RF能量在医疗技术应用中的研究进展

2017-08-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

从19世纪末开始,电磁能量在临床医学领域的优势就已经得到了认可。今天,尽管大多数人可能只了解磁共振成像(MRI),但许多其它医疗应用正在探索其独特的功能。其中包括缩小肿瘤、辅助心脏手术、嫩肤美白和治疗肌肉疾病。基于RF能量的医疗系统正在持续发展,这主要归功于从真空管向固态电子技术的转变。LDMOS等半导体器件带来了灵活性、改进了操作模式并发挥了微波频率的优势。

灵感的火花

RF能量在几乎所有医疗应用中的优势来自于某种形式的RF发生器所产生的热量。有关将任何来源的热量用于医学目的的最早记录可以追溯至史前时期,当时使用加热的岩石来减少或阻止血液流出(止血)。著名的发明家和科学家尼古拉•特斯拉于1891年首次提出利用电能在人体中产生热量。由于电能可能会造成电击危险,所以这曾是非常危险的领域。在特斯拉发表研究结果后不久,法国内科医生兼生物物理学家杰奎斯•阿森德•阿松维尔发现,当这种能量的频率高于10 kHz时,就不会给病人带来电击危险,而是可提高皮肤温度。他提出了利用接触电极、电容板和电感线圈将这种“高频率”电流应用于人体的方法。

借助RF能量提高深层组织温度最初由奥地利化学家R. von Zaynek提出,他指出,在组织中产生的热量与频率和电流密度密切相关。因此,1908年,德国物理学家Karl Franz Nagelschmidt将其命名为“透热法”,这期间也是该技术首次大规模应用到人类身上。Nagelschmidt被视为该领域的先驱,他在1913年首次编写了有关该主题的教科书。之后的重要发展包括哈维•库兴和威廉•T.伯维,其中伯维开发的一款电外科器械可用于在切除大脑血管瘤时提供体内平衡。

最初在透热法中应用RF能量受制于缺乏产生能量的设备,因为火花放电的特斯拉线圈器材只能实现2 MHz的频率。由于这些频率的波长较长,所以这种透热法叫做长波透热法。这一僵局由1904约翰•阿布罗斯•佛莱明发明的真空管打破,后者可将频率大幅提升至约300 MHz(参见图1)。

图1 Fischer电疗机,大约在1920年

电疗机在此频率下工作被称做短波透热法。与许多RF和微波技术类似,世界大战期间,真空管技术得到迅速发展,并且出现了全新类型的真空电子设备。其中最著名的就是磁控管,这让新兴雷达系统可以在更高频率下生成较高功率。医务人员一直是磁控管技术的受益者之一,许多最初的应用仍然沿用至今,并且仍然使用磁控管产生RF能量。

与之前的真空管一样,晶体管进一步拓展了RF能量的医学应用范围。基于晶体管的能量生成案例最早出现在20世纪50年代,尽管这些设备当时只能生成极小功率并且非常容易出故障。之后几年,这些局限逐步被打破,双极结型晶体管(BJT)和垂直金属氧化物半导体(VMOS)晶体管等半导体技术在医疗设备中得到了应用。如今,横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)功率晶体管成为首选固态技术,能够达到高达1500 W的功率水平。LDMOS晶体管的优势使其非常适合作为其前代真空管和晶体管的替代产品(参见表1)。

相对真空管,晶体管在医疗应用中的主要优势就是灵活性。可以在整个动态范围中严格控制输出功率,必要时可以减少传输给人体组织的热量。它们支持ISM频段(例如902至928 MHz)内扫频,有助于最大程度地将能量传输至人体。针对使用多个探针来合并波阵面的高级系统,可以通过控制相位来移动必须瞄准的区域。真空管可能需要大而重的电源产生的危险高电压,而晶体管则采用32至50 V的直流电源。相比之前的半导体技术,LDMOS晶体管的最大优势在于它们能够在更高频率下工作,如915和2450 MHz,并且非常耐用。即便由于短路或开路等阻抗不匹配因素导致所有传输能量反射回来,LDMOS功率晶体管也能安然无恙。这在医疗应用中非常重要,因为人体组织会向探针呈现可变负载。

