率變化較??；當(dāng)功率達(dá)到55 W時(shí)，脂肪組織上表面出現(xiàn)大幅度升溫，質(zhì)量損失率也顯著上升。由于弛豫產(chǎn)生的趨膚效應(yīng)等原因，脂肪組織上表面溫度過低時(shí)，無透熱深度產(chǎn)生，上表面溫度達(dá)到41.8 ℃時(shí)，開始出現(xiàn)透熱深度。在該條件下，脂肪組織的最大透熱深度約為20.8 mm。通過實(shí)驗(yàn)誤差分析并結(jié)合熱傳導(dǎo)方程，驗(yàn)證了脂肪組織溫升曲線變化率隨時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì)。