单、双光纤激光有效毁损区对比与预估模型

戴丽娟，丁乐明，花国然，钱志余

（1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019；2.南京航空航天大学 生物医学工程系，江苏 南京 210016）

激光热毁损是一种肿瘤微创治疗的方法，具有热效高、升温快、温度场均匀、毁损彻底等特点，使其在肿瘤的局部热疗中具有相对优势[1-6]，目前在肝癌、肺癌、肾癌、脾脏等实质脏器肿瘤的治疗中已经得到了实际的应用[7-12]。

目前，临床上制定激光热毁损治疗的激光剂量时，一般先依据影像学数据来获得肿瘤的尺寸大小，再结合临床医生的经验来确定，其治疗效果具有较大的不确定性，因此，研究基于激光功率和作用时间的有效毁损体积模型是十分必要的[13-15]。实验表明，猪肝与人体肝脏比较相近，可以用激光加热猪肝的实验来模拟激光毁损人体肝脏[16-18]。由于离体组织实验中热毁针的穿刺较为方便和可控，可以进行大量实验，并且组织样本等无关变量可在重复实验时基本保持不变，因此离体猪肝热毁损实验可以为临床激光热毁损治疗提供重要的参考。

本文通过离体猪肝激光热毁损实验，研究单/双光纤激光热毁损过程中的功率及时间变化对热毁损区域变化的影响，在不同作用时间下获取不同功率激光的有效热毁损体积，对单/双光纤激光热毁损形态进行对比分析，并通过数据拟合建立了激光毁损的有效热毁损体积模型，该模型计算值与实测值之间误差较小，结果表明该模型能够较好地对不同激光功率和加热时间下热毁损区域的形态和体积作出预判，从而为临床制定手术参数提供参考。

1 激光热损毁实验

1.1 实验系统

如图1 所示，激光毁损实验系统由980 nm 红外激光器（MAL-N-980-20W 型，长春新产业光电技术有限公司，中国，功率在0～20 W 范围内可调）和激光毁损针组成。激光毁损针的不锈钢针管外径为1.8 mm，内部有两种规格：单光纤（内置1 根芯径0.4 mm 的石英光纤）与双光纤（内置2 根芯径0.4 mm 的石英光纤，两纤芯中心距离0.8 mm）。双光纤纤芯中心距0.8 mm 是当前外径下内部可设置的最大间距。

图1 激光毁损的实验系统示意图Fig.1 System of the laser ablation experiment

1.2 实验方法

实验在室温25 ℃环境中进行。实验材料为新鲜离体猪肝，购自市场。将其随机分组，设定单纤和双纤的功率分别为2，3，4 和5 W，时间分别为150，300，450和600 s。功率、时间与激光毁损针规格交叉组合构成32 组实验参数，每组参数重复5 次实验。实验前先将冷藏的离体猪肝在室温下放置一段时间，使其温度恢复到25 ℃左右，再打开激光器等待10 min 后，激光器开始正常工作。

实验中，首先在较厚的猪肝位置插入毁损针约3 cm；其次，打开光源，按照预先设计的实验参数，以连续波模式进行激光热毁损实验，达到设定的作用时间后停止激光加热；最后，沿光纤插入方向切开猪肝，用MATLAB 软件对剖面图像进行热毁损区边界的提取（R 通道，按直方图次低谷值选择阈值，一般取值在100～120 之间）和椭圆拟合（偏差平方和最小），获得该区域的长径（d1）和短径（d2）（见图2），根据

计算获得热毁损区域（椭球）的体积。

2 实验结果

2.1 激光热毁损区域形状

如图3 所示，猪肝热毁损区的剖面形状基本呈现为椭圆形，其纵向延伸（沿激光光纤插入方向）的长度大于横向延伸（垂直于光纤的方向）的长度。热毁损区域包含碳化区、凝固区和充血带3 部分。

图3 猪肝毁损区域剖面图Fig.3 Ablation zone of porcine liver

图3 中靠近针道的黑色区域是碳化区，这是由中心高温致使组织脱水、碳化而产生的；碳化区外侧是黄白色的凝固区，此区域的肝组织已被完全热毁损，是热毁损区域的主要部分；凝固区外侧是粉红色的充血带，这是由组织受热后毛细血管等膨胀充血或肝组织性质改变而产生的。

2.2 激光热毁损区域长、短径与体积

2.2.1 单光纤激光毁损

表1、2 为单光纤激光热毁损实验中测得的长、短径随激光功率（p）和加热时间（t）的变化，图4 为根据式（1）计算得出的热毁损区体积随激光功率和加热时间的变化。经统计分析，在相同功率、相同的加热时间下，不同样本间的单光纤实验数据不具有显著性差异（P >0.05）。

表1 单光纤激光毁损区长径随功率和加热时间的变化Tab.1 Long diameter variation of ablation area by single fibre laser with power and heating time

表2 单光纤激光毁损区短径随功率和加热时间的变化Tab.2 Short diameter variation of ablation area by single fibre laser with power and heating time

图4 单光纤激光毁损区体积随功率和加热时间的变化Fig.4 Volume variation of ablation area by single fibre laser with laser power and heating time

2.2.2 双光纤激光毁损

表3、4 为双光纤激光热毁损实验中所测得的长、短径随激光功率和加热时间的变化，图5为根据式（1）计算得出的热毁损区体积随激光功率和加热时间的变化。经统计分析，在相同功率、相同加热时间下，样本间的双光纤实验数据不具有显著性差异（P >0.05）。

表3 双光纤激光毁损区长径随功率和加热时间的变化Tab.3 Long diameter variation of ablation area by double fibre laser with power and heating time

