激光在肺组织消融灶与输出功率、能量的效应观察研究

崔琪浩 俞小卫

近年来,热消融技术在肺癌的治疗中应用越来越多,为不可手术的肺癌患者提供了新的治疗选择。热消融既做到了对瘤灶进行直接损毁,又能最大限度地保留肺功能,相较手术切除不仅损伤小,操作时间短,且费用更少[1],射频消融与微波消融已在原发性肺癌(特别是磨玻璃结节(Ground-glass nodule, GGN)型肺癌)与肺转移癌治疗中获得良好疗效[2-4]。激光消融作为热消融技术之一,其原理为组织中的生色基团吸收激光束中的光子并转化为热能,当组织被加热到高于60℃并持续一定时间,蛋白质则发生凝固变性,同时也可伴随其他热效应的产生包括汽化和炭化,从而达到杀死肿瘤细胞的目的[5],目前虽已在肝癌、甲状腺肿瘤等治疗中广泛应用[6-7],但在肺癌治疗中尚未普及,激光消融具有目标精准、损伤小、并发症少等独特优势,相信在肺癌的治疗中会有着广阔的应用前景。本文通过对激光在不同功率、能量下对肺组织消融的效应观察研究,探索出相关参数,为临床肺部肿瘤的激光消融治疗提供参考。

资料与方法

一、实验设备

VELAS30B半导体激光治疗仪由武汉博激世纪科技有限公司提供,波长为980nm,输出功率0～30W,输出方式:连续脉冲,光纤直径为600μm由南京春辉科技实业公司提供,18G同轴引导活检针由广州启和医疗器械有限公司生产。

二、实验对象

新鲜离体猪肺24只,每只猪肺重量在2kg左右,离体时间不超过8h,由江苏凌家塘农副产品批发市场提供。

三、实验方法

1 实验分组

实验设定4个功率组别:3W,5W,10W,15W,每个功率组下又分7个能量组:300J,600J,900J,1200J,1500J,1800J,2100J,共28个消融参数组合,每个消融参数重复6 次,共计168个消融灶。

2 实验步骤

四、统计方法

结 果

一、离体实验

1 大体观察

实验中观察到激光消融形成的空腔为光纤向前发射形成,消融灶起始端与光纤裸露端起点重合,消融灶空腔内表面可见黑色炭化组织,向外为呈棕褐色改变的坏死组织,再向外为粉红色正常肺组织,说明激光消融可以形成有清晰边界的组织损伤区域(见图1)。

图1 5W/1200J时离体猪肺消融灶形态

2 消融灶大小、形状与功率、能量关系

(1)相同功率时消融灶大小随能量变化关系

① 随着能量的增大,消融灶长径、短径、厚径不断增大,但以长径增大为主,长径大于短径、厚径,即激光前向作用大于侧向作用(见图2、表1～3)。

图2A 3W组消融灶各径线随能量增长变化趋势图 图2B 5W组消融灶各径线随能量增长变化趋势图 图2C 10W组消融灶各径线随能量增长变化趋势图 图2D 15W组消融灶各径线随能量增长变化趋势图

表1 不同消融参数消融灶长径(mm)

表2 不同消融参数消融灶短径(mm)

表3 不同消融参数消融灶厚径(mm)

② 消融灶体积随能量增加而增加(见图3)。当消融功率为3W时,消融能量超过1500J后,消融灶体积增长缓慢,能量为1500～2100J时,相邻两能量组消融灶体积差异无统计学意义,P值分别为(0.143,0.705);消融功率为5W时,消融能量超过1800J后消融体积基本保持不变,1800J与2100J消融灶体积差异无统计学意义(P=0.625);消融功率为10W及15W时,消融灶体积随能量增长未出现平台期,各能量之间消融灶体积差异有统计学意义(P<0.05)。

图3 各功率组消融灶体积随能量增长变化趋势图

(2) 相同能量时消融灶大小随功率变化关系

能量相同时,消融灶体积随功率增大而增大。当能量在300J～900J时,消融灶体积随功率增大而增大,然而并非各功率组间差异均存在统计学意义;当能量在1200J～2100J时,消融灶体积随功率增大增长显著,各功率组间差异均有统计学意义(P<0.05)(见表4)。

表4 不同消融参数消融灶体积(mm3)

(3) 不同功率组间消融灶形状比较

[以球度系数(Φ)评估消融灶形状,球度系数范围为:0～1,越接近于1代表形状约接近于球形]

随机区组方差分析显示功率是消融灶球度系数显著性影响因素(P<0.05),多重比较显示10W组及15W组球度系数明显小于3W及5W组球度系数,差异有统计学意义(P<0.05),15W组球度系数略小于10W组(P=0.568>0.05),5W组球度系数略小于3W组(P=0.203>0.05),但差异均无统计学意义(见表5)。结合大体消融灶形态可得出:高功率组即10W与15W组消融灶呈长条状,与多为球形的肺部瘤灶适配性差,临床不建议选用高功率进行肺部瘤灶的激光消融,相反低功率组(3W组和5W组)更佳具有适形性(见图4)。

