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        經(jīng)皮激光消融測(cè)溫裝置的研制

        2020-10-13 08:20:42黃亮
        中國(guó)醫(yī)療器械雜志 2020年5期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        【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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(guó)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(jiǎn)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。

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