基于有限元方法的不同類型腫瘤微波消融區(qū)域分布

楊得富，曹 秒，顏丙寶

(長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

根據(jù)國(guó)家癌癥中心2019年1月發(fā)布的全國(guó)癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)惡性腫瘤死亡占居民全部死因的23.91%，其中肺癌、肝癌 乳腺癌以及上消化道腫瘤仍然是中國(guó)主要的惡性腫瘤[1]。目前對(duì)于惡性腫瘤的治療方法有傳統(tǒng)手術(shù)治療、化學(xué)治療，放射物理治療，生物靶向治療等。然而很多惡性腫瘤患者由于心肺功能差、腫瘤多發(fā)轉(zhuǎn)移，同時(shí)，因腫瘤的位置靠近關(guān)鍵血管、腫瘤的大小和位置等原因，患者無法耐受傳統(tǒng)的外科手術(shù)；部分中晚期的癌癥患者在放療或者化療中獲益有限，并不能有效緩解不適癥狀[2-3]。許多新的局部治療手段逐漸被應(yīng)用到臨床中，包括微波消融、射頻消融，高能超聲聚焦等局部熱療方法，其中微波熱消融是一種極具潛力的治療方式，微波消融過程是基于電磁場(chǎng)能量對(duì)生物組織的致熱作用，使得局部組織迅速產(chǎn)生高溫，利用高溫產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)直接導(dǎo)致病灶組織中的癌細(xì)胞發(fā)生不可逆損傷或者凝固壞死。微波消融是一種相對(duì)微創(chuàng)的且消融效率比較高的治療方式，同時(shí)微波熱消融還可以增強(qiáng)基因治療和放療的治療效果[4-5]。

目前關(guān)于微波熱消融治療腫瘤主要集中于肝癌治療中的研究[6-7]。很多研究者致力于設(shè)計(jì)新型介入式微波消融天線，其中Piotr[8]研究了多縫隙同軸開槽天線在肝臟組織中的治療效果。Ibitoye等[9]模擬并實(shí)驗(yàn)了四種常用的微波消融天線在離體豬肝中的消融特性[9]。Wu等[10]對(duì)超高頻微波信號(hào)在肝癌中的治療進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明高頻微波具有更好的能量聚焦效果，但微波頻率越高將更難獲得較高的功率，從而會(huì)導(dǎo)致治療效率的降低[10]。由于微波消融在肝癌治療中的有效性，使得該方法開始逐漸被應(yīng)用到其他類型腫瘤的治療中[11-14]。而對(duì)于其他類型組織微波消融的基礎(chǔ)研究還比較少，這將導(dǎo)致微波消融技術(shù)廣泛應(yīng)用在其他類型腫瘤的治療中仍缺少研究依據(jù)。為了研究微波熱消融在不同類型的腫瘤組織中的消融區(qū)域形態(tài)以及組織溫度場(chǎng)分布情況，數(shù)值模擬方法可以可視化并預(yù)測(cè)在整個(gè)消融過程中組織狀態(tài)的變化，在腫瘤熱消融手術(shù)模擬以及在微波消融探針設(shè)計(jì)優(yōu)化和消融模式的研究中起到了很大的作用[15]，基于有限元方法可以精確并快速求解這種涉及多物理現(xiàn)象(電磁場(chǎng)和生物傳熱)耦合的問題。

建立單縫隙同軸微波天線在九種器官的健康組織以及包含惡性腫瘤組織中的微波消融模型，基于有限元方法，求解耦合了電磁場(chǎng)和生物傳熱場(chǎng)消融模型，比較了臨床基礎(chǔ)研究應(yīng)用較多的單縫隙同軸微波天線在不同類型組織中比吸收率(SAR)分布情況、溫度場(chǎng)分布情況，以及消融區(qū)域的形態(tài)和大小。

