RF能量在醫(yī)療技術應用中的研究進展

2017-08-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

從19世紀末開始,電磁能量在臨床醫(yī)學領域的優(yōu)勢就已經(jīng)得到了認可。今天,盡管大多數(shù)人可能只了解磁共振成像(MRI),但許多其它醫(yī)療應用正在探索其獨特的功能。其中包括縮小腫瘤、輔助心臟手術、嫩膚美白和治療肌肉疾病?；赗F能量的醫(yī)療系統(tǒng)正在持續(xù)發(fā)展,這主要歸功于從真空管向固態(tài)電子技術的轉(zhuǎn)變。LDMOS等半導體器件帶來了靈活性、改進了操作模式并發(fā)揮了微波頻率的優(yōu)勢。

靈感的火花

RF能量在幾乎所有醫(yī)療應用中的優(yōu)勢來自于某種形式的RF發(fā)生器所產(chǎn)生的熱量。有關將任何來源的熱量用于醫(yī)學目的的最早記錄可以追溯至史前時期,當時使用加熱的巖石來減少或阻止血液流出(止血)。著名的發(fā)明家和科學家尼古拉?特斯拉于1891年首次提出利用電能在人體中產(chǎn)生熱量。由于電能可能會造成電擊危險,所以這曾是非常危險的領域。在特斯拉發(fā)表研究結果后不久,法國內(nèi)科醫(yī)生兼生物物理學家杰奎斯?阿森德?阿松維爾發(fā)現(xiàn),當這種能量的頻率高于10 kHz時,就不會給病人帶來電擊危險,而是可提高皮膚溫度。他提出了利用接觸電極、電容板和電感線圈將這種“高頻率”電流應用于人體的方法。

借助RF能量提高深層組織溫度最初由奧地利化學家R. von Zaynek提出,他指出,在組織中產(chǎn)生的熱量與頻率和電流密度密切相關。因此,1908年,德國物理學家Karl Franz Nagelschmidt將其命名為“透熱法”,這期間也是該技術首次大規(guī)模應用到人類身上。Nagelschmidt被視為該領域的先驅(qū),他在1913年首次編寫了有關該主題的教科書。之后的重要發(fā)展包括哈維?庫興和威廉?T.伯維,其中伯維開發(fā)的一款電外科器械可用于在切除大腦血管瘤時提供體內(nèi)平衡。

最初在透熱法中應用RF能量受制于缺乏產(chǎn)生能量的設備,因為火花放電的特斯拉線圈器材只能實現(xiàn)2 MHz的頻率。由于這些頻率的波長較長,所以這種透熱法叫做長波透熱法。這一僵局由1904約翰?阿布羅斯?佛萊明發(fā)明的真空管打破,后者可將頻率大幅提升至約300 MHz(參見圖1)。

圖1 Fischer電療機,大約在1920年

電療機在此頻率下工作被稱做短波透熱法。與許多RF和微波技術類似,世界大戰(zhàn)期間,真空管技術得到迅速發(fā)展,并且出現(xiàn)了全新類型的真空電子設備。其中最著名的就是磁控管,這讓新興雷達系統(tǒng)可以在更高頻率下生成較高功率。醫(yī)務人員一直是磁控管技術的受益者之一,許多最初的應用仍然沿用至今,并且仍然使用磁控管產(chǎn)生RF能量。

與之前的真空管一樣,晶體管進一步拓展了RF能量的醫(yī)學應用范圍?；诰w管的能量生成案例最早出現(xiàn)在20世紀50年代,盡管這些設備當時只能生成極小功率并且非常容易出故障。之后幾年,這些局限逐步被打破,雙極結型晶體管(BJT)和垂直金屬氧化物半導體(VMOS)晶體管等半導體技術在醫(yī)療設備中得到了應用。如今,橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)功率晶體管成為首選固態(tài)技術,能夠達到高達1500 W的功率水平。LDMOS晶體管的優(yōu)勢使其非常適合作為其前代真空管和晶體管的替代產(chǎn)品(參見表1)。

