高小晗，苏润洲，谷宏圆

(东北林业大学理学院，哈尔滨 150040)

1 引 言

如今，热消融技术已成为治疗各种实体肿瘤的一种重要手段。射频消融和微波消融是两种常见方式[1]。微波消融作为一种新型的加热技术，具有效率高、无二次污染、加热速率快等特点被广泛应用[2]。其原理是通过波长为1 mm～1 m，频率为300 MHz～300 GHz的高频电磁波[3]辐照刺激生物组织内的带电粒子，使之产生振荡，对靶区进行加热的现象[4]，即微波的生物热效应[5]。

微波在生物组织中的传播特性及生物组织内的温度分布[6]是微波消融的研究热点。2005年，席晓莉等[7]利用液体等效组织体模对微波热疗天线在生物组织中的温度分布进行了研究； 2009年，孙兵等[8]以2 450 MHz的微波辐射器辐照均匀的分层仿生体模，对透热深度(透热深度是指组织温度超过315 k的组织深度)进行了研究；2017年，Momenroodaki 等[9]研究了多层人体组织的无创微波测温，杨梦溪等[10]利用人体腹部模型对电磁波在人体腹部中的传播特性进行了研究。

微波进入人体必须穿过皮下脂肪组织[11]，为进一步明确其相互作用过程，本研究以猪肉腹部皮下脂肪组织为研究对象，以微波的生物热效应为理论依据，使用2 450 MHz频率的微波治疗仪作为发射装置，探究了微波在脂肪组织中的传播过程及其温度分布，并从微观角度观察脂肪组织上表面及透热深度最深处形态变化，为进一步探究生物组织比吸收率[6](specific sbsorption rate,SAR)的影响因素、提高微波的辐照效率[12]提供有效参考。

2 材料与方法

2.1 仪器设备

微波治疗仪，CFT-2100型，0～60 W，2 450 MHz，徐州瑞祺医疗设备有限公司; 数码荧光显微镜，DXM-1200F型，尼康仪器(上海)有限公司; CCD摄像装置，尼康仪器(上海)有限公司; 红外线测温枪手持式测温仪，华谊 ( PEAKMETER ) PM6519A，-50～380 ℃; 电子天平，ME204T /2，10 mg～220 g， 实际分度值0.1 mg，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

2.2 样品制备

选取符合鲜猪肉卫生标准(GB 9959.1-2001)的腹部猪肉，哈尔滨市香坊区凯旋广场比优特超市购得。去除皮及精肉等非脂肪组织，提取较高纯度脂肪，将提取的脂肪切成约2.0 cm×2.0 cm×2.5 cm的脂肪块，将脂肪块装进洁净的塑料器皿中制成样品，作为研究对象，见图1。

3 实验过程与方法

3.1 脂肪组织质量及上表面温度的测量

取制备好的脂肪块样品，用红外线测温枪测量样品上表面十个不同位置点的温度，取其平均值作为初始温度，用电子天平称量样品质量作为初始质量并记录。

完成上述工作后，将盛有脂肪块样品的塑料器皿放置在微波治疗仪5号探头(圆形探头)下，并调节样品与探头之间的垂直距离至1 cm，采用垂直向下的方式辐照样品，辐照过程中保证微波均匀地辐照脂肪组织表层，为防止空气对流对实验温度造成影响，本研究在自制的屏蔽箱中进行操作，见图2。

调节微波治疗仪的输出功率分别为40、45、50、55、60 W，设定辐照时间为30 min,每隔3 min按照上述方法测量一次样品上表面的温度及质量并记录。为避免实验的偶然性，减小误差，同一实验条件下，取相邻的6块样品重复以上过程，取其平均值并记录。

图1 样品块Fig.1 The sample piece

图2 实验示意图Fig.2 Schematic diagram of experiment

3.2 辐照功率对脂肪组织透热深度的影响

完成样品的制备并切取样品表层适量组织后，测量初始温度，再将表层样品置于显微镜CCD摄像装置下,记录每个样品的初始形态。将制备好的样品按照图2的方法放置在5号探头下(辐照距离为1 cm)，辐照时间设为15 min，分别以45、50、55、60 W的功率对样品进行辐照。辐照完成后测温，并将加热后的脂肪组织按照标记好的深度位置依次迅速切开(标定的位置为5 mm一层)，对各切片测温并将表层组织置于显微镜下观察其微观形态，使用NIS-Elements F软件将观察到的微观形态保存记录。按照3.1节，同一条件下重复上述实验6次，取平均值并记录。

3.3 辐照时间对脂肪组织透热深度的影响

辐照前，按照3.2节步骤切取表层样品并在显微镜下观察其微观形态。辐照距离1 cm，输出功率为50 W，辐照时间分别设为10、15、20、25 min，按照3.1节中的测温方法完成测温，利用显微镜观察各切片样品的微观形态并保存记录。按照3.1节，同一条件下重复上述实验6次，取平均值并记录。

4 结果与讨论

4.1 脂肪组织上表面温度、质量损失率随辐照时间、辐照功率的变化

由图3 、图 4 可知，增大辐照时间和辐照功率，脂肪组织上表面温度增大，质量损失率也随之增加。不同功率下，当辐照时间较短(1～2 min)时，脂肪组织上表面温度变化不大，当辐照时间延长时，温度变化逐渐增大；同一功率下，随着辐照时间的延长，脂肪组织上表面温度的变化逐渐减小，当上表面达到一定温度后(72～75 ℃)，变化率达到最小；当功率为40～50 W时，脂肪组织质量损失率变化较小；当功率达到55 W时，损失率出现大幅度的上升，且同一功率下随着时间的延长，变化率逐渐增大。当温度达到约60 ℃时，质量损失率出现了显著上升的现象。

