2450 MHz与915 MHz微波消融离体牛肝：消融范围、能量输出与转化的差异

江雄鹰 陈栋 倪嘉延 王卫东 骆江红 陈耀庭 孙宏亮 许林锋

·基础研究·

2450 MHz与915 MHz微波消融离体牛肝：消融范围、能量输出与转化的差异

江雄鹰 陈栋 倪嘉延 王卫东 骆江红 陈耀庭 孙宏亮 许林锋

目的 探讨2450 MHz水冷循环与915 MHz无水冷循环微波消融离体牛肝在毁损范围、能量输出以及能量转化方面的差异。方法 新鲜离体牛肝10副，重量为5.2～6.5 kg。实验分为A组和B组，A组为2450 MHz水冷循环微波消融组，B组为915 MHz无水冷循环微波消融组。每组分别对离体牛肝进行10、20、30、40 min的消融实验。统计两种消融系统在毁损范围（平均径、体积、类圆率）、能量输出以及能量转化方面的数据，并比较其差异。结果 A组和B组的消融平均径随着消融时间延长逐渐增大。B组的消融平均径显著大于A组（P均＜0.001）。消融体积在10和20 min时两组间无明显差异（P=0.44、0.65），消融30 min以后，B组消融体积显著大于A组（P＜0.001）。B组消融灶的平均径最大可达6.5 cm，消融体积最大为112.20 cm3（消融40 min）。A组的消融灶类圆率较B组更接近于1（P均＜0.001），A组消融灶的类圆性更好。在能量输出方面，A组显著高于B组（P均＜0.001），相同消融时间A组能量输出为B组的2倍以上。但能量转化效率方面，B组显著高于A组（P均＜0.001）。结论 2450 MHz水冷循环微波具有更高的能量输出和类圆性更好的消融范围，但915 MHz无水冷循环微波的能量转化效率更高，所获得的消融范围更大。

微波消融； 牛肝； 消融范围； 消融灶类圆率； 能量转化； 能量转化效率

原发性肝癌（简称肝癌）在我国高发，患者常由于肝硬化严重、肝功能差、肿瘤发生位置特殊等原因不能接受手术切除[1]。以射频消融为代表的局部消融治疗已逐渐成为肝癌手术切除的替代治疗方法[2-3]。局部消融治疗具有损伤小、疗效确切、可重复性好等优点。对于直径小于3 cm的肝癌，射频消融治疗是与手术切除相媲美的治疗手段[4]。微波消融是近年来迅速发展并广泛应用于肝癌治疗的局部消融方法。相对于射频消融，微波消融具有消融范围大、消融灶类圆性好、受血流的“热沉效应”影响小等优点，有望成为肝癌局部消融的首选治疗方法[5-6]。

我国是早期应用微波消融治疗肝癌的国家，早在上世纪九十年代，董宝玮、吴孟超等老一辈学者分别以超声引导或开腹直视下的方式采用微波消融治疗肝癌患者[7-8]。在随后的十多年里，微波消融治疗肝癌在我国得到广泛应用。国内学者梁萍等[9-10]研究了有水冷循环的915和2450 MHz微波消融系统的升温特点和消融范围，结果显示915 MHz水冷循环微波系统具有更高的组织升温作用和更大的消融范围。但对比2450 MHz水冷循环与915 MHz无水冷循环微波消融系统的文章仍少有报道，尤其是比较不同波段微波消融系统在能量输出、能量转化方面的文献仍尚未有报道。为此，本研究分别采用2450 MHz水冷循环微波消融系统与915 MHz无水冷循环微波消融系统对离体牛肝进行消融实验，对比这两种消融系统所产生消融范围、形态特点、能量输出、能量转化等方面的差异。

材料与方法

一、材料和设备

从屠宰场购买当天屠宰的新鲜离体牛肝10副，重5.2～6.5 kg。

2450 MHz水冷循环微波消融系统（南京亿高ECO-100A，中国）：微波输出频率（2450±10）MHz，消融前设定固定输出功率和消融时间。消融过程中微波主机以所设定的功率恒定输出微波能量，根据固定功率和消融时间可计算能量输出。14G微波天线内具有中空管道可外接水冷循环泵，可持续向微波天线灌注冷却水。根据厂家推荐，该微波系统的优选输出功率为60 W[5]。

915 MHz无水冷循环微波消融系统（Avecure Microwave Generator， Medwaves，美国）：微波输出频率(915±13)MHz，微波天线末端具有测温电偶，监测消融过程中微波天线周围温度，根据温度反馈可自动调节功率输出，消融结束时在主机中显示总能量输出[11]。消融前需设定微波天线消融时间。14G微波天线内无水冷循环。