1 研究方法

1.1 微波消融幾何模型

研究中使用的消融天線計(jì)算模型基于50 UT-085半剛性同軸電纜制造的，三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在電纜的外導(dǎo)體上切割1 mm的環(huán)形槽，開槽距離尖端5 mm，開槽結(jié)構(gòu)可使得電磁波傳播到組織中，同時(shí)環(huán)形開槽在天線加工過程中非常容易獲得，內(nèi)導(dǎo)體由鍍銀銅線(SPACE)制成，消融針封裝在套管(導(dǎo)管)中，套管材料為PTFE(聚四氟乙烯)，其工作頻率為2.45 GHz。消融天線材料參數(shù)如表1所示。

圖1 單縫隙同軸微波消融天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of single slot coaxial microwave ablation antenna

在微波消融過程的建模中，將消融區(qū)域的組織設(shè)定為圓柱狀，半徑為30 mm，高為80 mm，微波消融天線插入組織的深度為70.5 mm，為了減少計(jì)算量又保持較高的分辨率和三維形狀，將組織的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)為軸對(duì)稱模式，假定天線周圍的生物組織各向同性均勻分布。Z軸為沿著微波消融天線的方向，R軸為天線的電磁波能量的輻射方向。圖2分別為健康組織的消融模型和帶有腫瘤組織的消融模型，腫瘤的半徑為15 mm。

圖2 有限元仿真幾何模型Fig.2 Geometric model of finite element simulation

1.2 微波消融數(shù)值模型

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測(cè)微波消融過程中電磁波能量在組織中的SAR及消融區(qū)域溫度場(chǎng)分布。接下來分析消融過程中電磁波在生物組織中的傳播和熱量在組織中的傳遞。

根據(jù)一般的微波消融模型簡(jiǎn)化得到二維軸對(duì)稱有限元模型，在模型中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是隨著時(shí)間變化的TEM(transverse electromagnetic wave)波，在2維軸對(duì)稱柱坐標(biāo)下，時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)描述如下[16-18]：

電場(chǎng)：

(1)

(2)

(3)

在生物組織中，微波能量以TEM波的模式傳播，根據(jù)Maxwell方程，微波在生物組織中傳播的波動(dòng)方程描述如下[19]：

(4)

式(4)中：μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，生物組織的相對(duì)磁導(dǎo)率一般設(shè)為1；εr為生物組織的相對(duì)介電常數(shù)；σ為生物組織的電導(dǎo)率；ε0為在真空狀態(tài)下的相對(duì)介電常數(shù)；k為電磁波在真空無散射介質(zhì)中的傳播速度。

(5)

ε0=8.85×10-12F/m

(6)

μ0=4π×10-17H/m

(7)

式中：c0是光在真空中的傳播速度。生物組織的相對(duì)介電常數(shù)εr和電導(dǎo)率σ是影響微波能量在組織中沉積的重要影響因素，具有頻率依賴性，同時(shí)隨著外加電磁場(chǎng)的頻率變化而變化，由于組織結(jié)構(gòu)以及生物物質(zhì)成分的不同也具有顯著差異。根據(jù)4階Cole-Cole模型來計(jì)算出不同生物組織在2.45 GHz電磁波作用下組織的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，Cole-Cole模型描述如下[20]:

εr(ω)=ε′r-jε″r=ε∞+

(8)

式(8)中：εn為活體組織中在第n個(gè)弛豫時(shí)間下的介電增量；ε0和ε∞分別為靜態(tài)介電常數(shù)和頻率趨于無窮時(shí)的介電常數(shù)；τn為弛豫時(shí)間。生物組織的有效電導(dǎo)率σeff可以根據(jù)與復(fù)介電參數(shù)虛部的關(guān)系由式(9)得出：

σeff=ωε0ε″r

(9)

SAR為測(cè)量生物組織在單位時(shí)間內(nèi)吸收微波能量的重要參數(shù)。

(10)

