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肿瘤热疗技术与设备的现状和展望【连载-2】

肿瘤热疗技术与设备的现状和展望【连载-2】
刘珈 湖南省肿瘤医院放疗科 主任医师
 
二、目前常用肿瘤热疗设备种类及特点
    肿瘤热疗设备所使用的热源主要有微波、射频、超声波、激光、以及红外光等。目前在临床上已使用的有：普通功率的微波热疗设备；高功率微波热疗设备；高功率射频深部热疗设备；超声深部热疗设备和高能聚焦超声消融（HIFU）设备；射频、微波消融设备、激光治疗设备和红外全身热疗设备。
（一）普通微波类热疗机：
    自20世纪80年代中期以来，国内已将肿瘤热疗用于临床，所使用的设备是普通功率的微波热疗机，频率多为915MHZ和2450MHz，主要用于表浅肿瘤的局部热疗和直肠癌、宫颈癌、鼻咽癌及口腔癌等的腔内热疗。所选择的治疗温度多为43℃～47℃，有效治疗时间45min～60min。以往的实验及临床结果报道认为与放疗联合使用的疗效较单纯放疗增加1.4倍，即其热增强比大约为1.4。
（二）高能微波类热疗机：
    医用微波热疗常用频率有2450MHz、915MHz、433MHz，它们在空气中的波长分别为12.25cm、32.80cm、69.3cm。微波电磁波振幅随传播深度增加而衰减，大部分能量消耗在体表附近，与射频不同的是这种衰减在脂肪层不明显，因而不会出现脂肪层过热现象。但在进入肌肉组织后能量会急剧衰减，故普通微波难以进行深部加温。为克服微波体外加温中有效加热深度受限、以增加微波治疗的有效深度，一些国家对高能微波技术进行了深入的研究。在微波多辐射器技术方面，美国研制了双馈线辐射器、复合式辐射器，并开发了立体环形矩阵加温的BSD产品，新近改进的辐射器称之为Sigma eye；日本则将单个微波辐射器予以改造采用微波聚焦的原理，研制出微波透镜，所用的频率为430MHz，在体模和小猪的实验中均表明有效加温深度可达5cm。我国在此方面也做了大量的研究工作，目前已有注册的高能微波热疗产品，所采用的频率以915MHz和2450MHz为主。前者所使用的是大功率聚束、低频脉冲调制技术；后者采用的是大功率脉冲调制、多探头聚焦技术。
    经改良后的915MHz高功率聚束微波肿瘤热疗机，在设计时使用了高功率微波透镜，通过透镜天线的作用，能将初级辐射源的弱方向性电磁波聚集为锐方向性电磁波束，使入射的微波功率密度增加，当微波穿透到3cm后幅度降到1/e，但仍有对深部组织进行加热的能力，从而能较好的解决较深部位有效加热问题。又由于治疗时机体暴露在微波辐射下的范围较广，因此能在较短的时间内将体温升至有效治疗温度。此外，治疗头与皮肤间需要保持20cm～30cm左右的距离以保证波束聚集空间，结果由于空气的热平衡作用而使表皮升温得到缓解，因而较少引发加温时的皮肤灼伤。体模实验证实，该类设备具备有效深部加温能力；同时系统的动物实验结果以及较长的临床观察显示，在进行有效深部加温时，对重要组织脏器没有出现明显不能接受的损伤。
    2450MHz微波一般穿透在1.7cm后能量就衰减到无法再对组织进行加温，若需对深部肿瘤提高作用强度，则必须提高入射能量，从而有可能导致因皮肤表层微波能量过高、腹部脏器对微波能量吸收敏感，散热功能差，而产生的间接损伤。有的产品采用了多探头聚焦、大功率脉冲调制技术，通过多个辐射器分时、聚焦后高功率发射，将高峰值入射功率较普通微波热疗机的入射功率提高了几十倍，从而达到对深部组织进行有效加温的作用。
（三）高功率射频深部热疗机：
    射频电磁波对人体组织穿透力较强，常用频率为13.56MHz及其倍数频率27.12MHz、40.68MHz等，高功率射频热疗机是最先用于深部加温的热疗设备。国内一些医疗单位较早期使用的是日产RF-8型热疗机，该机特点是所用频率为8MHz，故加温深度深，但脂肪过热现象明显，皮下脂肪稍厚一些的病人难以耐受治疗。嗣后，我国自行研发了频率为40.68MHz的高功率射频热疗机，较好的改善了治疗中的脂肪过热现象。通过采用四极同频分时加温方式，可更好地解决脂肪过热、且其加温速率较双极式设备更快。13.56MHz的高功率射频热疗机在工程上较易实现，但总体性能逊于40.68MHz的高功率射频热疗机。
（四）微创热消融技术
    20世纪90年代，微创热消融治疗技术迅速兴起，其特点是经过单次或按照治疗程序设计分次热消融，将肿瘤全部烧灼破坏。这是肿瘤非手术治疗的历史性重大进展。目前，热消融治疗在临床应用的主要方法有：激光、高强聚焦超声、射频及微波等。