图4 不同功率组离体猪肺消融灶形态对比(注:10W与15W消融灶呈长条状,3W与5W消融灶较接近球形)

表5 不同消融参数消融灶球度系数

讨 论

本实验中,大体消融灶可见与周围正常肺组织界限分明的坏死性区域,消融效果确切。消融灶由内向外分别为空腔区(当温度超过100°C时,肺组织汽化所形成),炭化层,凝固坏死区(温度在60℃～100℃区间组织凝固坏死造成)。我们还发现,激光由光纤向前方发射对组织造成摧毁,从而消融灶均发生在光纤前端,这意味着临床上针对瘤灶激光消融时,我们仅需将穿刺针及光纤置于瘤灶前端,一定程度上能够降低了消融完毕后退针造成肿瘤转移的风险。相反,射频消融及微波消融基于其消融灶形成特点需要将穿刺针置入瘤灶后端导致针道转移事件时有发生[8-9]。

在消融灶形状方面,射频消融和微波消融能量向四周发散较均匀,形成的消融灶多呈椭球型,但激光消融灶的长径明显大于短径与厚径,可见激光的前向作用明显强于侧向作用,并且在高功率组中更加明显。能量相同,虽然选用高功率(10W与15W)烧蚀出的消融灶的体积大于低功率(3W与5W),能在短时间内产生更大体积的消融灶,具有高能效性的特点,但是根据球度系数与大体消融灶观察可见,高功率组的消融灶呈长条状,球度系数显著小于低功率组,这可能与高功率激光前冲力更强有关。适形性一直以来是消融术中的关注重点,临床上的肺部瘤灶以球形为主,因此高功率激光消融灶与之并不适配。相反,低功率组别即3W组与5W组的消融灶更接近球形,适形性更佳,临床激光消融肺部瘤灶时更推荐选择在10W以下的低功率下进行。

在消融灶大小方面,实验中我们观察到消融灶体积随能量与功率的增大而增大,基于适形性讨论的结果,并结合考虑到减少激光消融术时间,相较3W,我们更推荐选择5W作为较佳激光消融功率。功率为5W时,当能量到达1800J后,消融灶体积增长进入平台期。消融参数为(5W,1800J)时,离体肺组织消融灶体积约1.2cm3,因此,单针激光消融更适用于小于1cm的肺部瘤灶治疗。与激光消融不同,微波由于热效能高,在短时间内即产生较大消融范围,适合大于3cm的瘤灶,在对微小瘤灶消融时,激光消融术的消融范围的高度可控性更佳凸显优势,使瘤灶周围正常肺组织损伤最小化。有趣的是,在一项离体肝组织激光消融的实验也显示当功率为5W时,能量达1800J后消融灶体积无明显增长,但此时肝组织的消融灶体积已经达到2cm3[10]。有研究认为激光消融的效果受到激光波长、激光参数设置(激光功率、激光能量)以及靶组织的生物学特性(水分、密度)等多因素影响[11]。肺组织与肝脏的生物学特性存在明显差异,肺组织疏松,密度小于肝脏,肺泡腔内含有气体,使得激光的光热传导受阻,从而出现相同消融参数条件下消融灶较肝脏小。此外该实验使用的1064nm钕:钇铝石榴石晶体(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet, Nd:YAG)激光与本实验使用的980nm半导体激光不同,这也可能是造成差异的原因。

至于低功率组别随能量增大消融灶体积平台期的出现,结合大体消融灶形态我们发现,随着能量的积累,消融灶空腔内壁的炭化层不断增厚,纤韧的炭化层明显阻碍了激光能量向四周传导,因此出现了上述现象。如何克服组织炭化对激光消融灶体积的限制是今后需要关注的问题。目前有病例报道将新型环状光纤应用于肝癌术后复发合并门静脉癌栓的激光消融治疗,该研究者认为环形光纤与普通圆柱形光纤散焦出光不同,其末端呈圆环状作用于肿瘤组织,能量均匀,烧灼形状呈圆形,消融灶范围与功率呈良好线性关系[12]。虽然目前新型光纤的临床应用案例极为稀少,但为解决激光消融体积受限问题提供了可能性。此外,Rosenberg C.等[13]报道了水冷循环激光装置的应用,该装置在光纤周围带有冷却导管,通过向导管内注水循环冷凝阻止消融过程中温度过高所致的组织炭化,值得我们关注。

结 论

980nm半导体激光消融肺组织效果确切,消融灶体积随输出能量和功率增加而增加。高功率消融灶体积虽较低功率大,呈现长条形,球形系数低,临床应用适形性低。对于肺部瘤灶激光消融,推荐输出功率10W以下为宜,5W为较适宜消融功率,消融能量选择不超过1800J为宜,单针激光消融适用于1cm以下的肺瘤灶。