二、实验分组

根据消融系统的不同，将实验分成两组。A组为2450 MHz水冷循环微波消融实验组，B组为915 MHz无水冷循环微波消融实验组。两组分别进行10、20、30、40 min消融，为减少误差，每个消融持续时间各进行5次实验，共进行40次微波消融实验。

三、测量与计算

消融结束后，沿微波天线针道切开肝脏组织，针道中心为灰白色区域，与鲜红色正常肝组织分界清楚（图1），灰白色区域被认定为消融毁损范围[12]。分别由两位研究人员明确毁损范围，测量平行针道的最长径线为消融灶纵径（Longitudinal Diameter, LD），垂直针道的最长径线为消融灶横径（Transverse Diameter, TD）。消融灶平均径（Mean Diameter，MD）为纵径和横径的平均值，消融灶类圆率（Sphericity Ratio, SR）以纵径与横径的比值表示（图2）。类圆率越接近1，消融灶类圆性越好[5]。消融体积计算公式V=π×LD×TD2/6[13]。A组中根据输出功率及消融时间的乘积计算能量输出（Total deposited energy, E）。B组消融结束后直接显示能量输出。能量转化效能为消融体积与能量输出的比值（R=V/E）。

四、统计学方法

使用SPSS 15.0统计软件进行分析，消融毁损灶平均径、体积、类圆率、能量输出和能量转化结果以均数±标准差（x±s）表示。两组间差异的比较采用两独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

一、消融毁损灶特征

A组和B组的消融灶平均径随着消融时间延长逐渐增大。在各个消融持续时间里，B组的消融灶平均径均大于A组（P均＜0.001）。消融时间为10和20 min时，两组消融体积无明显差异（P分别为0.44、0.65），但消融30 min以后，B组消融灶的体积大于A组（P＜0.001）。在消融40 min时，A组和B组的消融范围达到最大，其中A组的最大平均径和最大体积分别为5.42 cm、75.13 cm3，B组为6.50 cm，112.20 cm3。类圆率方面，A组较B组更接近于1（P均＜0.001），A组消融灶的类圆性更好，见表1。

图1 消融灶大体观。

图2 微波毁损灶测量方法。

表1 两组间消融毁损灶平均径、体积、类圆率、能量输出和能量转化情况比较

二、能量输出与转化

A组的能量输出均高于B组（P均＜0.001），同一消融时间内A组的能量输出为B组的2倍以上。而能量转化为消融组织的效率方面，B组的能量转化率显著高于A组（P均＜0.001）。随着消融时间的延长，A组的能量转化效率未有明显的提高，而B组的能量转化效率逐渐增大。

讨 论

肿瘤微波消融的原理是通过微波天线发射高频电磁波，形成电磁波场，高频电磁波带动极性分子相互碰撞摩擦，产生大量热量，使组织温度超过50 ℃而发生不可逆热损伤的热消融过程[14-15]。相对于射频消融，微波消融具有更快的组织温度上升作用和更大的消融毁损范围[16-17]。理想的微波消融是能够在短时间内形成消融体积大、类圆性好的消融范围。不同厂家的微波系统有着不同的特点，其主要差别在于微波输出频率和微波天线设计，915 MHz和2450 MHz是目前最广泛使用的2种微波频率，微波天线具备水冷循环或无水冷循环是最常见的天线设计模式。本文比较了915 MHz无水冷循环微波系统（简称915 MHz系统）和2450 MHz水冷循环微波消融系统（简称2450 MHz系统）在所形成消融灶的大小、类圆率、能量输出以及能量转化等方面的消融差异。

本实验结果显示，在相同消融时间下，915 MHz系统的消融灶平均径显著高于2450 MHz系统，但消融10 min和20 min时两种系统的消融体积却无差异。这是由于915 MHz系统所产生的消融灶类圆率在该时间段分别为2.49和1.98，而2450 MHz系统为1.36和1.27，后者类圆率更接近于1，其类圆性更好。类圆性越好的消融灶所获得的消融体积相对越大，因此尽管915 MHz系统的消融灶平均径显著大于2450 MHz系统，但由于消融灶形态学上的差异，导致两组间在消融10和20 min时消融体积无差异。随着消融时间的延长，915 MHz系统的消融灶类圆率由最初的2.49到1.47，类圆性逐渐变好。因此，依靠消融灶平均径的增加和消融灶类圆性的改善，915 MHz系统的消融体积迅速增大，并在消融30 min以后显著高于2450 MHz系统。提示我们在临床应用中，2450 MHz系统对于较小的类圆形病灶可能具有较好的消融效果，而915 MHz系统的优势在于长时间消融，能够毁损范围较大的病灶。为了克服915 MHz系统消融灶类圆性较差的缺点，可采用双针同步消融或延长消融时间的方式改善消融类圆率。