最初,可用RF电源的能力决定了电磁能系统使用的频率。初始操作频率非常低,后来随着时代的发展,频率和输出功率不断提高。然而,随着医疗、科学和工业系统不断涌现,我们需要指定电磁波频谱的工作区域。美国的工业、科学和医疗(ISM)频段如表2所示,并且得到了全世界的广泛采纳。一些国家和地区使用的是其它频率。也有许多其它系统使用这些相同频段,包括Wi-Fi、蓝牙、微波炉和基于RF的工业设备。由于ISM频段未受管制,所以设备必须能够防止或容忍附近应用所造成的干扰。

RF提高组织温度

除MRI使用强大的电磁场进行成像而非提高温度之外,所有其它医疗应用都使用RF来产生热量。在高频条件下施加电磁场会使水偶极子周期运动,分子之间产生摩擦,从而产生热量。产生热量的频率和运用热量的硬件在很大程度上决定特定医疗应用的效用。电磁能在医疗应用中的一些共同点:

• 分子水平的组织变化随频率不同

• 低频可以穿透的皮肤深度比高频更深

• 低频可以穿透的组织类型比微波频率更少

• 在微波频率下工作的系统可以更精确地将能量传输至特定区域

• 在更低频率下工作的医疗系统可以比900 MHz以上频率工作的微波系统使用时间更长

• 在微波频率下工作的系统的优势日益重要并且得到了更加全面的了解。

在特斯拉的早期贡献以及其他人建议在辐射电磁能和人体之间互动之后,此机制得到了进一步的阐述并且扩展至所有绝缘材料。这表明,穿透深度由辐射频率和材料的绝缘性能来决定。结果显示,采用微波发生器时,由于其波长较短,我们可以精确瞄准特定区域。更低频率下具有更大穿透力(约2英尺)的特点可以适用于透热法等应用。这些应用通常为了缓解肌肉疼痛。微波频率的优势包括传热更快、更精确地瞄准特定区域(如肿瘤)并且能更准确地进行控制。

在低频条件下,会在两个或多个电极之间生成电磁场,其形状决定磁场的特性。最常见的是棒形和板形电极,目标材料置于电极之间。随着电极距离的增加,维持电场强度的电压以及电极之间的最大间距也会增加,从而决定目标材料的最大厚度。使用微波频率时,会从一个小型发射极发出能量并引导其通过空间到达目标;不需要用于低频应用的一组电板。

可以认为,有不少医疗应用都只使用RF能量,或者配合使用不同波长的光或激光。

但是,它们一般分为以下三大类:MRI、透热法、消融和嫩肤美白。由于MRI的优势并非来自于热量,所以这里不做讨论。

透热法

作为首个使用电磁能的疗法,透热法拥有经过长期验证的有效追踪记录,并且多年以来其应用范围一直大幅扩展。今天,透热法可以直接将热量传输至皮肤(短波透热法),或者使用距离人体较近的探针进行加热,从而将能量传输至皮肤(微波透热法)。短波透热法的工作频率是13、27或40 MHz,微波透热法的工作频率为915或2450 MHz。尽管长久以来真空管一直用作短波和微波透热法的RF电源,但LDMOS功率晶体管正在取代真空管,其优势包括:使用寿命长;能够精密控制功率水平、频率和相位;控制机制更简单;放大器尺寸更小、工作电压更低(参见表1)。

短波透热法采用两个电板,分别放在患者身体两侧,或者将感应线圈贴合人体放置或者缠绕在四肢周围。当电板或线圈之间的高频波穿过人体组织时,就会产生热量。热度以及穿透深度部分取决于电波遇到的人体组织的吸收和阻抗性能。短波透热法对于治疗由鼻窦炎、肾结石和盆腔炎所引发的疼痛以及导致肌肉痉挛的状况最有效。

微波透热法能够非常有效地使组织均匀升温而不对皮肤加热。不同于短波透热法,微波透热法不会直接给身体加热,而会通过探针传输RF能量,从而在目标组织中产生热量(参见图2)。由于其无法穿透至肌肉深处,所以主要应用是靠近皮肤的区域,如肩部。探针让RF能量场直接对准目标组织,相对短波透热法,其能量区域更加集中。它通过吸收能量给组织加热,比红外治疗穿透力更强,但还不及短波透热法。