相對真空管,晶體管在醫(yī)療應用中的主要優(yōu)勢就是靈活性?？梢栽谡麄€動態(tài)范圍中嚴格控制輸出功率,必要時可以減少傳輸給人體組織的熱量。它們支持ISM頻段(例如902至928 MHz)內(nèi)掃頻,有助于最大程度地將能量傳輸至人體。針對使用多個探針來合并波陣面的高級系統(tǒng),可以通過控制相位來移動必須瞄準的區(qū)域。真空管可能需要大而重的電源產(chǎn)生的危險高電壓,而晶體管則采用32至50 V的直流電源。相比之前的半導體技術,LDMOS晶體管的最大優(yōu)勢在于它們能夠在更高頻率下工作,如915和2450 MHz,并且非常耐用。即便由于短路或開路等阻抗不匹配因素導致所有傳輸能量反射回來,LDMOS功率晶體管也能安然無恙。這在醫(yī)療應用中非常重要,因為人體組織會向探針呈現(xiàn)可變負載。

最初,可用RF電源的能力決定了電磁能系統(tǒng)使用的頻率。初始操作頻率非常低,后來隨著時代的發(fā)展,頻率和輸出功率不斷提高。然而,隨著醫(yī)療、科學和工業(yè)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),我們需要指定電磁波頻譜的工作區(qū)域。美國的工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段如表2所示,并且得到了全世界的廣泛采納。一些國家和地區(qū)使用的是其它頻率。也有許多其它系統(tǒng)使用這些相同頻段,包括Wi-Fi、藍牙、微波爐和基于RF的工業(yè)設備。由于ISM頻段未受管制,所以設備必須能夠防止或容忍附近應用所造成的干擾。

RF提高組織溫度

除MRI使用強大的電磁場進行成像而非提高溫度之外,所有其它醫(yī)療應用都使用RF來產(chǎn)生熱量。在高頻條件下施加電磁場會使水偶極子周期運動,分子之間產(chǎn)生摩擦,從而產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生熱量的頻率和運用熱量的硬件在很大程度上決定特定醫(yī)療應用的效用。電磁能在醫(yī)療應用中的一些共同點:

? 分子水平的組織變化隨頻率不同

? 低頻可以穿透的皮膚深度比高頻更深

? 低頻可以穿透的組織類型比微波頻率更少

? 在微波頻率下工作的系統(tǒng)可以更精確地將能量傳輸至特定區(qū)域

? 在更低頻率下工作的醫(yī)療系統(tǒng)可以比900 MHz以上頻率工作的微波系統(tǒng)使用時間更長

? 在微波頻率下工作的系統(tǒng)的優(yōu)勢日益重要并且得到了更加全面的了解。

在特斯拉的早期貢獻以及其他人建議在輻射電磁能和人體之間互動之后,此機制得到了進一步的闡述并且擴展至所有絕緣材料。這表明,穿透深度由輻射頻率和材料的絕緣性能來決定。結果顯示,采用微波發(fā)生器時,由于其波長較短,我們可以精確瞄準特定區(qū)域。更低頻率下具有更大穿透力(約2英尺)的特點可以適用于透熱法等應用。這些應用通常為了緩解肌肉疼痛。微波頻率的優(yōu)勢包括傳熱更快、更精確地瞄準特定區(qū)域(如腫瘤)并且能更準確地進行控制。

在低頻條件下,會在兩個或多個電極之間生成電磁場,其形狀決定磁場的特性。最常見的是棒形和板形電極,目標材料置于電極之間。隨著電極距離的增加,維持電場強度的電壓以及電極之間的最大間距也會增加,從而決定目標材料的最大厚度。使用微波頻率時,會從一個小型發(fā)射極發(fā)出能量并引導其通過空間到達目標;不需要用于低頻應用的一組電板。

