曹霞
【摘 要】Microwave ablation in tumor therapy is getting more attention gradually ,while some key tech-nologies,including thermal field distribution,remain to be solved.Thermal field distribution is one of the important research directions in the field of microwave ablation .Accurate thermal field distribution of micro-wave ablation area is related to temperature of tumor kill threshold .It is the key to assuring effect of micro-wave ablation too.Microwave ablation has the problem of conformal difficulty , inaccurate temperature field simulation and temperature measurement in the field of thermal field distribution .Some progress has been achieved in recent years in microwave antenna design,different combination in microwave transmission fre-quency and power and time,temperature field simulation and temperature measurement technology develop-ment,which have improved the thermal field distribution .%微波消融在肿瘤中逐渐得到重视,但包括热场分布在内的一些关键技术还有待解决,热场分布是微波消融领域重要的研究方向之一. 微波消融区域准确
的热场分布与能否达到有效肿瘤杀灭域值温度相关,是保证微波消融疗效的关键. 微波消融在热场分布领域存在适形难、温度场模拟及测温不准确等问题,近年在微波天线设计改进、不同微波发射频率及功率和时间组合、温度场模拟、测温技术开发方面取得研究进展改善了热场分布. 【期刊名称】《医学综述》
【年(卷),期】2016(022)002
【总页数】4页(P273-276)
【关键词】微波消融;热场分布;微波天线;温度场;无创测温
【作 者】曹霞
【作者单位】中南大学湘雅医学院附属肿瘤医院热放疗科,长沙410013
【正文语种】中 文
【中图分类】R730.59
微波消融具有热效率高、升温速度快、热场分布较均匀，凝固区内坏死彻底等优势正在肿瘤消融领域发挥着积极的作用，我国肿瘤微波消融研究发展势头良好[1-2]，但相比传统疗法仍属辅助和次要地位。微波消融的热场大小、形状除受微波天线的形状、发射功率与有效输出功率、作用时间等影响外，也与肿瘤组织的导热率和血液灌注率等热物性密切相关。因人体生理环境的复杂性及测量方法的局限性，肿瘤的不同大小和不规则性，符合体内环境的热剂量学参数，温度测量、热场适形性问题尚未得到有效解决，且不同微波设备消融范围存在差异，而目前微波消融肿瘤主要根据各医疗单位现有的微波天线种类及医师个人临床经验决定频率、输出功率、时间，这些因素的综合影响导致肿瘤微波消融临床缺乏公认的规范及符合循证医学的研究结果，制约着肿瘤微波消融的发展，研究微波消融热场分布规律有助于突破瓶颈，科学地指导临床应用。现对近年微波消融热场分布方面取得的进展进行综述。 水循环内冷却天线的研制成功解决了微波天线杆温度过高的难题，使大功率、长时间、高能量级的消融得以实施，且消融区的形态更趋于球形。多天线组合温度场的基础实验研究改变了由单根天线产生的热凝固区形状[3-7]。Phasukkit等[6]通过对三源微波天线的组合排列及三维有限元设计分析，提出了应用多源组合热场的方式可以解决非对称肿瘤的适形消