式(10)中：P為在生物組織中吸收的功率密度；ρ為生物組織的密度；σ也可以用有效電導(dǎo)率σeff來表示。

生物組織在微波能量作用下的溫度響應(yīng)過程十分復(fù)雜，其中包括生物組織在微波輻照下外源熱導(dǎo)致的溫升還有生物組織自身發(fā)生生理活動(dòng)伴隨著的傳熱傳質(zhì)過程，由于微波的電磁場(chǎng)能量在組織中的沉積，導(dǎo)致組織溫度升高。生物組織自身的血液灌注等生理活動(dòng)又會(huì)對(duì)組織的溫度起到冷卻作用，生物組織在微波的輻照下的傳熱過程可以應(yīng)用pennes生物傳熱方程來描述，該方程是通過對(duì)人靜息狀態(tài)下前臂溫度的測(cè)量得出的，其綜合考慮到外源熱源以及血液灌注對(duì)生物組織的溫度影響[21]，該方程描述如下：

(11)

Qr=ρSAR

(12)

式中：ρb為血液的密度；c為生物組織的比熱容；cb為血液的比熱容；ke為生物組織的導(dǎo)熱率；Qm是由新陳代謝產(chǎn)生的熱量，與輻照的微波能量相比可以忽略；ωb為血液灌注率；Qr為外源熱。

生物組織消融損傷程度與其承受的溫度值密切相關(guān)，損傷區(qū)域的確定需要考慮溫度和時(shí)間累計(jì)作用效果，根據(jù)Arrhenius模型引入的熱劑量概念以43 ℃為基準(zhǔn)參考溫度，積分形式表示為[22]

(13)

θd=1-exp(-Ω)

(14)

式中：Ω表示組織的熱損傷程度；θd為壞死組織所占的體積分?jǐn)?shù)；T表示損傷閾值的參考溫度；t表示超過參考溫度的時(shí)間；參數(shù)R為氣體常數(shù)，取R=4，A和Ea分別表示頻率因子和反應(yīng)能壘。

求解有限元微波消融模型的過程如圖3所示。微波消融天線結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)如表1所示，不同類型健康組織的物性參數(shù)按照表2[17]給出。研究表明，腫瘤組織的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率一般會(huì)高于健康組織30%[23]，本研究中腫瘤的介電特性按照高于正常組織30%設(shè)置[24]。

圖3 求解微波消融模型的電場(chǎng)、溫度以及損傷分?jǐn)?shù)的過程Fig.3 The procedure of calculate electric field and temperature in the simulation of MWA process

表1 微波消融天線材料參數(shù)Table 1 Material parameters of microwave ablation antenna

表2 生物組織的關(guān)鍵物性參數(shù)Table 2 Key physical parameters of biological tissues

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單縫同軸微波消融天線在健康組織中消融結(jié)果

2.1.1 消融天線在健康組織中SAR分布

首先比較單縫同軸微波消融天線在不同類型的健康組織中的比吸收率分布情況，微波消融的基本原理就是通過微波消融天線向生物組織輻射電磁波，生物組織吸收微波的能量，產(chǎn)生高溫，這是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過程，因此生物組織對(duì)電磁波的比吸收率是影響微波消融區(qū)域的重要影響因素。圖4表示微波消融天線在不同類型的生物組織中的SAR分布，沿著天線插入組織的方向，可以看到在靠近消融天線的開槽處SAR出現(xiàn)峰值，隨著距離的增加，SAR急劇下降。在2.45 GHz下，輸入功率為10 W，微波消融天線在不同生物組織中出現(xiàn)的比吸收率峰值是不同的，同時(shí)出現(xiàn)比吸收率峰值的位置距離開槽處的距離也有顯著差異。從圖4中可以看出，該同軸單縫微波消融天線在肺部組織中的比吸收率顯著大于其他組織，根據(jù)式(10)，生物組織的SAR是由組織的密度和電導(dǎo)率共同決定的，SAR與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，在未充氣的肺部組織中出現(xiàn)最大SAR為6.46 kW/kg，該峰值出現(xiàn)在微波消融天線插入組織67.6 mm處；當(dāng)肺部組織充盈空氣時(shí)，組織的電導(dǎo)率顯著下降，同時(shí)肺實(shí)質(zhì)的密度也顯著下降，因此微波能量在肺實(shí)質(zhì)中的沉積依然高于其他生物組織，此時(shí)組織中出現(xiàn)的最大SAR 5.26 kW/kg，該峰值出現(xiàn)在插入組織深度67.1 mm處。由于乳腺脂肪組織的電導(dǎo)率僅為0.13 S·m-1，因此微波消融天線在乳腺脂肪組織中的SAR最小，峰值僅為1.97 kW/kg在插入深度73.3 mm處。而在其他組織中，由于各種類型的組織的密度相接近，因此SAR峰值主要由電導(dǎo)率決定，電導(dǎo)率越大，出現(xiàn)的峰值越高，同時(shí)SAR峰值出現(xiàn)位置都處于開槽處附近。