可以認為,有不少醫(yī)療應用都只使用RF能量,或者配合使用不同波長的光或激光。

但是,它們一般分為以下三大類:MRI、透熱法、消融和嫩膚美白。由于MRI的優(yōu)勢并非來自于熱量,所以這里不做討論。

透熱法

作為首個使用電磁能的療法,透熱法擁有經(jīng)過長期驗證的有效追蹤記錄,并且多年以來其應用范圍一直大幅擴展。今天,透熱法可以直接將熱量傳輸至皮膚(短波透熱法),或者使用距離人體較近的探針進行加熱,從而將能量傳輸至皮膚(微波透熱法)。短波透熱法的工作頻率是13、27或40 MHz,微波透熱法的工作頻率為915或2450 MHz。盡管長久以來真空管一直用作短波和微波透熱法的RF電源,但LDMOS功率晶體管正在取代真空管,其優(yōu)勢包括:使用壽命長;能夠精密控制功率水平、頻率和相位;控制機制更簡單;放大器尺寸更小、工作電壓更低(參見表1)。

短波透熱法采用兩個電板,分別放在患者身體兩側,或者將感應線圈貼合人體放置或者纏繞在四肢周圍。當電板或線圈之間的高頻波穿過人體組織時,就會產(chǎn)生熱量。熱度以及穿透深度部分取決于電波遇到的人體組織的吸收和阻抗性能。短波透熱法對于治療由鼻竇炎、腎結石和盆腔炎所引發(fā)的疼痛以及導致肌肉痙攣的狀況最有效。

微波透熱法能夠非常有效地使組織均勻升溫而不對皮膚加熱。不同于短波透熱法,微波透熱法不會直接給身體加熱,而會通過探針傳輸RF能量,從而在目標組織中產(chǎn)生熱量(參見圖2)。由于其無法穿透至肌肉深處,所以主要應用是靠近皮膚的區(qū)域,如肩部。探針讓RF能量場直接對準目標組織,相對短波透熱法,其能量區(qū)域更加集中。它通過吸收能量給組織加熱,比紅外治療穿透力更強,但還不及短波透熱法。

圖2. 微波透熱療法

隨著溫度升高,血液流動加速,這可提升關節(jié)和結締組織的靈活性。隨著疼痛和炎癥減輕,關節(jié)炎患者可以擴大活動范圍。其他應用包括治療扭傷、拉傷、病變、退行性關節(jié)病、類風濕性關節(jié)炎、關節(jié)僵硬、血腫、滑囊炎、滑膜炎、手術切口感染、瘡癰和膿腫等病癥。透熱法可用于外科手術,可以在血管中應用探針,讓血液凝結,從而燒灼該區(qū)域?？梢苑浅Ｓ行У厍宄裏o法通過傳統(tǒng)外科手術切除的前列腺、膀胱、子宮頸、腦部、卵巢、大腸和扁桃體腫瘤。

消融

從醫(yī)學角度來說,消融適用于任意技術(包括外科手術),旨在破壞組織,實現(xiàn)特定的有益目標。兩種使用射頻能量的消融系統(tǒng):射頻消融的典型工作頻率是450和500 kHz,微波消融的工作頻率為915或2450 MHz。射頻和微波消融主要用于心臟外科手術和縮小清除腫瘤。并且越來越被視作一線療法。射頻消融是應用最廣泛的醫(yī)療手段,微波消融療法也在不斷發(fā)展,研究表明,其工作頻率具有獨特的優(yōu)勢。消融手術通常通過MRI、計算機斷層掃描(CT)或超聲波生成的圖像來引導進行,使外科醫(yī)生能夠精確定位消融電極的操作位置。RF電源產(chǎn)生的電流會提高探針周圍組織的溫度,致使組織消亡。