微波能量输出是影响消融灶范围的主要因素之一，输出越高，消融范围越大[5,11,13]。张亮等[18]采用2450 MHz水冷循环微波消融系统对离体猪肝进行消融实验发现：主机设定输出功率为60 W时，实际针尖热沉积功率仅有34.32 W。该作者认为微波消融的功率存在许多不确定因素，电缆耗损和微波天线损耗将微波能量转化为无效热量散失。本实验发现2450 MHz系统的能量输出显著高于915 MHz系统，在同等条件下前者的能量输出为后者的2倍以上。但在能量转换为消融体积的效率方面，2450 MHz系统却远远不及915 MHz系统。考虑其原因可能是：第一，频率为915 MHz的微波能量较2450 MHz具有更长的波长，传导过程中耗损少，组织内的穿透作用强，消融过程中能量散失少，能量转化为有效热沉积效应更高[9-10]。第二，2450 MHz系统的微波天线自带水冷循环系统，消融过程中冷却水持续带走热量，部分热沉积能量被冷却水吸收后循环至组织外散失。而915 MHz系统微波天线无水冷循环装置，热量在局部缓慢沉积，无冷却系统的额外散失。

本实验存在的不足之处：本实验采用离体牛肝进行微波消融实验，缺少活体状态下的“血沉效应”。而且牛肝组织与肿瘤组织的成分具有差别。为更准确反映这两种消融系统的差异，还需要进行活体状态下动物肿瘤模型的消融实验。

1 Cance WG, Stewart AK, Menck HR. The National Cancer Data Base Report on treatment patterns for hepatocellular carcinomas: improved survival of surgically resected patients, 1985-1996[J]. Cancer,2000,88(4):912-920.

2 Solbiati L, Livraghi T, Goldberg SN, et al. Percutaneous radiofrequency ablation of hepatic metastases from colorectal cancer: longterm results in 117 patients[J]. Radiology, 2001,221(1):159-166.

3 Lencioni R, Cioni D, Crocetti L, et al. Early-stage hepatocellular carcinoma in patients with cirrhosis: long-term results of percutaneous image-guided radiofrequency ablation[J]. Radiology,2005,234(3):961-967.

4 Peng ZW, Lin XJ, Zhang YJ, et al. Radiofrequency ablation versus hepatic resection for the treatment of hepatocellular carcinomas 2 cm or smaller: a retrospective comparative study[J]. Radiology, 2012,262(3):1022-1033. doi: 10.1148/radiol.11110817.

5 Fan W, Li X, Zhang L, et al. Comparison of microwave ablation and multipolar radiofrequency ablation in vivo using two internally cooled probes[J]. AJR Am J Roentgenol,2012,198(1):W46-W50. doi: 10.2214/AJR.11.6707.

6 Laeseke PF, Lee FJ, Sampson LA, et al. Microwave ablation versus radiofrequency ablation in the kidney: high-power triaxial antennas create larger ablation zones than similarly sized internally cooled electrodes[J]. J Vasc Interv Radiol, 2009, 20(9):1224-1229. doi: 10.1016/j.jvir.2009.05.029.

7 梁萍，董宝玮，于小玲，等. 超声引导经皮微波凝固治疗肝癌的临床研究[J]. 中华肝胆外科杂志,1998，4(4):210-212. doi:10.3760/cma. j.issn.1007-8118.1998.04.008.

8 管军，姚晓平，吴孟超，等. 微波组织凝固对晚期肝癌患者抗肿瘤免疫力的影响[J]. 中华物理医学杂志,1998，(3):42-44. doi:10.3760/j:issn:0254-1424.1998.03.013.

9 Sun Y, Wang Y, Ni X, et al. Comparison of ablation zone between 915-and 2,450- MHz cooled-shaft microwave antenna: results in in vivo porcine livers[J]. AJR Am J Roentgenol,2009,192(2):511-514. doi: 10.2214/AJR.07.3828.

10 Sun Y, Cheng Z, Dong L, et al. Comparison of temperature curve and ablation zone between 915- and 2450- MHz cooled-shaft microwave antenna: results in ex vivo porcine livers[J]. Eur J Radiol,2012,81(3):553-557. doi: 10.1016/j.ejrad.2011.02.013.