圖4 SAR沿著消融天線插入健康組織深度的分布Fig.4 Distribution of SAR values along the ablation antenna in healthy tissue

圖5 微波消融天線在不同類型的健康組織中形成的消融損毀區(qū)域Fig.5 Ablative damaged area formed by microwave ablation antenna in different types of healthy tissues

2.1.2 消融天線在健康組織中的消融區(qū)域分布

當(dāng)輸入微波功率為10 W消融持續(xù)時(shí)間10 min時(shí)，微波消融天線在九種不包含惡性腫瘤的健康組織中產(chǎn)生的損傷區(qū)域云圖如圖5所示。微波能量集中在靠近天線尖部和開縫處，導(dǎo)致開縫處附近組織的溫度最高，并隨著距離的增加而降低。從圖5可以看出，沿著以微波消融天線的穿刺路徑為中心，根據(jù)組織的損傷狀態(tài)，依次可以分為三個(gè)區(qū)，碳化區(qū)、凝固區(qū)、炎性反應(yīng)區(qū)。在碳化區(qū)和凝固區(qū)組織呈現(xiàn)完全不可逆損傷，隨著溫度的降低，組織的熱損傷程度下降，消融區(qū)域向外移行組織呈現(xiàn)可逆損傷的炎性反應(yīng)狀態(tài)。微波消融天線在不同的組織中形成的損毀區(qū)域范圍是有顯著差別的，其中在乳腺脂肪組織中，消融區(qū)域僅在組織與天線較近的接觸區(qū)域形成，消融灶呈窄而狹長(zhǎng)狀態(tài)，在垂直于天線的微波能量輻射方向形成的損傷半徑很小。在其他組織中，微波消融天線所形成的損傷場(chǎng)分布大致呈橢圓形，沿著天線的方向?yàn)殚L(zhǎng)軸方向，垂直天線方向?yàn)槎梯S方向。從圖5(f)、圖5(g)可以看出，天線在肺部組織(充氣和未充氣兩種狀態(tài))中形成的消融區(qū)域均大于在腎臟、肝臟、肌肉、腦白質(zhì)、和灰質(zhì)中的消融區(qū)，可見微波消融天線在肺部組織消融的效率比較高，其中長(zhǎng)軸顯著大于其他組織中形成的損毀區(qū)域長(zhǎng)軸，這表明天線的后向加熱效應(yīng)較強(qiáng)，能量不能集中于消融探針的開槽處和尖部。天線在肌肉組和腎臟、肝臟等實(shí)質(zhì)組織的中的銷毀區(qū)域比較規(guī)則，更接近圓形。

