微波、射頻及電凝對離體豬股骨干骺端制熱效應的對照研究*

閆飛飛 謝遠龍 馮帆 胡超 蔡林 雷軍

微波、射頻及電凝對離體豬股骨干骺端制熱效應的對照研究*

閆飛飛 謝遠龍 馮帆 胡超 蔡林 雷軍*

目的探索微波、射頻及電凝對離體豬股骨干骺端的制熱效應的差異，以指導臨床應用。方法取30條新鮮成年豬股骨，隨機分成微波組、射頻組和電刀組，每組10個樣本，分別采用微波、射頻和電刀進行加熱（60 W·300 s），旁開加熱點5、10、15、20mm測溫，比較三組的凝固范圍、溫度的分布及變化趨勢。結果三組凝固范圍橫徑分別為（23.3±1.5）、（14.8±1.1）、（10.8±1.3）mm，縱徑分別為（28.1±2.2）、（25.3±1.5）、（22.1±1.8）mm，橫縱徑均為微波＞射頻＞電刀（＜0.05）。病理切片證實肉眼所見的凝固范圍與病理切片凝固范圍基本一致。微波組在旁開中心5、10、15mm處的溫度均顯著高于射頻組和電刀組，而三組在旁開中心20mm處溫度無顯著差異。三組熱場分別在240、210和140秒內達到穩態，距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快。結論 微波、射頻及電凝對股骨干骺端均具有制熱滅活作用，微波熱場溫度最高，凝固范圍大，射頻次之，而電刀制熱效應最小。

微波；射頻消融；高頻電刀；股骨；干骺端；動物實驗

微波消融（Microwave ablation,MWA）的基本原理是通過發射電磁波場（915MHz or 2.45 GHz），引起周圍組織中偶極分子的旋轉來產生熱量，從而使組織發生凝固性壞死[1]；射頻消融（Radiofrequency ablation,RFA）則是通過射頻發射改變電流活動，引起局部離子震蕩，產生高溫使組織發生凝固性壞死[2]；電刀熱凝也是利用射頻原理，即通過變壓變頻將高頻電流聚集起來，極短時間內的震蕩電流引起局部離子震蕩摩擦產生大量的熱，直接摧毀與有效電極尖端相接觸下的組織[3]。三者都是通過高溫使腫瘤細胞凝固壞死，但產熱原理、產熱效率及熱場分布等均存在差異，各有優缺點。

腫瘤熱療在臨床使用中常面臨熱毀損腫瘤組織和保護正常組織熱損傷的矛盾，既要盡可能殺滅腫瘤組織，又要避免熱點周圍正常組織熱毀損傷。然而目前對于骨組織局部加熱后熱量傳遞及周圍熱場分布的研究頗少。本實驗擬繼續深化MWA、RFA和電刀對離體豬干骺端松質骨的制熱效應研究，并在此基礎上對電刀是否可作為腫瘤熱療的輔助方式進行探討。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

1.1.1MWA系統：南京九洲醫療設備研發中心內冷式微波治療儀。工作頻率（2450±50）MHz，輸出功率：5～120W 逐步可調，步進 5W；內冷式硬質天線外徑為 2.0mm，長度150mm。自帶水循環動力泵，室溫生理鹽水（20℃）作為降溫水源。

1.1.2RFA系統：柯惠醫療器械有限公司提供的Cool-tipTMRF Ablation System E，工作頻率 375 kHz，輸出功率：5～150 W，阻抗測量范圍：10～500，電極直徑為 1.2mm，長度150mm。室溫生理鹽水（20℃）作為灌注水源。

1.1.3 美國進口威力高頻電刀ForceFX-8C：具有單、雙極兩種輸出模式，頻率 300～750kHz、單極切割最大輸出功率300W，單極電灼凝血的最大輸出功率為120W，工作時電流均從負極板返回主機，本實驗選用固定功率為60W的單電極電凝輸出模式；

1.1.4 測溫系統：武漢泰倫特科技有限公司提供的多點測溫儀，采用NTC熱敏測溫探頭（頭部尺寸1.3×1.5mm），可同時監測八通道溫度變化，測溫范圍0～200℃。

