基于超声引导的不同功率和能量的Nd:YAG激光消融效果的对比试验研究

【作 者】陈松旺，徐大华，顾建平

南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）超声科，南京市，210006

结节性甲状腺肿和甲状腺结节的发病率近年来有提高趋势。治疗甲状腺结节的方法有手术法、射频消融法和药物治疗法。激光热消融治疗甲状腺结节可偶见国外有学者报道[1-8]，治疗病变包括良性甲状腺结节[1-4]、高功能腺瘤[5]和甲状腺乳头状癌[8]。治疗结果显示，激光热消融治疗后结节明显缩小，高功能腺瘤患者的甲状腺激素水平明显下降，甲状腺乳头状癌病灶内细胞完全坏死。激光热消融治疗中，国外不同学者所用的激光功率和能量不同，分别为（1～7）W、（500～3000）J不等。但何种功率和能量组合更能取得较好的消融效果，是本研究的目的，详述如下。

1 激光消融甲状腺的原理

激光仪的主要部分为激光发生器，其产生的Nd:YAG激光是近红外线激光，波长为1064 nm，具有较好的穿透深度。

激光消融甲状腺组织的机理为激光与甲状腺组织间的热效应，导入组织的热能与使用的激光能量呈线性关系[9]。光子为组织生色基团所吸收，转化为热能，组织被加热到高于某一特定温度并持续一定的时间，则蛋白质发生凝固变性，其他的热效应包括气化和炭化[10]。气化可引起爆炸性的组织破裂（爆米花效应），尤其当其发生在温度最高点附近时。炭化可以显著增加组织热量吸收，从而减少组织穿透距离，并缩小坏死区域。过度高热还可能引起光导纤维本身的损坏[9]。

2 方法

2.1 实验仪器

激光仪由意大利百胜公司提供，型号为Echo Laser X4，波长为1064 nm的Nd:YAG激光，光纤为直径300 μm的石英光学纤维，功率(0～7)W，能量范围(500～1800)J连续可调。彩超仪为意大利百胜MyLab9.0，超声探头频率(6～18)MHz。

2.2 实验材料

离体新鲜猪甲状腺140只，由南京放心肉供应基地提供。

2.3 实验步骤

(1)剪剔离体新鲜猪甲状腺周围的脂肪、筋膜及肌肉组织，并编号。

(2)根据激光功率和能量的不同组合，分4组：500 J、900 J、1350 J和1800 J组。每能量组再按激光光纤的功率又分为1 W、2 W、3 W、4 W、5 W、6 W和7 W组。每种组合消融离体猪甲状腺5只。

(3)将离体猪甲状腺平放于操作台上，在超声引导下用21GPTC针从甲状腺一端穿刺，进入其实质部。在到达甲状腺实质居中部位后，再通过PTC针置入激光光纤，确认位置合适后，将PTC针后退约10 mm，使激光光纤前端约10 mm直接接触甲状腺实质，见图1。

图1 激光消融前，可见穿刺针及前端激光光纤（+—+间）Fig.1 Puncture needle and fiber tip of laser are showed before laser ablation

(4)调节好激光发生器的功率及能量设置，启动激光发生器开始消融。用超声实时观察消融过程。在消融开始后短时间内，可显示激光光纤周围甲状腺组织回声不规则增强，随着治疗时间的推移，回声增强范围不断向外扩展，并在增强回声后方产生声影，见图2。观察激光发生器的显示器，当能量显示器到达设定数字时，立即停止消融。

图2 激光消融后，可见消融区域甲状腺组织内强回声及后方声影Fig.2 Hyperechogenicity and acoustic shadow in ablation thyroid are showed after laser ablation

(5)消融结束后，退出激光光纤，PTC针暂留甲状腺内。沿PTC针长轴剖开甲状腺，测量消融灶和空洞的长径和厚径。再在其最大横切面处横切，测量消融灶和空腔宽径。

2.4 病理学检查

将解剖的消融灶组织置于10%福尔马林溶液中固定，然后行病理切片、染色及显微镜下检查。进行电镜检查时，需用特殊的溶液固定后进行观察。

2.5 统计学方法

采用SPSS17.0统计软件包对数据进行分析处理。计量资料用均数±标准差（±s）表示，组间比较用随机区组设计的方差分析，两两比较用q检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