1．激光消融治疗
    激光消融原理为，在组织中其光能转变为热能，靶标区域温度升高，周边达45℃以上，维持20～30min，造成组织中细胞的凝固坏死。目前技术改进有：①带冷却系统的光纤束，可避免组织碳化，获得更大凝固范围；②带尖端扩散器的光纤，可使局部能量较均匀传播和扩散，以增大消融范围。激光消融治疗的临床应用，目前主要在英国、德国及意大利等欧洲国家发展较快，临床研究报道日见增多，主要用于肝肿瘤的治疗。一般并发症包括发热、轻度胸腔积液、肝被膜下血肿、皮下血肿、气胸、出血等。主要严重并发症：胸水、肝脓肿、胆管损伤、叶段梗塞、出血、严重者可致死亡。但总体并发症低，较为安全。
2．射频和微波消融治疗
    该类热消融治疗技术是指利用射频或微波热能使生物组织快速升温达＞65℃，使被加温组织在短时间内发生凝固、坏死、甚至炭化，从而达到切除或原位灭活良恶性病灶为目的的微创技术。
    射频消融技术的研究开始于1968年。D. Arsonval首先发现100kHz以上的高频交流电能通过活体组织而不引起神经肌肉的兴奋，并将射频热能消融治疗技术引入神经外科和心脏科的治疗中。将射频热能消融治疗技术引入肝癌的治疗则始于20世纪80年代。日本当时采用的是单电极，每次热损毁的最大范围1.6cm，故疗效不佳。射频热能消融治疗技术在肿瘤中的改进、发展和推广运用是在20世纪90年代以后，通过将设备改良使得治疗效果有了明显改善。目前主要的射频消融设备有两类：一类为多电极针，针数为双针至十针不等，此类设备的热凝组织范围较大；另一类为可使尖端冷却的电极针，它可消除治疗中针尖处因高温所至的碳化而对热传导产生的不良影响，从而保证治疗区组织受热的均匀性，并可增加加热范围。目前有报道使用射频热能消融治疗技术的肿瘤病种有肝癌、肺癌、肾癌、盆腔肿瘤以及乳腺癌等。其中使用最多、报道最多的是肝癌。
    微波消融治疗指组织中微波场造成极性分子和离子的高频振动摩擦而升温，通常升温达54℃（1分钟）或60℃（即刻），其细胞中的蛋白质发生变性凝固导致细胞坏死。微波消融治疗的临床应用主要在中国和日本发展较快，在实体瘤的治疗中该项技术的进展主要表现在以下方面：①植入式微波电极的有效热场球形化，包括改进微波电极针的裸芯长度（与波长相关）达到最低声阻抗传输来实现；以及应用硬质裂隙天线，达到能量聚集其周围成球形热场。②微波冷却电极，有水冷和气冷两种。该法可降低中心高温，避免碳化，有利能量传输，并可提高功率，显著扩大有效消融区。③实施多电极组合微波热场的调控，根据肿块大小，一般对5cm以内肝肿瘤，布放微波电极2或3支并且调控不同的功率及时间，可达到整个肿瘤的适形凝固灭活。④建立了计算机模拟系统，解决了临床治疗肝癌的微波热场预设和治疗中的实时监控。
    微创肿瘤热消融治疗的临床远期疗效，已经有了大量报道，基本结论一致：对早期肿瘤，如小于3cm的肝癌期5年生存率不逊于手术切除，甚至稍好。而对于某些较大肿块的中晚期病例，具有肿瘤减荷，减轻痛苦，延长生命的疗效。
（五）高强度聚焦超声（HIFU）消融治疗技术
    超声波是一种频率超过人耳听阈（频率＞20kHz）的机械波。作为医用物理治疗手段，当声源孔经（换能器敏感元件横向尺寸）足够大且频率适当时，超声波具有很强的束射性和方向性，且能达到人体组织的深部。如采用适当方式使之聚焦，则可在焦域（包含焦点，且比焦点处声强低6dB的界面所围成空间的体积）处获得高声强。当其在媒质中传播且强度足够高时，即会使媒产生状态、功能甚至结构的改变。如所指传声媒质为人体或动物组织，则称这些改变为生物效应。在超声诊断中，基于安全性考虑，为提高探测深度和分辨力所做的一切努力都必须以不产生生物学效应为限；而在超声治疗中则相反，为达疗效，必须在治疗部位产生所需性质和程度的生物学效应，而对非治疗部位则必须对声强加以限制以确保安全。故超声生物学效应是超声治疗的生物物理学基础。按照国际上的迄今研究结果和专业界共识，产生超声生物效应的机制包括机械、热和空化三种，其中机械机制是原发或称固有的，而热和空化是派生的。至于生物组织和细胞在超声作用下发生的化学等更深层次改变，应属于上述机制的后果而不宜称为机制。在肿瘤热疗中，以超声波为物理因子的有超声温热治疗技术和高强度聚焦超声（HIFU）热消融技术。