1.2 實驗方法

取30條新鮮成年豬股骨遠端干骺端，根據數據隨機法分成微波組、射頻組和電刀組三組，每組10個樣本，均采用臨床常用的功率和時間組合即60 W·300 s（本實驗根據相關研究報告及臨床經驗，設定該功率和時間組合）。用3.0mm克氏針打孔，插入電極作為加熱中心，旁開中心5、10、15和20mm，用1.5mm克氏針打孔，插入NTC熱敏測溫探頭實時測溫，所有孔深均為2cm。300秒后停止加熱，繼續監測2分鐘內各測溫孔自然冷卻下溫度衰減情況；測溫結束后，測凝固區橫徑，再沿各鉆孔的連線縱行切開標本，測凝固區縱徑，并觀察形態學特征。再將標本脫鈣切片等后行HE染色處理，鏡下重點觀察凝固區臨界范圍。

1.3 統計分析

統計分析采用SPSS19.0軟件。凝固范圍以最大橫徑和縱徑，以及橫徑和縱徑均數評定。計量資料以（±s）表示，兩組間均數比較采用t檢驗，多組間比較采用方差分析，＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 標本形態學觀察

分別采用微波、射頻及電刀對標本進行凝固（60 W· 300s），凝固結束后，肉眼觀察干骺端橫斷面（圖1a,1b,1c）及沿各鉆孔的連線縱行切開截面的凝固范圍（圖1d,1e,1f）：三組的凝固區均可見明顯的炭化帶，微波組凝固范圍最大（圖1a,1d），射頻組次之（圖1b,1e）；電刀組范圍最?。▓D1c,1f）。（彩圖見插頁）

圖1a,1d為微波組凝固后標本；圖1b,1e為射頻組凝固后標本；圖1c,1f為電刀組凝固后標本（圖中白色箭頭所指為凝固炭化區；A為微波，射頻及電刀電極插入通道，B,C,D,E為旁開加熱中心距離為5、10、15及20mm的測溫通道）

2.2 標本病理學觀察

分別將三組標本進行HE染色處理后鏡下觀察，可以發現肉眼所見的凝固范圍與病理切片凝固范圍基本一致。（彩圖見插頁）

圖2a，2b，2c分別為微波，射頻，電刀組病理標本（HE×40，圖中白色箭頭所示為標本炭化帶邊緣）

2.3 三組標本凝固范圍的比較

凝固結束后測得三組標本的的橫徑分別為（23.3±1.5）、（14.8±1.1）、（10.8±1.3）mm，微波＞射頻＞電刀（＜0.05）；縱徑分別為（28.1±2.2）、（25.3±1.5）、（22.1±1.8）mm，微波＞射頻＞電刀（＜0.05）。（表1）

表1 三組標本凝固范圍的比較（±s）

表1 三組標本凝固范圍的比較（±s）

注釋：a與電刀組比較＜0.05，b與射頻組比較＜0.05

方法 橫徑（mm） 縱徑（mm）微波組射頻組電刀組23.3±1.5ab 28.1±2.2ab14.8±1.1a 25.3±1.5a10.8±1.3 22.1±1.8

2.4 三組凝固方式溫度-時間效應變化的比較

微波、射頻及電刀組熱場在240、210、140秒均達到穩態，三組距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快（圖3）。（彩圖見插頁）三組距加熱中心5mm處的平均穩態溫度分別為（130.2±1.5）、（104.0±2.3）、（87.3.0±3.2）℃，10mm處分別為（87.3±2.1）、（71.6±1.5）、（61.8±3.8）℃，15mm處平均溫度分別為（67.2±2.2）、（57.1±3.1）、（51.2±2.9）℃，均為微波明顯高于射頻高于電刀（＜0.05）；20mm處平均穩態溫度分別為（23.3±0.3）、（23.2±0.2）、（23.4±0.3）℃，無明顯統計學差異（＞0.05）（表2）。