图3 上表面温度随辐照时间和辐照功率的变化Fig.3 The upper surface temperature varies with irradiation time and irradiation power

图4 损失率随辐照时间和辐照功率的变化Fig.4 Loss rate varies with irradiation time and irradiation power

图5 不同温度下脂肪组织的微观形态Fig.5 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

4.2 脂肪组织上表面温度、透热深度随辐照时间、辐照功率的变化

由图5-图10可知，增大辐照时间和辐照功率，脂肪组织上表面温度增加，透热深度也随之增加。当上表面温度过低时，无透热深度出现；当上表面温度达到41.8 ℃时，透热深度开始出现；同一功率下，随辐照时间的延长，上表面温度的变化率逐渐减小；当功率较低时(40～50 W)，相同时间内脂肪组织上表面温度变化不大；当功率达到55 W时，上表面温度出现显著上升；当功率为60 W时，上表面温度可达64 ℃，透热深度最大约为20.8 mm。不同功率下得到的温度分布沿径向距离呈指数递减[13]。由图5和图8可知，脂肪细胞呈白色椭圆形空泡状，大而饱满，部分细胞经挤压形状不规则，细胞间层状排列，细胞中央出现较大脂肪滴，约占细胞的4/5，随着温度的升高，细胞内脂肪滴溶解形成空泡逐渐变大。

图6 辐照距离、功率不变时，上表面温度随辐照时间的变化Fig.6 The change of upper surface temperature with irradiation time when irradiation distance and power are constant

图7 辐照距离、功率不变时，透热深度随辐照时间的变化Fig.7 The depth of heat penetration changes with irradiation time when irradiation distance and power are constant

图8 不同温度下脂肪组织的微观形态Fig.8 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

图9 辐照距离、时间不变时，上表面温度随辐照功率的变化Fig.9 The change of upper surface temperature with irradiation power when irradiation distance and time are constant

4.3 理论分析

由上述研究可知，通过增大辐照功率和延长辐照时间可使脂肪组织上表面产生不同程度的升温，样品质量损失率和透热深度也随之增加。由图3和图4可知，当功率达到55 W时，上表面温度和损失率出现了显著上升，因低功率的微波源对生物组织进行均匀辐照时产生的能量较少，所以温度变化较小；当高功率的微波源对生物组织进行辐照时，高能量的辐照集中会造成升温幅度急剧增加，甚至使生物组织发生炭化，因此，生物组织内的水分蒸发量也非常可观，达到了毫克量级[14]。

图10 辐照距离、时间不变时，透热深度随辐照功率的变化Fig.10 The depth of heat penetration changes with irradiation power when irradiation distance and time are constant

由图5-图10可知，当脂肪组织上表面温度过低时，不会产生透热深度；当上表面温度达到41.8 ℃时，透热深度开始出现。因微波辐照生物组织的过程中会在生物组织的上表面发生纵向弛豫而产生趋肤效应[7]，从而使能量集中在生物组织表面，而非均匀地分布在整个生物组织中；当上表面温度达到41.8 ℃时，微波辐射产生的高能量可使深层组织中产生升温，出现透热深度。

基于半无限大平面的热传导方程[15]:

(1)

(2)

式中，ρ为组织密度,C为组织的热容,I为微波的功率密度,L是微波的功率趋肤深度(场趋肤深度的一半),Q(x,t)是内热源(生物组织吸收微波后产生),ε为微波在组织表面的透射效率。U(t)是微波辐照时间函数,当t>0 时,U(t)=1；当t≤0 时,U(t)= 0。

忽略水分蒸发等散热因素,将生物组织表面视为绝热,则有：

(3)

其中：

τ=L2ρC/k

(4)

上式中，热容量C、组织密度ρ、热导率k、趋肤深度L、微波功率密度I、微波透射效率ε均可视为常量。将式(4)代入式(3)中可知，温升曲线在理论上随着辐照时间的增加变化率逐渐减小。由于实验过程中散发的热量导致屏蔽箱内温度上升及该理论模型并未考虑蛋白质变性[15]等对温升曲线的影响，从而导致了对温升曲线的低估。通过对脂肪组织温升曲线的模拟，可知曲线变化与理论模型大体一致，与理论相符。

5 结论

本研究主要探讨了2 450 MHz频率的微波在猪肉腹部皮下脂肪中的传播规律。由结果可知，增大辐照时间和辐照功率，脂肪组织上表面温度升高，质量损失率和透热深度也随之增加。相同功率下，延长辐照时间，温升曲线变化逐渐减小，质量损失率变化逐渐增大；当上表面温度达到72～75 ℃时，质量损失率变化最小且趋于平缓。功率为40～50 W时，上表面温度和质量损失率变化较小；当功率达到55 W时，脂肪组织上表面出现大幅度升温，质量损失率也显著上升。由于弛豫产生的趋肤效应等原因，脂肪组织上表面温度过低时，无透热深度产生，上表面温度达到41.8 ℃时，开始出现透热深度。在该条件下，脂肪组织的最大透热深度约为20.8 mm。通过实验误差分析并结合热传导方程，验证了脂肪组织温升曲线变化率随时间逐渐减小的趋势。