2.1.3 消融天線周圍溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化

在靠近天線開槽處垂直于微波消融探針方向上設(shè)置4個(gè)溫度采樣點(diǎn)，分別距離消融針5、10、15、20 mm，研究在不同類型的生物組織中，不同距離處組織的溫度變化結(jié)果如圖6所示：隨著距離的增加，距離天線不同點(diǎn)處達(dá)到的最高平衡溫度有顯著差異。距離天線5 mm處，充氣的肺部組織最高溫度可達(dá)到124 ℃，而在未充氣的肺部組織則可達(dá)到128 ℃，但在未充氣組織達(dá)到最高平衡溫度的時(shí)間要大于充氣肺部組織，其他組織達(dá)到的最高平衡溫度要遠(yuǎn)小于肺部組織，這是由于肺部組織的相對(duì)介電性和電導(dǎo)率都比較大，而導(dǎo)熱率卻遠(yuǎn)低于其他組織，這導(dǎo)致在距離天線5 mm處的近場(chǎng)加熱區(qū)組織的溫升較高，而向周圍組織熱量擴(kuò)散的能力卻比較弱。其他類型組織在5 mm處的最高平衡溫度在62～86 ℃，其中消融天線在乳腺的脂肪組織中溫升較低為62 ℃，一般認(rèn)為生物組織超過50 ℃就會(huì)立即出現(xiàn)不可逆的損傷。在距離消融天線10 mm處，肺部組織(充氣和未充氣)達(dá)到的最高平衡溫度仍最高，為分別為60.1、58.9 ℃，雖然充氣的肺部組織溫升速率較快，但是未充氣肺部組織達(dá)到的最高平衡溫度要略大，其他類型組織在10 mm處的最高平衡溫度在51.7～56.3 ℃，而乳腺脂肪組織的溫度為44.7 ℃；在點(diǎn)15 mm處和20 mm處的組織溫度隨著距離的增加溫升較低。

2.1.4 消融天線周圍溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)組織損傷變化

四個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組織損傷狀況隨著時(shí)間的變化如圖7所示，在5 mm處，各種類型的組織在4.5 min之內(nèi)的損傷分?jǐn)?shù)都已達(dá)到1，呈現(xiàn)不可逆損傷狀態(tài)；在10 mm處，各種類型組織熱損傷的形成速率較5 mm處緩慢，而充氣肺部組織損傷速率要高于其他類型組織，脂肪組織的損傷分?jǐn)?shù)在消融10 min之后也仍未達(dá)到1；在15 mm處，消融10 min，乳腺組織表現(xiàn)出來的損傷分?jǐn)?shù)較高，但也未達(dá)到完全碳化不可逆損傷狀態(tài)，對(duì)于在20 mm處的組織，損傷分?jǐn)?shù)均小于0.4，處于安全狀態(tài)。

圖7 在不同類型健康組織中距離天線不同距離處的組織損傷程度的變化Fig.7 Changes in tissue damage scores at different distance from antennas in different tissues

圖9 微波消融天線在不同類型惡性腫瘤組織中形成的消融損毀區(qū)域Fig.9 Ablation zone formed by microwave antenna in different types of malignant tumor tissues

2.2 單縫同軸微波消融天線在包含腫瘤的組織中消融結(jié)果

2.2.1 消融天線在腫瘤組織中SAR分布

在健康組織中增加不同類型的腫瘤模型，單縫同軸微波消融天線的工作頻率仍為2.45 GHz，輸入功率為10 W消融10 min。消融天線在含有腫瘤組織中的比吸收率分布如圖8所示，首先單縫微波消融天線在所有含有腫瘤的組織中出現(xiàn)吸收峰值的位置均在開槽處，最大的SAR在腫瘤組織中出現(xiàn)，其中在肺部腫瘤(充氣和未充氣)和由脂肪包裹的乳腺癌組織的比吸收率最高均6.8 kW/m3，其他腫瘤組織的比吸收率明顯較低，但也高于天線在正常組織中的比吸收率，正常組織與腫瘤組織比吸收率的差異主要由于兩者的介電性不同，而組織的介電性與組織的病理狀態(tài)有很大的關(guān)系。

圖8 SAR沿著消融天線插入組織(包含腫瘤組織)深度的分布Fig.8 Fig.8 Distribution of SAR values along ablation antenna in malignant tissue