表2 三組凝固溫度分布比較（±s，n=10）

表2 三組凝固溫度分布比較（±s，n=10）

注釋：a與電刀組比較＜0.05，b與射頻組比較＜0.05

方法微波組射頻組電刀組5mm（℃） 10mm（℃） 15mm（℃）20mm（℃）130.2±1.5ab 87.3±2.1ab 67.2±2.2ab 23.3±0.3 104.0±2.3a 71.6±1.5a 57.1±3.1a 23.2±0.2 87.3.0±3.2 61.8±3.8 51.2±2.9 23.4±0.3

圖3 微波、射頻及高頻電刀對離體豬股骨遠端松質骨凝固的溫度-時間關系

3 討論

腫瘤的熱療是繼腫瘤手術、放療、生物治療、化療后的又一新型的療法[4]。損傷細胞和組織的機制主要是通過局部高熱導致腫瘤細胞基質蛋白、線粒體酶和核酸組蛋白復合物凝聚等[5]。近來，Zhe Y等[6]實驗證明MWA處理后的腫瘤細胞，特別是在原位消融中，可通過免疫反應誘導特異性抗腫瘤效果。目前，熱消融已在骨腫瘤的治療中得到越來越多的應用[7-12]，RFA已成為治療骨樣骨瘤的循證方法的選擇，MWA或RFA，單獨或聯合骨水泥可用于轉移性骨腫瘤的姑息治療，在減輕病人疼痛及改善生活質量上效果顯著[1]；骨腫瘤的熱消融既起到了殺滅腫瘤組織的作用，又可以極大程度地保留了自體骨量，為骨的再生和修復提供了良好條件[13]。雖已取得較好的臨床療效，但也存在消融范圍不精確，安全性能不高等問題，進而導致鄰近組織損傷，術后復發率高，術后再骨折等并發癥的出現[14]。高頻電刀利用高頻電流，雖可使腫瘤產生局部高溫，發生凝固性壞死，但可否將其熱效應用于腫瘤熱療，目前尚無定論。施鑫等[15]提出在股骨近端巨細胞瘤的手術治療時用高頻電刀反復燒灼殘腔骨壁有助于消滅殘留的腫瘤細胞。所以，通過本實驗研究，繼續深化對三者產熱效率、制熱效應及熱場分布的研究，并在此基礎上，展開對電刀是否可成為腫瘤熱療的一種輔助方式的探討，進而來指導臨床。

本實驗在相同功率及加熱時間下，發現微波的凝固范圍、熱場溫度均顯著大于射頻大于電刀，這主要是三者與組織的作用方式不同所致。通過觀察凝固后的標本可以發現，三組加熱中心均有形成不同程度的炭化帶，微波范圍最大，射頻和電刀次之。而微波與后兩者最大不同在于其對組織有一定的穿透力，穿透組織的偶極子均為熱源，可以自體加熱[16]。且對于低熱傳導的松質骨來說，穿透性更佳，其對組織熱傳導系數的依賴明顯小于射頻和電刀[17]。而射頻和高頻電刀通過射頻波使周圍組織產生交變電流，引起電極周圍組織中自由離子發生震蕩，摩擦生熱并傳導擴散，產熱部位主要位于電極周圍幾毫米內，易受組織內自由離子濃度和周圍組織電導率的影響，凝固范圍的擴大主要靠傳導散熱[18]。所以筆者分析，影響凝固范圍不同的主要原因是高溫導致電極周圍發生組織脫水炭化，而微波發射的電磁波可以穿越炭化帶，使范圍可以在熱傳導的基礎上進一步擴大，而射頻和電凝易受組織內自由離子濃度和周圍組織電導率影響，且當電極周圍組織脫水炭化時阻抗上升，限制了熱量的產生及傳導，不利于消融范圍的繼續擴大。所以臨床上正在嘗試向病灶內注射鹽水或鐵離子復合物等方法來改善組織熱傳導[18]。而電刀與RFA相比，雖制熱原理相同，但因二者電極性能的差別、電刀缺乏冷循環系統等，使得其工作時熱量分布不均勻，僅集中于電刀周圍，可爆發性導致組織脫水炭化，限制熱量的產生及傳導，導致其凝固范圍及熱場溫度不如RFA。