表4 双光纤激光毁损区短径随功率和加热时间的变化Tab.4 Short diameter variation of ablation area by double fibre laser with power and heating time

图5 双光纤激光毁损区体积随功率和加热时间的变化Fig.5 Volume variation of ablation area by double fibre laser with laser power and heating time

2.3 单、双光纤激光毁损区域的对比

经统计分析，在相同功率、相同加热时间下，不同样本的双光纤与单光纤实验数据具有显著性差异（P <0.05）。图6 为功率为2 W 时单光纤和双光纤激光毁损区域长径、短径的对比，从图中可以看出，当加热时间相同时，双光纤输入激光剂量为单光纤的两倍，其激光毁损区域长径、短径均不到单光纤毁损区域长径、短径的两倍。通过表1～4 分析可知，当功率分别为3，4，5 W 时双光纤与单光纤毁损区域的对比也具有相似的结果。综合来看，双光纤激光毁损区的长径是相同功率下单光纤毁损区长径的1.1～1.4 倍，短径为1.4～1.7 倍。

图6 功率为2 W 时单光纤和双光纤激光毁损区域长、短径的对比Fig.6 Comparison of long and short diameter of ablation area by single fiber laser and double fiber laser（p=2 W）

图7 为单光纤激光毁损区域短径与长径的比值变化，从图中可以看出该比值为0.52±0.03。

图8 为双光纤激光毁损区域短径与长径的比值变化，从图中可以看出该比值为0.63±0.05。

图8 双光纤激光毁损区域短径与长径的比值变化Fig.8 Variation of ratio of short diameter to long diameter of ablation area by double fiber laser

2.4 有效毁损区域长、短径与体积模型

上述实验结果的对比表明双光纤激光毁损区的形态相比单光纤激光毁损区更接近球体，因此选择双光纤实验数据，以激光功率p 和时间t 为变量，采用麦夸特法及通用全局优化算法进行数据拟合，构建长径d1、短径d2和体积Vf的数学模型（1stopt软件，七维高科有限公司，中国）。构建时注意兼顾模型简洁性和数据相关性，最终确定模型如下：

如图9 所示为双光纤各功率下不同加热时间的热毁损区实测体积V 与计算体积Vf的对比，经计算分析，同一功率下两组数据的最大相对误差均不大于10%。同样，可按类似的方式构建单光纤激光毁损区长径d1、短径d2和体积Vf的数学模型，这里不再一一罗列。

图9 实际体积与拟合体积的比较Fig.9 Comparison of actual volume and fitted volume

3 分析与讨论

猪肝离体组织激光热毁损区域的形态为椭球形，经过病理检测可以确认碳化区和凝固区的组织发生了不可逆的组织变性，因此，实验中以凝固区外围为有效毁损区域边界来测量长、短径[19]，建立有效毁损体积的计算模型。

由表1～4 可知，毁损区域的长、短径随着激光功率和加热时间的增大而增大。由图7、8 可知，单光纤激光有效毁损区的短径与长径比值平均为0.52，双光纤激光有效毁损区的短径与长径比值平均为0.63，表明双光纤激光有效毁损区更接近于球体形态。相同加热时间下，同一功率的双光纤激光毁损相对单光纤激光毁损，其激光剂量增加1倍，其有效毁损区长径增大10%～40%，短径增大40%～70%，按体积公式计算后可知，其有效毁损体积增大1.4～2.7 倍。在临床激光热毁损肿瘤时，可以根据这些特点来合理选择光纤数量，设置激光功率和加热时间，从而获得较为理想的毁损区范围，在临床上达到较为理想的治疗效果。

目前，临床激光热毁损肿瘤时，医生对毁损结果无法做出定量的预测，因此，采用不同功率、不同加热时间的离体和活体热毁损实验，其毁损结果可以为临床手术功率和时间的选择提供重要的依据。本研究根据大量离体组织热毁损实验的测量数据构建了双光纤激光有效毁损区长、短径和体积的计算模型，在制定手术计划时，可以根据肿瘤形状和大小，先利用体积计算模型初步选择激光功率和加热时间，得到该方案下的毁损区长、短径。当长、短径小于肿瘤相应尺寸时，需要对初步选择的方案进行微调，以保证有效毁损区域能够完全覆盖肿瘤区域。

本研究还存在需要进一步探索和研究之处。一方面，活体组织中的血流会在一定程度上影响毁损区域的温度变化，在相同激光功率和加热时间下活体组织中的毁损体积要略小于离体组织的毁损体积[20]；另一方面，不同结构或尺寸的光纤具有不同的激光辐射特性，其毁损体积具有差异性，双光纤纤芯中心距的变化也会对毁损结果产生影响。因此，本研究基于离体猪肝实验所得的体积模型只适用于文中采用的特定双光纤激光毁损针的毁损体积计算，对活体组织的毁损体积计算也存在一定偏差，需要进一步探索和研究应用不同结构、尺寸和不同双光纤纤芯中心距探头在不同激光功率和作用时间下对活体组织激光热毁损的有效毁损体积模型。

4 结论

通过对离体猪肝单、双光纤激光热毁损实验数据的分析，对比了两种模式下有效毁损区长、短径和体积的变化，并建立了双光纤激光有效毁损区长、短径及体积与激光功率和加热时间之间的数学模型，为制定激光热毁损治疗的剂量提供了一定的参考方法，即，可以根据肿瘤形状和大小，以长、短径计算值均大于或等于肿瘤相应尺寸为前提，利用数学模型来确定治疗所采用的激光功率和时间，以保证肿瘤体能被毁损区域完全覆盖。临床上可以根据该结论对激光毁损肿瘤的治疗计划进行优化。