射頻消融分為單極和雙極兩種。在單極射頻消融中,一組電極使用接地板構成流經(jīng)全身的電路,在腫瘤位置提供能量。接地板作為射頻電流的返回路徑,通常位于患者的大腿或背部。雙極射頻消融允許電流在多組電極之間流動,并且不需要使用接地板。

通過將探針插入要破壞的目標組織來實施手術。通過在探針和接地板或其它電極之間施加電流使組織升溫。為確保僅提高所需位置的組織溫度,可能需將探針進行部分絕緣處理。細胞死亡取決于溫度和加電時間,可能是50°C時加熱幾分鐘殺死細胞,或者更高溫度加熱幾秒鐘即可殺死細胞。

在許多情況下,微波消融比低頻率技術更具優(yōu)勢。當微波能量場振蕩時,分子不斷調(diào)整位置,從而提高了動能和組織溫度。由于其波長較短,所以圍繞探針傳輸?shù)哪芰扛用芗?過程也更迅速。不同于低頻電流,微波頻率的能量可穿透所有生物組織,包括可以阻止電流的骨骼和肺部。因此,微波消融可在探針周圍產(chǎn)生成更大能量,擴大消融區(qū)域并有可能減少所需設備的數(shù)量。微波探針的設計是決定消融區(qū)域形狀和大小的一個主要因素。研究人員設計了許多類型的探針,控制RF能量傳輸,達到不同的效果。可使用多個探針形成精確匹配目標區(qū)域的更大消融區(qū)。每個探針的信號相位各不相同,從而構成建設性和破壞電波互動區(qū),對結果產(chǎn)生積極有效的影響。

相比射頻消融,微波消融的優(yōu)勢包括縮短應用時間(縮短至幾分鐘)、提高溫度、降低不同組織類型的敏感度、減少重新定位探針的需求以及治療無法使用射頻消融的腫瘤類型。

另一種消融應用是經(jīng)導管腎去神經(jīng)支配術(參見圖3),針對藥物和其它傳統(tǒng)療法已無效的高血壓患者,研究實施消融術治療高血壓的可能性。這是一種微創(chuàng)手術,可以通過消融腎神經(jīng)來降低血壓。通過在股動脈中置入一根小型導管接近腎動脈神經(jīng)。借助置于腎臟的導管末端將電磁能傳遞至動脈,實施神經(jīng)消融。能量通過血管壁傳送,以破壞腎神經(jīng)。

圖3. 用于經(jīng)導管腎去神經(jīng)支配術的微波消融技術

嫩膚美白

在廣義的美容療法(也叫美學療法)中,許多技術都單獨使用RF能量,或者配合激光或其它光源使用(參見圖4)。許多年來,光能一直用于解決皮膚問題,有時會結合激光和強脈沖光(IPL)使用,用于脫毛、消除血管和色素沉著病變、減少細小皺紋以及治療痤瘡。在大多數(shù)情況下,激光的功率是通過RF源提供的;100 MHz時的數(shù)千瓦功率水平可以在一個空間內(nèi)生成等離子區(qū),可從中提取激光。

圖4. 利用RF能量實施嫩膚美白前(a)、后(b)。

光學技術的局限性促使研究人員去探索RF能量的應用,現(xiàn)在這已經(jīng)非常流行。RF治療依靠組織的電氣特性,而非依靠皮膚中的分子聚合來達到熱融破壞的目的。RF技術在相對低溫環(huán)境中將能量傳輸至皮膚,因此非常適合作用于真皮膠原而不影響表皮層,實現(xiàn)更有效的傷口愈合,并在短時間內(nèi)實現(xiàn)嫩膚美白功效(參見圖5)。由于不會影響表皮黑色素,所以適合治療各種皮膚類型的患者,包括深色皮膚以及易發(fā)生炎癥后色素沉著的患者。