    HIFU技术的研究开始于1942年，由Lynn首先提出了高强度聚焦超声概念。自20世纪80年代末开始，基于医学影像技术的迅速发展，为了寻求对前列腺占位性病变的微创和无创治疗手段，西方发达国家首先开始了相关的物理学和医学基础研究及治疗设备研制。国内于1995年开始介入这一领域，现已有7家企业获准生产该类治疗设备，有关单位结合临床做了大量工作，积累了一定的经验。HIFU的治疗机理是，焦域处的靶组织吸收超声波的声能（机械能）并将其转化为热能，热能将靶组织加热迅速升温，使达到阈值温度（一般认为在65℃以上）的区域蛋白瞬时变性，肿瘤细胞发生不可逆的凝固性坏死，从而达到治疗目的。与此同时，由于焦域内外的声强变化非常陡峭，靶区外的组织细胞达不到发生蛋白变性的温度条件，致使在治疗区与非治疗区之间形成一个较锐利的边界，从而保证了治疗的精确性和可控性。
    用于超声聚焦方式主要有单元声透镜聚焦、反射镜聚焦、单元球面聚焦、多元球面自聚焦和相控阵聚焦等。国内目前使用的有三类：①大直径单元晶片附加透镜式换能器，其超声入路的声束横截面直径较小，在治疗深部病灶时对声道的要求相对较低，临床治疗比较方便。但由于只有一个换能器，发射功率相对较小，故通常采用持续性发射方式（持续时间≥5秒），否则，由于靶区血流带走热量、热驰豫等原因，聚焦区不易出现固化灶。但持续性发射的治疗方式会造成病人治疗区疼痛及内脏不适感，此外超声束经皮时较窄的声道和较大声强，皮肤会产生痛感，使得治疗须在全麻醉条件下完成，故该方式多将治疗设计成一次或两次完成。②多元自聚焦换能器：通常由不多于10个平面或凹球面晶片嵌于球冠内側构成，治疗时可根据需要对单一换能器和多个换能器进行调整；③凹球面壳马赛克式换能器：一般由几十甚至几百个晶片嵌于球冠内側构成。后两种治疗的发射方式为脉冲式间歇性发射，因聚焦后焦域处的声强较大，持续发射会引起声道及表皮损伤，因此治疗所采用的是脉冲式间歇发射方式。随着焦域向人体深部的推进，体表的超声入路声束横截面积增大，治疗中对于超声入路要求提高，疗前需对通道进行预处理。脉冲式间歇性发射，治疗脉冲窄，提高了治疗的安全性，同时亦为空腔脏器的治疗提供了条件。在接受该法治疗时，病人可耐受疗中发生的不适，不需进行麻醉，故可避免或降低局部灼伤的发生率。由于在清醒状态下治疗,病人持续处于强迫性体位下的时间有限，而且作为治疗耦合媒质的脱气水在治疗期间与空气处于半开放接触的状态，随时间延长脱气水中气体含量逐渐增加，使得超声波在耦合媒质中衰减增多，靶区达不到治疗所需的温度，故多采用分次治疗方式。这种方式还可预防或避免因大肿瘤单次治疗而导致肿瘤组织大量坏死产生的肿瘤溶解综合征发生的可能。
    高强度聚焦超声热消融治疗的效果判定，目前多采取综合判定方法，根据患者治疗前后的症状、体征、血液生化检查结果、影像学检查（如超声图像的回声改变，CT或MRI，较好的是采用PET/CT进行观察）结果等进行对比分析评定。对于高强度超声热消融的适应证目前尚存有争议，临床上已用于腹盆腔内使用机载B超可清晰观察肿瘤全貌的实体肿瘤、部分体表肿瘤，如肝癌、胰腺癌、前列腺癌、肾癌、肾上腺癌、乳腺癌的原发病灶、平滑肌瘤、肉瘤、脂肪瘤、妇科肿瘤中的宫颈癌和阴道残端癌以及腹部一个或数目有限的转移瘤；而用于膀胱癌、直肠癌、胃癌等空腔脏器的肿瘤以及溶骨性肉瘤存有争议。
    并发症主要有：①皮肤灼伤；②一过性疼痛及局部充血水肿；③治疗不合理所致的组织坏死和肠穿孔；④偶有发热；⑤进行全麻时可能出现麻醉意外。
（六）红外全身热疗设备
    作为全身加温较为传统的红外热疗设备，以往其致命的弱点是升温速率慢，长时间从体表加热而使得全身体温上升至治疗温度，病人难以耐受，而需全程接受全麻。由于能对人体全身加温的0.76µm-1µm的近红外线穿透深度约为1cm，因此如何提高升温速率从而使受治者能较为便利的接受治疗，以及解决治疗中的温度检测监控，成了该项治疗设备的关键。近年来的研究使其有了新的发展，常用的红外发热材料有半导瓷厚膜发热、镀膜发热、碳晶平面发热、合金发热、陶瓷电热、非金属碳纤维发热等，将它们进行重新组合，有利于发挥各种材料的优势并弥补其不足。最新采用射频+红外的设计，打破了以往的设计思路，不仅可使病人避免在全麻下接受全身热疗，而且其升温速率较单纯红外加温有提高，为该项技术注入了新的内涵。

 

 

点击次数：  更新时间：2014-02-13 09:30:07  【打印此页】  【关闭】
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