图2. 微波透热疗法

随着温度升高,血液流动加速,这可提升关节和结缔组织的灵活性。随着疼痛和炎症减轻,关节炎患者可以扩大活动范围。其他应用包括治疗扭伤、拉伤、病变、退行性关节病、类风湿性关节炎、关节僵硬、血肿、滑囊炎、滑膜炎、手术切口感染、疮痈和脓肿等病症。透热法可用于外科手术,可以在血管中应用探针,让血液凝结,从而烧灼该区域。可以非常有效地清除无法通过传统外科手术切除的前列腺、膀胱、子宫颈、脑部、卵巢、大肠和扁桃体肿瘤。

消融

从医学角度来说,消融适用于任意技术(包括外科手术),旨在破坏组织,实现特定的有益目标。两种使用射频能量的消融系统:射频消融的典型工作频率是450和500 kHz,微波消融的工作频率为915或2450 MHz。射频和微波消融主要用于心脏外科手术和缩小清除肿瘤。并且越来越被视作一线疗法。射频消融是应用最广泛的医疗手段,微波消融疗法也在不断发展,研究表明,其工作频率具有独特的优势。消融手术通常通过MRI、计算机断层扫描(CT)或超声波生成的图像来引导进行,使外科医生能够精确定位消融电极的操作位置。RF电源产生的电流会提高探针周围组织的温度,致使组织消亡。

射频消融分为单极和双极两种。在单极射频消融中,一组电极使用接地板构成流经全身的电路,在肿瘤位置提供能量。接地板作为射频电流的返回路径,通常位于患者的大腿或背部。双极射频消融允许电流在多组电极之间流动,并且不需要使用接地板。

通过将探针插入要破坏的目标组织来实施手术。通过在探针和接地板或其它电极之间施加电流使组织升温。为确保仅提高所需位置的组织温度,可能需将探针进行部分绝缘处理。细胞死亡取决于温度和加电时间,可能是50°C时加热几分钟杀死细胞,或者更高温度加热几秒钟即可杀死细胞。

在许多情况下,微波消融比低频率技术更具优势。当微波能量场振荡时,分子不断调整位置,从而提高了动能和组织温度。由于其波长较短,所以围绕探针传输的能量更加密集,过程也更迅速。不同于低频电流,微波频率的能量可穿透所有生物组织,包括可以阻止电流的骨骼和肺部。因此,微波消融可在探针周围产生成更大能量,扩大消融区域并有可能减少所需设备的数量。微波探针的设计是决定消融区域形状和大小的一个主要因素。研究人员设计了许多类型的探针,控制RF能量传输,达到不同的效果。可使用多个探针形成精确匹配目标区域的更大消融区。每个探针的信号相位各不相同,从而构成建设性和破坏电波互动区,对结果产生积极有效的影响。

相比射频消融,微波消融的优势包括缩短应用时间(缩短至几分钟)、提高温度、降低不同组织类型的敏感度、减少重新定位探针的需求以及治疗无法使用射频消融的肿瘤类型。

另一种消融应用是经导管肾去神经支配术(参见图3),针对药物和其它传统疗法已无效的高血压患者,研究实施消融术治疗高血压的可能性。这是一种微创手术,可以通过消融肾神经来降低血压。通过在股动脉中置入一根小型导管接近肾动脉神经。借助置于肾脏的导管末端将电磁能传递至动脉,实施神经消融。能量通过血管壁传送,以破坏肾神经。

图3. 用于经导管肾去神经支配术的微波消融技术

嫩肤美白

在广义的美容疗法(也叫美学疗法)中,许多技术都单独使用RF能量,或者配合激光或其它光源使用(参见图4)。许多年来,光能一直用于解决皮肤问题,有时会结合激光和强脉冲光(IPL)使用,用于脱毛、消除血管和色素沉着病变、减少细小皱纹以及治疗痤疮。在大多数情况下,激光的功率是通过RF源提供的;100 MHz时的数千瓦功率水平可以在一个空间内生成等离子区,可从中提取激光。