融范围的观点，Hoffmann等[7]用离体牛肝脏实验，证实基于不同技术原理的商用微波消融设备产生的凝固区体积、球度以及短轴直径均有差别。三源微波天线的微波设备可得到最接近球体的消融凝固区。
何年安等[8]在超声引导下微波消融肝癌发现新型内冷与非内冷微波天线相比,术中与术后的并发症少、1个月后消融灶的残癌率低、1年内消融灶的原位复发率及1年后肝内肝癌总的复发率均较低。Chiang等[9]研究离体牛肝用双槽天线、单极天线分别观察微波消融区域。测量消融区域直径、长度并计算直径/长度比值,认为双槽微波天线应用获得更近似球体的消融区域。 目前临床广泛应用的微波消融频率是2450 MHz，然而微波频率高者穿透深度相应较小且能量衰减损耗较多。研究者将915 MHz和2450 MHz微波天线动物消融实验比较，发现相同能量输出条件下915 MHz消融的范围更大，915 MHz微波较2450 MHz微波具有更快的温升速率及更高的温度，有更高的热效率[10-13]，显示出更广阔的应用前景。赵金哲等[14]采用不同微波功率和作用时间得到的有效消融区域的长短径及体积数据进行了分析,建立了离体组织数学模型。结果发现,随着微波时间的延长，消融区域剖面短径相比于长径增加更加明
显。当肿瘤形状接近球形时，单次单针消融需选择相对较小的功率和>600 s的消融时间，消融区域内距离微波针5 mm位置的升温速度为20 mm处的10倍左右。王友等[15]用冷循环微波天线对离体猪肝凝固的实验研究，证实微波的输出实际功率稳定及适度凝固时间是确保凝固范围的前提，随着目的功率的增加，功率衰减也进一步增大。目的功率为60～70 W、凝固时间为15 min所形成的凝固范围更趋向球形。
温度场的计算机模拟是通过计算人体组织对微波的比吸收率(specific absorption ratio,SAR)，并以pennes方程等生物传热模型为基础求解人体组织在微波作用下的温度分布。不同人体组织的热物性参数是影响温度场分布计算结果的重要因素，pennes方程中涉及到的参数主要有组织热导率、血流密度、血流比热容和血流灌注率等。在微波消融过程中，由于组织热损伤的产生，组织热物性参数的值也发生了变化。张烨等[16]采用了随温度变化的动态组织热物性参数进行微波消融温度场分布仿真。实验结果表明微波功率增大，消融温度升高，而作用时间延长，温度场分布基本不变，相比固定参数，动态热物性参数仿真结果与猪肝离体实验结果误差较小。张曼等[17]在微波热疗温度场仿真中研究了SAR分布影响因素，为提高微波热疗温度场仿真的精度,提出一种SAR分布的优化拟合方法。经过大量计算与对比仿真结果后发现,当实验中温度误差控制在3.5 ℃以内,选取前60、
70……110 s时间段进行拟合对仿真结果影响不大,所提出的SAR加权最小二乘拟合法更加稳定、有效。南等[18]为了研究血管对消融温度场的影响,运用离体实验输液管代替肝动脉的方法测定距天线不同距离及血流量不同的血管对温度场的影响，热电偶测量血管周围的温度场，对比实验与仿真结果的不同。结果显示微波天线距血管近至1.0 cm时，在靠近血管侧出现温度梯度变化。当微波天线与血管之间的距离<2.0 cm且血流量>22 cm/s时，建议进行血管阻断术。目前由于人体组织结构的复杂性和个体差异性，复杂生物组织传热过程的求解仍然存在较大的不确定性，这也是微波消融温度场模拟中亟待解决的问题之一。
4.1 有创测温 临床微波消融一般将60 ℃即刻或54 ℃保持3 min视为组织发生不可逆转凝固毁损的域值温度，温度的实时检测有着重要意义。因为肿瘤组织组成的复杂性、成分的不均匀性、肿瘤周围组织成分的复杂性以及个体差异而致测温难度大,目前临床上多采用热敏电阻、热电偶等接触式测温有创测温技术，微波消融最常用热电偶，具有温度响应速率高，精确可靠，误差小(<±0.3 ℃)，分辨率高(≤0.2 ℃)的优势，但对消融区域监测范围窄，热电偶插入肿瘤内有导致肿瘤种植风险。近年通过离体及动物实验性研究有创测温研究者观察了不同组织部位的微波消融区域内温度变化特点,李欣等[19]探讨了离体猪肺组