圖5 人體皮膚截面圖。資料來源:Henry Gray,“Anatomy of the Human Body”,1918年。

有多種實現(xiàn)RF治療的方法:單極RF在目標區(qū)域應用一個電極頭,并將另一個電板用作接地板。雙極RF使用單個探針尖端的兩個點對準組織,三極RF則利用多個電極同時加熱淺層和深層肌膚。有一種相對較新的技術,叫做分數(shù)RF,利用非常薄的針型電極服務于多個組織區(qū)域,并且不會影響表皮及其附屬物,從而實現(xiàn)更快愈合目的。另一種方法,叫做單極RF,無需向皮膚傳輸電流即可發(fā)揮作用。它是利用能量來誘導水分子的旋轉(zhuǎn)振蕩,針對網(wǎng)狀真皮和皮下結節(jié),而雙極技術影響乳突和中層真皮組織。

有一種嫩膚美白術可以減少或消除毛細管擴張(通常叫做靜脈曲張)、良性皮膚問題或者體現(xiàn)潛在及可能的嚴重疾病的癥狀。由于其網(wǎng)狀外表,這通常稱作蛛網(wǎng)狀血管,即細小血管在皮膚上形成絲狀表象并可形成集群。研究表明,RF和潛在的微波消融可以利用更低溫度來減少這種疾病常見的斑塊,并且副作用也更小。這種叫做VNUS Closure的技術由VNUS Medical Technologies于1998年提出,這種方法類似于注入生理鹽水溶液來麻醉腿部,擠壓靜脈中的血液并保護周圍組織。手術后,血液自然會流向其他更健康的靜脈血管。

一種叫做體形塑造的美容術無需外科手術即可重塑形體,并且已產(chǎn)生許多無創(chuàng)技術專利。利用RF能量將電流傳入脂肪細胞區(qū)域來摧毀它們。結締組織和脂肪均有助于形成脂肪團,事實證明,RF能量可有效減小脂肪團。產(chǎn)生的熱量可改變并緊致結締組織中的膠原蛋白。研究表明,這也會提高治療部位的血液流量和脂肪代謝。RF能量還可用于無創(chuàng)抽脂。射頻輔助抽脂(RFAL)技術由一家制造商開發(fā)出來,借助連接至一個手持式控制器的內(nèi)部和外部兩個電極,利用RF能量來產(chǎn)生熱量。

光電協(xié)同技術(ELOS),也叫做電光技術,結合雙極RF和光能,可減小光能的強度和潛在副作用。研究表明,這可用于各種類型的頭發(fā),并且在去除白頭發(fā)方面非常有效。

新興應用

RF技術也在用于治療其它病癥,許多都依賴于射頻消融。它用于治療各種心臟傳導障礙,其中包括許多技術。手術非常安全,死亡率低于兩千分之一。射頻消融還可用于治療肝細胞癌,這是最常見的肝癌。借助超聲成像的引導,使用經(jīng)皮、腹腔鏡或開放性手術將電極插入至肝部腫瘤。由于這是一種局部療法,對正常健康組織的影響極小,所以可重復進行多次。該技術證明與手術切除一樣,擁有四年成活率。巴雷特食管是一種嚴重的胃食管反流并發(fā)癥,也可通過射頻消融術治療。通過插入食管的內(nèi)窺鏡提供RF能量,破壞異常細胞,同時保護下面的健康細胞。

結論

RF能量在醫(yī)學領域的應用已有很長歷史,并且無論單獨使用還是與激光配合使用,其在透熱法、消融和皮膚治療方面的有效性都已得到證實。固態(tài)設備技術的進步可以實現(xiàn)更好的控制力和靈活性,特別是LDMOS RF功率晶體管可以將治療選項擴展至微波頻率。

Advances in RF Energy for Medical Applications

Franck Nicholls、Jose Fernandez Villasenor, M.D.

恩智浦半導體,美國亞利桑那州Chandler

原文 http://www.mwjournalchina.com/Detarticle.asp?id=3862

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