图4. 利用RF能量实施嫩肤美白前(a)、后(b)。

光学技术的局限性促使研究人员去探索RF能量的应用,现在这已经非常流行。RF治疗依靠组织的电气特性,而非依靠皮肤中的分子聚合来达到热融破坏的目的。RF技术在相对低温环境中将能量传输至皮肤,因此非常适合作用于真皮胶原而不影响表皮层,实现更有效的伤口愈合,并在短时间内实现嫩肤美白功效(参见图5)。由于不会影响表皮黑色素,所以适合治疗各种皮肤类型的患者,包括深色皮肤以及易发生炎症后色素沉着的患者。

图5 人体皮肤截面图。资料来源:Henry Gray,“Anatomy of the Human Body”,1918年。

有多种实现RF治疗的方法:单极RF在目标区域应用一个电极头,并将另一个电板用作接地板。双极RF使用单个探针尖端的两个点对准组织,三极RF则利用多个电极同时加热浅层和深层肌肤。有一种相对较新的技术,叫做分数RF,利用非常薄的针型电极服务于多个组织区域,并且不会影响表皮及其附属物,从而实现更快愈合目的。另一种方法,叫做单极RF,无需向皮肤传输电流即可发挥作用。它是利用能量来诱导水分子的旋转振荡,针对网状真皮和皮下结节,而双极技术影响乳突和中层真皮组织。

有一种嫩肤美白术可以减少或消除毛细管扩张(通常叫做静脉曲张)、良性皮肤问题或者体现潜在及可能的严重疾病的症状。由于其网状外表,这通常称作蛛网状血管,即细小血管在皮肤上形成丝状表象并可形成集群。研究表明,RF和潜在的微波消融可以利用更低温度来减少这种疾病常见的斑块,并且副作用也更小。这种叫做VNUS Closure的技术由VNUS Medical Technologies于1998年提出,这种方法类似于注入生理盐水溶液来麻醉腿部,挤压静脉中的血液并保护周围组织。手术后,血液自然会流向其他更健康的静脉血管。

一种叫做体形塑造的美容术无需外科手术即可重塑形体,并且已产生许多无创技术专利。利用RF能量将电流传入脂肪细胞区域来摧毁它们。结缔组织和脂肪均有助于形成脂肪团,事实证明,RF能量可有效减小脂肪团。产生的热量可改变并紧致结缔组织中的胶原蛋白。研究表明,这也会提高治疗部位的血液流量和脂肪代谢。RF能量还可用于无创抽脂。射频辅助抽脂(RFAL)技术由一家制造商开发出来,借助连接至一个手持式控制器的内部和外部两个电极,利用RF能量来产生热量。

光电协同技术(ELOS),也叫做电光技术,结合双极RF和光能,可减小光能的强度和潜在副作用。研究表明,这可用于各种类型的头发,并且在去除白头发方面非常有效。

新兴应用

RF技术也在用于治疗其它病症,许多都依赖于射频消融。它用于治疗各种心脏传导障碍,其中包括许多技术。手术非常安全,死亡率低于两千分之一。射频消融还可用于治疗肝细胞癌,这是最常见的肝癌。借助超声成像的引导,使用经皮、腹腔镜或开放性手术将电极插入至肝部肿瘤。由于这是一种局部疗法,对正常健康组织的影响极小,所以可重复进行多次。该技术证明与手术切除一样,拥有四年成活率。巴雷特食管是一种严重的胃食管反流并发症,也可通过射频消融术治疗。通过插入食管的内窥镜提供RF能量,破坏异常细胞,同时保护下面的健康细胞。

结论

RF能量在医学领域的应用已有很长历史,并且无论单独使用还是与激光配合使用,其在透热法、消融和皮肤治疗方面的有效性都已得到证实。固态设备技术的进步可以实现更好的控制力和灵活性,特别是LDMOS RF功率晶体管可以将治疗选项扩展至微波频率。

Advances in RF Energy for Medical Applications

Franck Nicholls、Jose Fernandez Villasenor, M.D.

恩智浦半导体,美国亚利桑那州Chandler

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

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