本實驗證明，MWA、RFA和電刀的熱場分別在240、210和140秒內達到穩態，距離加熱中心越近溫度越高，上升速度越快。三組的溫度變化都局限于加熱中心15mm以內，20mm處溫度未受熱效應的明顯影響，說明該功率及加熱時間下，三者的熱效應的有效半徑均不超過15mm。既往研究表明，骨細胞熱耐受閾值為50℃·30s，4～6分鐘即發生不可逆的細胞壞死[19]。目前認為，50℃為腫瘤熱耐受的極限，50℃以上的溫度區域為有效溫度場，而實驗中三者距中心15mm以內，在加熱及降溫的過程中，都可在一定時間內滿足有效溫度場的要求，但就凝固區范圍看，并不與50℃以上的高溫區完全吻合，而是在垂直電極方向上略小于50℃高溫區，可能由于離加熱中心較遠的地方，雖也可以達到50℃以上，但溫度相對較低，加之維持時間不夠，并未能引起骨組織在肉眼觀察下形態學改變。

因此，微波、射頻及電凝對股骨干骺端均具有制熱滅活作用，微波較射頻熱場溫度高，凝固范圍大，在較大骨腫瘤的治療中宜選用微波。射頻消融較微波有更好的溫控性。相比之下，電刀的制熱效應較低，凝固范圍受多種因素影響差異較大，且缺乏冷循環及溫度監測系統等，使高頻電刀在腫瘤熱療的作用上無法與前二者相比，但其同樣具備高溫滅活腫瘤細胞的功能，如在病灶刮除后的殘腔行一定時間的加熱凝固以殺死殘留腫瘤細胞等，可作為一種輔助治療手段供選擇，但需注意避免對周圍正常組織的熱損傷。

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Swine femoral metaphysis ablation experiment in vitro:a comparative study of heating effects between microwave,radiofrequency and high frequency electrotome

Yan Feifei,Xie Yuanlong,Feng Fan,et al.
Department of Orthopedics,the Zhongnan Hospital of Wuhan University, Wuhan Hubei,430071,China

ObjectiveTocompare the heatingeffects between microwave,radiofrequencyandhigh frequencyelectrotomein porcine femoral metaphysis.Methods Microwave,radiofrequency and high frequency electrotome were applied for 300 seconds at 60 Watts in 30 porcine femoral metaphysis.Thermal sensors were placed at 5,10,15 and 20mm from the electrodes,thediameter and shape,the distribution andvariationtendency of temperaturein the coagulation zone,werecompared between three groups.Results The transverse diameters of lesions ablated with microwave,radiofrequency and electrotomewere(23.3±1.5),(14.8±1.1)and(10.8±1.3)mmrespectively,Thelongitudinal diameterswere(28.1±2.2), (25.3±1.5)and(22.1±1.8)mm respectively,andboth of two diameterswere thattheformerwassignificantly longer than the later than the last(＜0.05).The coagulation zone observed directly by eyes is consistent basically with pathological section.The temperature5,10,15mmfromthe centers of microwaveweresignificantlyhigherthanthe radiofrequencygroup than the electrotome group,but there was no significant difference in three groups at the temperature 20mm from the centers.The three groups could reach the steady-state at 240,210 and 140s independently,the shorter the distance to the heating point,the higher temperature reached and faster the temperature rose.Conclusion Both of Microwave,radiofrequency and electrotome have heating effects to inactivate porcine femoral metaphysis.The temperature of the heating zone and the boundary of microwave are highest and largest in these three groups,followed by radiofrequency,and the heating effect of high frequency electrotome was not as good as the other two groups.

Microwaves;Radiofrequencyablation;Highfrequencyelectrotome;Femur;Epiphyses;Animal experimentation

R318.03

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2016.06.01

swgk2016-04-00091

閆飛飛（1991-）男，碩士在讀。研究方向：脊柱、骨腫瘤。

*[通訊作者]雷軍（1975-）男，博士，副主任醫師。研究方向：骨外科。

2016-04-27)

湖北省自然科學基金面上項目（基金號：2014CFB742）

武漢大學中南醫院骨四科，湖北武漢430071