不同频率射频用于仿硬化斑块消融方法研究

【作 者】马云涛，邹金成，张爱丽上海交通大学生物医学工程学院Med-X研究院，徐汇区，200030

不同频率射频用于仿硬化斑块消融方法研究

【作 者】马云涛，邹金成，张爱丽
上海交通大学生物医学工程学院Med-X研究院，徐汇区，200030

为研究射频治疗动脉粥样硬化中关键的加热规律和加热能力的问题，该文通过设计两种仿硬化斑块实验结构，使用三种不同频率射频以及多种电极排布方式，探究了射频加热的规律和在特殊结构下的加热能力的问题。实验结果显示，在相同的电压下，加热升温能力和加热面积随着射频频率的增大而提高，同时，在纤维帽中嵌入脂质颗粒的结构下，使用三电极且中间电极极性与两侧电极极性相反时，将中间电极对准脂质颗粒，可以实现对其有效加热。

动脉粥样硬化；射频；消融

0 引言

动脉粥样硬化危害性大，发病率高，易导致动脉弹性的降低和动脉管腔变窄，从而引发局部缺血、心肌梗死、中风、心绞痛等疾病。目前球囊成形术在临床上使用最为广泛，但术后再狭窄率极高，为了降低再狭窄问题，部分学者于20世纪80年代末提出使用射频热疗方法治疗动脉粥样硬化[1]，就目前已有的研究来看，射频球囊可以在短期内取得较好的治疗效果，但长期仍然存在比较大的再狭窄问题，原因在于手术中无法控制受热区域和受热程度，受热不均匀，无法对斑块选择性消融，同时治疗过程中对内皮造成损伤导致平滑肌细胞过度增生[2]。若要将射频成功用于动脉粥样硬化的治疗，需要更加深入的研究射频加热的特性，精确控制加热温度和范围，在保护血管内皮不被损伤的前提下，实现对硬化斑块选择性杀伤。

目前针对射频加热特性的研究主要集中在肿瘤治疗领域中，Haemmerich等[3-4]建模分析肿瘤组织和正常组织在10 kHz和500 kHz频率作用下组织内部电流场和温度场分布不同，得到了在较低频率下可实现优先加热肿瘤而不伤害正常组织的结果；Ekstrand等[5]对如何使用射频优先加热乳腺癌中的肿瘤组织而不伤害肿瘤组织周围的脂肪展开研究；Franco等[6]对射频消融生物组织中的脂肪的能力展开研究，并且采用了500 kHz和4 MHz频率的射频分别对猪肉加热，发现500 kHz射频作用下，加热范围更大，但加热速度较慢，而4 MHz射频具有更快的加热速度但加热范围相对较小。Blenky等[7]研究了不同频率射频对生物组织穿透深度的不同，并通过实验证实了穿透深度随频率的增大而减小。

通过总结以上在较大尺寸生物组织上的射频加热的研究可以发现，影响射频加热能力的最重要因素就是生物组织自身的电导率，相同射频频率下，导电率越大，射频加热速率越快，同时，射频自身频率的大小也会改变生物组织电导率，频率越高，生物组织电导率越大，从而也在一定程度上增加了加热速率[8]。在目前肿瘤的临床治疗中，除了运用不同频率的射频对不同的生物组织具有不同的加热能力外，可以通过调节射频的频率、功率、电压等变量有效地控制加热效果。但与治疗肿瘤不同，动脉粥样硬化的治疗过程中需要在消除内部堆积脂质的同时，还需要对内膜加以保护，以防止硬化斑块内部成分进入血液。同时，由于血管壁的尺寸极薄，斑块尺寸很小，形状极其不规则，且成分复杂，一系列因素均加大了治疗难度。因此，通过探究在不同频率射频的加热规律以及设计不同的电极排布方式，以实现适形且温度层次分明的治疗是治疗动脉粥样硬化的关键所在。

为了能够实现温度层次分明的热物理治疗，本文在基于已有的理论知识，将动脉粥样硬化斑块的结构分为两种：第一种是斑块中没有脂质池，全部由平滑肌细胞等的堆积而成；第二种为纤维帽中嵌入少量的脂肪块。根据以上分析的两种硬化斑块结构，该文利用仿生物组织胶和猪脂肪设计两种模拟结构，同时采用了三种不同频率的射频以及电压、功率等多种控制方式进行加热，研究了不同控制模式下射频对不同结构模拟斑块的加热能力、加热范围以及组织加热过程中温度场的分布规律，为后续采用射频加热精准治疗动脉粥样硬化提供实验依据。

1 试验方法

1.1 生物胶制作及结构设计

动脉粥样硬化斑块中主要分为两种成分：纤维帽和脂质池。其中，纤维帽与人体肌肉组织的成分相接近，可以采用生物胶来模拟，因为生物胶的传热特性和导电特性方面与人体肌肉组织非常接近，相比于肌肉组织更容易控制形状。生物胶采用88.5%的蒸馏水，0.46%的氯化钠，5.54%的甲醛溶液和5.51%的明胶制作而成。而硬化斑块中的脂质池则直接采用猪脂肪模拟。