2.2.2 消融天線在腫瘤組織中的消融區(qū)域分布

在健康組織中添加半徑15 mm的腫瘤，消融天線在組織中產(chǎn)生的損傷區(qū)域云圖如圖9所示，在腦白質(zhì)腫瘤、腦灰質(zhì)腫瘤、乳房腺體腫瘤、腎臟腫瘤、肝臟腫瘤和肌肉瘤中的消融灶形態(tài)均為規(guī)則橢球形，消融探針的消融區(qū)域并未完全覆蓋腫瘤組織，同時(shí)由于天線的后向加熱效應(yīng)導(dǎo)致對(duì)一部分健康組織造成熱損傷，微波消融天線在由脂肪組織包圍的乳腺腫瘤中的消融區(qū)域大致覆蓋了整個(gè)腫瘤，消融灶呈水滴狀，沿著微波消融針的穿刺方向存在尾跡，同時(shí)在腫瘤邊緣處存在約5 mm寬的移行區(qū)，在臨床治療中，為了阻止腫瘤的復(fù)發(fā)，醫(yī)生會(huì)在腫瘤組織邊緣處增加一個(gè)5～10 mm的安全消融邊界。微波天線在肺部未充氣和和充氣狀態(tài)下的消融區(qū)域形態(tài)存在一定差異，在充氣的肺部組織中消融區(qū)域大致也呈水滴狀，但是沿消融天線穿刺路徑的尾跡要比在乳腺脂肪中的腫瘤組織的短，在充氣的肺部組織中，天線的后向加熱效應(yīng)明顯要弱于未充氣狀態(tài)下，同時(shí)在未充氣狀態(tài)下消融天線對(duì)腫瘤外的健康組織的損傷更強(qiáng)于充氣狀態(tài)下，這是由于在充氣狀態(tài)下，腫瘤周圍的組織含有大量空氣，而空氣是不良導(dǎo)熱體，這將導(dǎo)致腫瘤組織中的熱量較少的傳導(dǎo)到周圍的健康組織中，使得熱量更集中在腫瘤，而乳腺腫周圍的脂肪組織也是很好的保溫材料，在微波消融過程中起到了同樣的保溫作用。

2.2.3 消融天線周圍溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化

同樣，當(dāng)輸入功率為10 W消融時(shí)間為10 min，在垂直于天線穿刺路徑的徑向方向上設(shè)置4個(gè)溫度采樣點(diǎn)，分別距離天線開槽處5、10、15、20 mm。在不同類型的組織中，各點(diǎn)的溫度隨著消融時(shí)間升高然后區(qū)域平衡，在不同組織中各個(gè)點(diǎn)的溫升速率和最高平衡溫度有顯著差異，同時(shí)隨著距離的增加，各點(diǎn)的最高溫度也會(huì)有所不同，在點(diǎn)5 mm處，由脂肪包圍的乳腺癌組織的溫升最快同時(shí)在消融過程中達(dá)到的溫度最高約為163 ℃，而在充氣和未充氣狀態(tài)下的肺部組織中該點(diǎn)的最高溫度分別為102、101 ℃僅有微小差別，在腦白質(zhì)腫瘤組織中該點(diǎn)的溫度最低僅達(dá)到72 ℃；在點(diǎn)10 mm處，仍然在由脂肪組織包圍的乳腺癌組織中達(dá)到最高溫度，但是達(dá)到的最高平衡溫度為85.3 ℃，僅為點(diǎn)5 mm處的一半，這是由于在點(diǎn)5 mm處為微波消融天線的近場(chǎng)區(qū)域，該區(qū)域?yàn)樘炀€的主要加熱區(qū)域，組織的溫升主要因素是基于對(duì)電磁波能量的吸收，而在點(diǎn)10 mm處超過了2.45 GHz微波在生物組織中穿透的有效深度，所以該區(qū)域的溫升是基于組織的溫差而進(jìn)行熱傳導(dǎo)，這主要與組織的導(dǎo)熱性能相關(guān)。在點(diǎn)15 mm處即腫瘤邊界點(diǎn)，由圖10可知，在乳腺癌組織中的溫度仍達(dá)到55.8 ℃，據(jù)研究當(dāng)生物組織的溫度達(dá)到50 ℃時(shí)即可立即發(fā)生損傷，而其他組織在該點(diǎn)處的溫升則比較低，在點(diǎn)20 mm處，所有類型組織中達(dá)到的最高溫度僅為41.6 ℃。

圖10 在包含惡性腫瘤組織中距離天線5、10、15、20 mm處的組織溫度的變化Fig.10 The temperature curves of the different malignant tissue at the positions of 5,10,15,20 mm away from the single slot antenna