3 试验结果及分析

3.1 消融灶的径线、面积及体积与激光能量、功率关系

统计结果见表1和表2。统计结果表明：同一能量组不同功率组内比较，功率（3～7）W时，消融灶的径线、面积和体积明显大于2 W（P＜0.05）。随着激光功率（3～7）W的增加，离体猪甲状腺消融灶的径线、面积和体积亦增加,但其增量没有统计学意义 （P＞0.05），即激光能量相同，功率为3 W时，达到较好的消融效果。不同能量组的相同功率组间比较，功率为2 W时，各能量组间离体猪甲状腺消融组织的径线、面积和体积没有差异（P＞0.05）；功率3 W时，1800 J组的离体猪甲状腺消融组织的径线、面积和体积明显大于1350 J、900 J、500J组（P＜0.05）。功率（4～7）W时，1800 J和1350 J组的离体猪甲状腺消融组织的径线、面积和体积明显大于900 J、500 J组（P＜0.05）；而1800 J、1350 J组及900 J、500 J组的离体猪甲状腺消融组织的径线、面积和体积只是量上的增加，其增量没有统计学意义（P＞0.05）。功率3 W时，1800 J达到较大的消融组织的径线、面积和体积。而功率（4～7）W时，1800 J组与1350 J组比较，消融组织的径线、面积和体积的大小没有明显区别，即1350 J即可达到较好的消融。

3.2 消融灶空腔的径线、面积及体积与激光能量、功率关系

激光功率为1 W、2 W时，沿针道未见空腔形成。激光功率(3～7)W时，各能量组沿针道可见空腔及炭化形成。统计结果见表3、表4。统计结果表明：同一能量组不同功率组内比较，功率（3～7）W时，空腔的径线、面积和体积明显大于2 W（P＜0.05）。随着激光功率（3～7）W的增加，离体猪甲状腺消融灶的径线、面积和体积亦增加，但其增量没有统计学意义（P＞0.05）。不同能量组的相同功率组间比较，空腔的径线增减没有统计学意义。

表1 各组消融灶的长径、宽径及厚径Tab.1 Diameters of ablation lesion in three direction

表2 各组消融灶的截面积、体积Tab.2 Areas and volumes of ablation lesion

表3 各组消融灶空腔的长径、宽径及厚径Tab.3 Diameters of cavity of ablation lesion in three direction

表4 各组消融灶空腔的截面积及体积Tab.4 Areas and volumes of cavity of ablation lesion

3.3 激光消融区域组织的病理变化

(1)大体病理变化

激光消融离体猪甲状腺后，沿穿刺针长轴剖开甲状腺，观察剖面甲状腺实质的改变。实验结果显示，功率1 W时，各能量组剖面沿针道周围未见甲状腺实质的改变，未见空腔形成。功率2 W时，各能量组剖面沿针道可见椭圆形的呈灰色改变的坏死组织，未见空腔及组织炭化。功率（3～7）W时，各能量组剖面沿针道可见一空腔，空腔周围见薄层炭化组织，再外层为坏死的呈灰色改变的组织，最外层为周围正常甲状腺组织，见图3。

图3 3 W/1350 J激光消融离体猪甲状腺后，中心可见空腔，其周围依次为炭化区、坏死区、移行区及正常区。Fig.3 Central cavitation zone surrounded by zones of carbonization,necrosis,transition and normality are be seen after porcine thyroid ablation in vitro of 3 W/1350 J laser

(2)显微镜下病理变化

激光消融区域形成空腔，腔内壁为棕褐色炭化组织，细胞形态不清。炭化组织下方可见薄层甲状腺滤泡变性，滤泡上皮不明显，部分滤泡腔内可见空泡，见图4。甲状腺小叶间动脉内膜增厚，可见不规则乳头状增生伴部分内膜细胞脱落，动脉壁外膜变性，血管外组织呈灼伤后改变，见图5。

图4 激光消融中心区域形成的细胞组织变化（HE染色，×200）Fig.4 Cell tissue change in central laser ablation zone (HE stain,×200 )

图5 甲状腺组织的结构改变（HE染色×200）Fig.5 Structures change of thyroid tissure (HE stain,×200)

(3)电镜下病理变化

激光消融电镜观察：①坏死区（炭化周边明显颜色改变区） 滤泡上皮细胞细胞膜中断，显示欠清，细胞器崩解呈碎片状，结构消失，细胞核核膜部分中断，核内染色质稀疏，出现边集，见图6；②移行区滤泡上皮细胞细胞膜显示尚清，线粒体、内质网等细胞器肿胀，细胞和部分中断，染色质出现边集，见图7；③远端区 滤泡上皮细胞细胞膜完整，线粒体、内质网等细胞器显示清晰，细胞核核膜完整，核内染色质分布均匀，见图8。