织中在不同微波功率作用下的温升规律,并发现升温曲线的形态特点与肝组织有所不同。程令刚等[20]则用不同输出功率微波消融活体家犬进行了脑组织周围温度变化的实验研究,结论认为微波消融是一种相对安全的介入手段，距离消融中心距离越近，功率越大，消融灶越大，最高温度越高，且温度升高越快，距离消融中心2.0 cm处相对安全。
4.2 无创测温 侵入肿瘤进行温度测量的方法相对危险,不准确并有很多技术上的缺陷,而可供临床使用的无创测温技术并不成熟,尽管已取得一些研究进展,但总体而言目前仍处于实验研究阶段,各类方法均存在一些技术难题尚待攻克。无创测温主要包括电阻抗断层成像测温、微波测温、磁共振测温及超声测温等。超声测温法因具有侵害小、成本低、实时性好、不容易受电磁干扰等优势成为国内外研究热点。微波消融的无创测温方法目前主要为超声测温法。
4.2.1 传统超声测温 研究表明，B超图像纹理特征与组织温度具有相关性[21],超声射频法包括超声回波时移、能量、频移测温方法及声衰减测温。这些方法中时移测温的实现手段最多，用离体猪肝微波消融，研究证明超声回波时移与肝脏温度及超声衰减系数与温度均存在相关性，相关系数在0.5以上[22-23]。利用拟合出的线性函数，能够提取超声回波时
移参数进行温度估计[22]。基于超声衰减系数的温度相关性进行温度检测具有较高的温度测量精度(温差范围在0.2～4 ℃)[23]。
周著黄等[24]总结传统超声测温法的缺点如下：①基于声速变化的方法受心跳呼吸等组织运动影响较大，需运动补偿；②不同组织间的回波形变与温度的相关性存在较大差异；③在40 ℃以上，大部分组织的回波形变与温度的相关性为非线性；④在高温，特别是组织出现热凝固情况下，大部分组织的声学参数随温度变化不大准确检测组织温度变化困难；⑤热透镜效应会导致温度成像中的伪影；⑥组织B超影像灰度等视频参数的变化可能是由于热疗过程中组织的空化效应所致；⑦热疗过程中，区B超影像表现的高回声区是由于加热产生的微泡和气泡所致，高回声区并不能反映实际消融区大小，并且高回声区在消融过后的一段时间内会逐渐消失。
4.2.2 弹性超声成像与测温 超声弹性成像作为一种新的超声组织定征技术在肿瘤热疗无创监测方面正受到越来越多的关注,它能较好地监测热凝固区变化,反映微波消融温度。其原理为基于不同组织之间的硬度或弹性模量的差异进行成像。有基于静态弹性超声、声辐射力弹性成像(谐波运动成像、声辐射力脉冲成像、超声波剪切成像)、运动电极弹性成像(移
动、振动法)三种。微波消融可用运动电极弹性成像体内监测，但抗运动伪影能力差，难以同时实现无损测温和热凝固区监测。移动电极弹性成像可利用现有的商业超声诊断系统。移动电极弹性成像和振动电极弹性成像分别为静态应变成像和剪切波速度成像的施压方式提供了另一种思路。移动电极弹性成像解决了静态弹性成像对深层组织监测的缺陷，但临床效果尚待进一步验证。
赵冰等[25]探讨了超声弹性成像在离体猪肝凝固灶中的应用，证实微波消融的凝固性坏死在超声弹性成像图上表现为红硬变区,且不随时间延长而衰减,较常规二维超声更接近凝固灶形态,但与实际仍有一定差异,作用区的剪切波速度较实验前明显增高。周洪雨等[26]在微波消融灶组织病理变化与超声弹性成像图对照的实验研究中用单导水冷2450 MHz微波,作用功率50 W,作用时间200 s,消融离体猪臀部肌组织,消融前、消融后即刻行静态超声弹性检查,观察到微波消融后超声弹性图像的蓝区+绿区与消融灶标本灰白区+灰粉区(凝固性坏死区+水肿区)相对应,蓝区与灰白区(凝固性坏死区)相对应。章建全等[27]观察微波消融区组织的弹性分布特征及其与温度分布之间的关系，对相应位点的硬度特征采用弹性超声应变率比值进行定量研究,结果显示应变率比值和温度值由消融区的中心向边缘均呈梯度性递减,硬度回落与温度衰落方向性一致,两者间呈线性回归和相关，消融区硬度的递减
变化91.39%来自温度的递减变化。有望用弹性超声的硬度指标替代实时测温。
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