动脉粥样硬化斑块结构主要分为两种，考虑到部分硬化斑块只有纤维帽成分，则该类型只用生物胶模拟；部分硬化斑块结构为纤维帽中包含着脂质池，则在生物胶的中间放置一定体积的猪脂肪颗粒来模拟。

1.2 胶体温度的测量方法

本研究中的射频加热仪器采用了由上海交通大学生物医学工程学院工程中心自主研发的，基于E类功率放大电路设计的射频治疗系统，该系统可选择发射460 kHz、920 kHz和2 MHz三种不同频率的射频信号，在每种频率下，控制模块均具备可控电压与可控功率两种控制模式。温度测量采用的是红外热成像分析仪（型号：FLIR SC3，美国），精度为0.1 ℃。

为了研究不同频率射频的加热规律以及探究在复杂斑块结构下的加热策略，该文设计了两种实验方案。第一种方案针对完全由平滑肌细胞堆积而成的硬化斑块结构，重点研究不同频率射频的加热规律，实验材料完全由生物胶模拟，将放置在载玻片上的单电极（5 mm×5 mm正方形铜片，厚度为36 μm）置于仿生物组织胶的正上方，用微细绝缘铜导线引出接到射频电极正极，生物组织的正下方放置了负极铜板接入射频负极。红外热成像仪正对着放置有正极板的截面，用于记录截面温度场的分布，如图1所示。

图1 实验系统图Fig.1 Experimental system diagram

第二种方案针对平滑肌细胞中嵌入脂质颗粒的硬化斑块结构，重点研究特殊结构下的治疗策略，实验系统和设计方案不变，但是将生物胶的垂直界面尺寸设置为1 cm×3 cm，在正中间的位置放置猪脂肪颗粒，尺寸为4 mm×8 mm。测温方式与实验一相同，电极尺寸不变，数量增加到三个，电极间距为4 mm，将均匀排布在载玻片上的三个电极放置在生物胶上，如图2所示。

图2 第二种实验结构设计的垂直截面图Fig.2 Vertical section of the second experimental structure design

2 实验结果与讨论

2.1 不同频率射频加热规律研究

在单电极加热规律研究的实验中，采用电压控制模式将峰峰值设为50 V，环境温度为15oC，分别截取加热时间为5 s，10 s和15 s时的热云图进行对比，同时为方便比较，将增量温度标尺设置为4.5oC到20oC。

实验共做三组，图3为其中一组实验结果，从图3中可以看到，相同的电压峰峰值下，组织温度的上升增量与加热的时间长度和射频频率的高低成正比，射频频率高，加热时间长，温度增量大，反之则相反。除此之外，相同时间内，加热的范围也随着频率的升高而变大。通过对三组实验结果统计并取平均值计算得到表1。

图3 三种频率下加热时间为5 s、10 s、15 s的热云图Fig.3 Thermal cloud diagram at 5 s,10 s,15 s under three frequencies

表1 加热面积与最高增量温度统计Tab.1 Heating area and maximum increment temperature statistics

射频频率的增大导致生物胶内部的导电离子、自由电子等运动加剧，从而使生物胶的电导率上升，电导率的增大直接导致了加热速率的上升，所以在相同时间内，频率越高，加热功率越大，生物胶吸收的总能量越多，温度上升也就越快，加热面积越大。

2.2 特殊结构下治疗策略研究

因为射频主要利用高频电流场的热效应加热，当脂肪颗粒包裹在生物胶中时，电流优先通过阻抗较小的生物胶，热效应几乎完全集中在生物胶表层，所以无法对中间的猪脂肪颗粒产生有效的加热。为了能够对脂肪颗粒产生有效的加热，该文设计多电极加热能力研究实验，输出功率设置为1.5 W，加热时间设置为90 s，同时根据三个电极极性分布的不同，共设计了五组实验，如表2所示，每组实验重复三次。

表2 三个电极的极性分布Tab.2 The arrangement of electrode polarity

当三个电极均为正极的情况下，负极是胶体正下方的铜片，当三个电极中有一个为负极的时候，胶体正下方绝缘。实验结果如图4所示。

图4 多电极下加热云图Fig.4 Thermal cloud diagram under three frequencies

从实验结果中可以发现，当三个电极均为正电极时，没有得到预期的加热效果，460 kHz在的最高温度只有32 ℃，而在920 kHz和2 MHz下温度则更低，其主要原因在于负极铜片直接与生物胶相连接，电流优先通过阻抗较小的生物胶在正负极之间流通，而不流经猪脂肪颗粒，所以电极个数的增加、电极面积的增大都无法对中间的猪脂肪颗粒产生有效的加热效果。