2.2.4 消融天線周圍溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)組織損傷變化

根據(jù)Arrhenius熱損傷計(jì)量模型，這四個(gè)溫度采樣點(diǎn)處組織的損傷狀況如圖11所示，在點(diǎn)5 mm和10 mm處的組織經(jīng)過消融10 min后呈現(xiàn)完全損傷狀態(tài)，但在點(diǎn)5 mm處各種類型組織的損傷速率要顯著大于10 mm處，在5 mm處組織的損傷分?jǐn)?shù)達(dá)到1；平均時(shí)間為2.5 min，而10 min處則約為5 min；在點(diǎn)15 mm處，由脂肪包裹的乳腺癌組織的損傷分?jǐn)?shù)在8.5 min時(shí)達(dá)到1，呈現(xiàn)完全損傷狀態(tài)，其次是在充氣狀態(tài)下的肺部腫瘤組織中的損傷分?jǐn)?shù)可達(dá)0.84，對(duì)組織也會(huì)產(chǎn)生一定損傷，對(duì)于其他類型的組織的損傷分?jǐn)?shù)比較低，組織呈現(xiàn)可逆損傷狀態(tài)，而在20 mm處，各種類型組織的損傷分?jǐn)?shù)最高僅為0.36，組織呈現(xiàn)微水腫的炎性反應(yīng)狀態(tài)，處于可逆損傷的安全范圍。

圖11 在不同類型腫瘤組織中距離天線5、10、15、20 mm處溫度檢測(cè)點(diǎn)的損傷程度的變化Fig.11 Changes of damage scores in malignant tissue at 5,10,15,and 20 mm from antennas in different tissues

3 結(jié)論

基于有限元數(shù)值仿真方法分析了單縫隙同軸微波消融天線在九種類型的人體組織和腫瘤組織中的SAR分布、溫度場(chǎng)分布，以及消融區(qū)域的形態(tài)，得出以下結(jié)論。

(1)單縫隙同軸微波消融天線在由脂肪組織包裹的乳腺癌組織和充氣狀態(tài)下的肺癌腫瘤組織中獲得了比較好的消融效果，在這兩種腫瘤類型中，瘤體被天線的消融區(qū)域完全覆蓋，同時(shí)微波消融天線在這兩種類型的組織中的比吸收率SAR最高，腫瘤組織達(dá)到的最高溫度也遠(yuǎn)大于其他類型的組織，在中國(guó)肺癌和乳腺癌分別位于男性和女性惡性腫瘤發(fā)病率的首位，因此微波消融技術(shù)可以作為一種安全且有效的新治療技術(shù)應(yīng)用在肺癌和乳腺癌的治療中。

(2)微波消融天線在腎臟、肝臟、肌肉、腦白質(zhì)、腦灰質(zhì)的腫瘤中形成的消融區(qū)域的形態(tài)基本接近，均為橢圓形，天線在這些組織中形成的消融區(qū)域?qū)】到M織的損傷相對(duì)嚴(yán)重，同時(shí)消融病灶也并未完全覆蓋腫瘤，雖然增加消融功率可實(shí)現(xiàn)消融灶對(duì)腫瘤的完全覆蓋，但這同時(shí)也會(huì)增加對(duì)健康組織的損傷。

目前應(yīng)用微波消融治療肺癌和乳腺癌的基礎(chǔ)研究和臨床研究數(shù)據(jù)還比較少，還需要進(jìn)一步研究，同時(shí)由于各種微波消融天線結(jié)構(gòu)的差異，在不同組織中形成的消融區(qū)域形態(tài)也不同，因此還需要研究不同類型的消融天線在生物組織中的有效損毀區(qū)域，選擇設(shè)計(jì)適合不同類型腫瘤組織的適形消融天線，以實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)治療。研究建立的包含不同類型腫瘤的微波消融模型為微波消融技術(shù)應(yīng)用于臨床提供基礎(chǔ)，同時(shí)可以為臨床醫(yī)生實(shí)行消融手術(shù)提供指導(dǎo)。