图6 激光消融猪甲状腺坏死区Fig 6 Necrosis after porcine thyroid laser ablation

图7 激光消融猪甲状腺组织的移行区Fig 7 Transitional zone after porcine thyroid laser ablation

3.4 激光的功率、能量和消融灶大小及病理改变间的关系

随着激光功率和能量的增加，甲状腺组织温度不断升高，加热时间缩短，升温迅速。针道中心组织温度上升最快，温度最高，在短时间内针道中心组织气化形成空洞，空洞周围组织炭化变黑。炭化的组织明显减少了激光能量的传导，使得炭化周围甲状腺组织温度迅速降低，传导距离的增加也使炭化周围组织内温度逐渐下降，使消融灶的大小能控制在一定的范围内。

图8 激光消融猪甲状腺组织的远端区Fig 8 Remote zone after porcine thyroid laser ablation

该实验结果表明，激光功率1 W时，加热产生的温度低，光纤所在区域甲状腺组织未见空洞形成和实质的改变。激光功率2 W时，仅见光纤周围甲状腺组织呈灰白色改变，但其所产生的温度不足以使组织形成空洞和炭化。功率（3～7）W时，产生的温度较高，可使光纤所在区域甲状腺组织气化形成空洞，空洞周围组织炭化，炭化外层组织呈灰白色改变。但激光功率在（3～7）W时，由于炭化的组织明显减少了激光能量的传导，激光功率增加，虽使甲状腺消融灶的大小及空洞的大小有增加，但不具有统计学意义。在同一功率组，随着激光消融时间及能量的增加，离体猪甲状腺消融灶的径线、面积和体积亦增加，但当能量达到1800 J时，达到最大值。

4 结论

可见，激光消融离体猪甲状腺消融效果明确，消融灶的大小随着激光功率及能量的增加而增加。直径为300 μm的光纤产生的激光，当激光功率为3 W、能量为1800 J时达到较理想的消融效果，消融灶的长径为(22.24±2.00）mm，宽径为(13.26±3.38）mm，厚径为(11.76±0.45)mm。该实验的结果将为进行活体猪甲状腺激光消融和人体甲状腺结节的临床激光消融打下基础。

[1]Pacella CM,Bizzarri G,Guglielmi R,et al.Thyroid tissue: US-guided percutaneous interstitial laser ablation-a feasibility study[J].Radiology,2000,217(3): 673-677.

[2]Helle Dossing,Finn Noe Bennedk,Steen Karstrup,et al.Benign Solitary Solid Cold Thyroid Nodules: US-guided interstitial laser photocoagulation—initial experience1[J].Radiology,2002,225(1):53-57.

[3]Enrico Papini,Rinaldo Guglielmi,Giancarlo Bizzarri,et al.Treatment of benign cold thyroid nodules:a randomized clinical trial of percutaneous laser ablation versus levothyroxine therapy or follow-up[J].Thyroid,2007,17(3): 229-235.

[4]Roberto Valcavi,Fabrizio Riganti,Angelo Bertani,et al.Percutaneous laser ablation of cold benign thyroid nodules: a 3-year follow-up study in 122 patients[J].Thyroid,2010,20(11): 1253-1261.

[5]Pacella CM,Bizzarri G,Spiezia,et al.Thyroid tissue: US-guided percutaneous laser thermal ablation [J].Radiology,2004,232(1):272-280.

[6]Gerardo Amabile,Mario Rotondi,Giovanni De Chiara,et al.Clinical research: low-energy interstitial laser photocoagulation for treatment of nonfunctioning thyroid nodules: therapeutic outcome in relation to pretreatment and treatment parameters[J].Thyroid,2006,16(8): 749-755.

[7]Helle Dfssing,Finn Noe Bennedb?k,Laszlo Hegedüs.Effect of ultrasound-guided interstitial laser photocoagulation on benign solitary solid cold thyroid nodules: one versus three treatments[J].Thyroid,2006,16(8): 763-768.

[8]Enrico Papini,Rinaldo Guglielmi,Gharib Hosseim,et al.Ultrasound-guided laser ablation of incidental papillary thyroid microcarcinoma: a potential therapeutic approach in patients at surgical risk[J].Thyroid,2011,21(6): 1-4.

[9]Hans-Joachim S,Frank E,Volkhard UF,et al.Basic principles of laser induced interstitial themotherapy in brain tumor [J].Med Laser Appl.,2002,17: 147-161.

[10]杨继庆.刘鲁伟,文峻,等.激光生物组织热作用的影响因素[J].激光杂志,2005,26(5): 94.