当电极排布为正负负和正正负时得到了比较类似的结果，其中当电极排布为正负负时，热量集中在了正极区域，460 kHz下的最高温度达到46oC，当电极排布为正正负时，热量集中在了负极区域，460 kHz下的最高温度达到48oC，可见两组实验中，热量均集中在了左右两侧的不同极性的电极下方。但是中间的脂肪颗粒都没有得到明显的加热，基于电流效应的原理可以得知电流通过阻抗较小的生物胶从电极正极流向电极负极，不经过猪脂肪颗粒，所以无法对其加热。

当中间电极极性与两边电极极性不同时，中间电极为正和负的两种情况中均得到了比较类似的结果，热量都集中在了中间的区域，而且脂肪颗粒都受到了明显的加热，证明了这种电极正负排布方式的有效性，在460 kHz下加热达到的最高温度都接近55oC，920 kHz和2 MHz加热达到的温度依次降低，而且在两组实验中，中间脂肪颗粒的温度都达到45oC以上。其原因在于在这种正负排布方式下，中间的电极极性与两边极性不同，所以会有产生很明显的尖端放电的效果，从而使热量集中在中间电极的正下方，脂肪颗粒也就得到了显著的加热。

3 结论

随着射频技术的进步，射频在多种疾病的临床治疗上有越来越多的运用，如将射频用于癌症的治疗，或者是针对慢性病的理疗等，都取得了不错的效果。

该文通过对动脉粥样硬化斑块结构的研究，使用生物胶和猪脂肪，设计可以用于模仿斑块结构的实验材料，并初步研究了不同频率射频的不同加热效果，发现当输出电压相同时，加热升高的温度以及加热面积与射频频率成正比。随后该文重点探究了复杂结构下的治疗策略，当斑块结构为纤维帽中存在较小脂肪颗粒时，可以使用多电极排布并对称设计正负极性的微电极阵列，该设计可以放大不同极性电极的“尖端放电”效应，大大增强加热效果，从而使下层的脂肪颗粒得到有效的加热，对脂质池实现了选择性消融，为后续的实验以及最终的治疗提出了卓有成效的建议。

基于本文所设计的射频发生设备以及相关实验结果，充分显示了将射频用于动脉粥样硬化治疗的可行性。未来将进一步完善射频发生设备，依据治疗的需求设计更多的频率，同时设计更小尺寸的电极以及更多的排布方式，实现多种情况的最优治疗。

[1] Fram D B, Gillam L D, Aretz T A, et al. Low pressure radiofrequency balloon angioplasty: evaluation in porcine peripheral arteries[J]. J Am Coll of Cardiol, 1993, 21(6): 1512-1521.

[2] Yamashita K, Satake S, Ohira H, et al. Radiofrequency thermal balloon coronary angioplasty: A new device for successful percutaneous transluminal coronary angioplasty[J]. J Am Coll Cardiol, 1994, 23(2): 336-340.

[3] Haemmerich D, Schutt D J. RF ablation at low frequencies for targeted tumor heating: in vitro and computational modeling results[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2011, 58(2): 404-410.

[4] Haemmerich D, Wood B J. Hepatic radiofrequency ablation at low frequencies preferentially heats tumour tissue[J]. Int J Hyperthermia, 2006, 22(7): 563-574.

[5] Ekstrand V, Wiksell H, Schultz I, et al. Influence of electrical and thermal properties on RF ablation of breast cancer: is the tumour preferentially heated[J]. Biomed Eng Online, 2005(4): 41.

[6] Franco W, Kothare A, Ronan S J, et al. Hyperthermic injury to adipocyte cells by selective heating of subcutaneous fat with a novel radiofrequency device: feasibility studies[J]. Lasers Surg Med, 2010, 42(5): 361-370.

[7] Belenky I, Margulis A, Elman M, et al. Exploring channeling optimized radiofrequency energy: a review of radiofrequency history and applications in esthetic Fields[J]. Adv in Ther, 2012, 29(3): 249-266.

[8] Cosman E R Jr, Cosman E R Sr. Electric and thermal field effects in tissue around radiofrequency electrodes[J]. Pain Med, 2005, 6(6): 405-424.

Study of Imitation Hardened Plaque RF Ablation with Different Frequencies

【 Writers 】MA Yuntao, ZOU Jincheng, ZHANG Aili School of Biomedical Engineering, Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

atherosclerosis, radiofrequency, ablation

R454.1

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.04.002

1671-7104(2017)04-0240-04

2016-12-26

国家自然科学基金(NSFC NSFC51476101)；上海Med-X重大疾病物理治疗和检测设备工程技术研究中心（11DZ2211000）

马云涛, E-mail: 18217590885@163.com

张爱丽，E-mail:zhangaili@sjtu.edu.cn

【 Abstract 】In order to solve the heat transfer mechanism in radiofrequency treatment of atherosclerosis, we design two experimental structures to simulate the plaque, and use three frequencies and a variety of electrode arrangement, to study the heat transfer mechanism and heating capacity under the special structure. The results show that the temperature increment and heating area increase with increasing frequency. Under the structure in which the lipid particles are embedded in the fiber cap, using three electrodes with opposite polar arrangement between middle electrode and others, achieves effective heating to lipid pool in the plaque.