11 Hoffmann R, Rempp H, Erhard L, et al. Comparison of four microwave ablation devices: an experimental study in ex vivo bovine liver[J]. Radiology,2013,268(1):89-97. doi: 10.1148/radiol.13121127.

12 Burdio F, Navarro A, Berjano EJ, et al. Radiofrequency hepatic ablation with internally cooled electrodes and hybrid applicators with distant saline infusion using an in vivo porcine model[J]. Eur J Surg Oncol,2008,34(7):822-830.

13 Zhou Q, Jin X, Jiao DC, et al. Microwave ablation: results in ex vivo and in vivo porcine livers with 2450- MHz cooled-shaft antenna[J]. Chin Med J (Engl),2011,124(20):3386-3393.

14 Petryk AA, Giustini AJ, Gottesman RE, et al. Comparison of magnetic nanoparticle and microwave hyperthermia cancer treatment methodology and treatment effect in a rodent breast cancer model[J]. Int J Hyperthermia, 2013, 29(8):819-827. doi: 10.3109/02656736.2013.845801.

15 Liu FY, Yu XL, Liang P, et al. Comparison of percutaneous 915 MHz microwave ablation and 2450 MHz microwave ablation in large hepatocellular carcinoma[J]. Int J Hyperthermia,2010,26(5):448-455. doi: 10.3109/02656731003717574.

16 Qian GJ, Wang N, Shen Q, et al. Efficacy of microwave versus radiofrequency ablation for treatment of small hepatocellular carcinoma: experimental and clinical studies[J]. Eur Radiol, 2012, 22(9):1983-1990. doi: 10.1007/s00330-012-2442-1.

17 Andreano A, Huang Y, Meloni MF, et al. Microwaves create larger ablations than radiofrequency when controlled for power in ex vivo tissue[J]. Med Phys, 2010,37(6):2967-2973.

18 张亮，黄子林，范卫君，等. 离体猪肝微波消融固化范围与组织局部热沉积剂量的相关性研究[J]. 新医学,2013，44(7):499-503. doi:10.3969/g.issn.0253-9802.2013.07.017.

2450 MHz and 915 MHz microwave ablation in ex vivo bovine livers: the difference in ablation zone, energy and energy conversion

Jiang Xiongying , Chen Dong, Ni Jiayan, Wang Weidong, Luo Jianghong, Chen Yaoting, Sun Hongliang, Xu Linfeng. Department of Interventional Radiology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, China

Xu Linfeng, Email: Xulf1@21cn.cn.net

Objective To compare ablation zone, total deposited energy and energy conversion effciency between 915 MHz non-cooled shaft and 2450 MHz cooled shaft microwave ablation in ex vivo bovine livers. Methods Experiment was carried out in ten fresh excised bovine livers weight 5.2-6.5 kg. The ten livers were divided into two groups, with Group A be 2450 MHz cooled shaft microwave ablation, and Group B be 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation. In each group, different ablation durations (10, 20, 30, and 40 minutes) were evaluated. We compared coagulation diameters and volume, sphericity ratio, deposited energy, energy conversion efficiency in each ablation time. Results Compare to Group B, the mean coagulation volume and transverse diameter were signifcantly greater with Group A and longitudinal diameter was lower (P＜0.001). The sphericity ratio was closer to 1 with Group A. Total deposited energy with Group A was signifcantly larger than in Group B. The value of total deposited energy with Group A was about two times with Group B in the same ablation duration. The energy conversion efficiency between the two groups was not statistically significantly differ for 10 minutes ablation but increased signifcantly with Group B than with Group A from 20 minutes to 40 minutes (P＜0.05 in all). Conclusions Due to more energy deposition, 2450 MHz cooled shaft microwave ablation can create substantially larger and more spherical ablation lesionsthan 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation. But the energy conversion effciency with 915 MHz non-cooled shaft microwave ablation is higher.

Microwave ablation; Bovine liver; Ablation zone; Sphericity ratio; Energy conversion; Energy conversion effciency

2015-12-13）

（本文编辑：王剑锋）

10.3877/cma.j.issn.2095-5782.2016.01.011

510120 广州，中山大学孙逸仙纪念医院介入放射科

许林锋，Email：Xulf1@21cn.cn.net

江雄鹰，陈栋，倪嘉延，等.2450 MHz与915 MHz微波消融离体牛肝：消融范围、能量输出与转化的差异[J/CD].中华介入放射学电子杂志，2016,4（1）：39-43.