微波輻照豬肉脂肪實驗規律的研究

高小晗，蘇潤洲，谷宏圓

(東北林業大學理學院，哈爾濱 150040)

1 引 言

如今，熱消融技術已成為治療各種實體腫瘤的一種重要手段。射頻消融和微波消融是兩種常見方式[1]。微波消融作為一種新型的加熱技術，具有效率高、無二次污染、加熱速率快等特點被廣泛應用[2]。其原理是通過波長為1 mm～1 m，頻率為300 MHz～300 GHz的高頻電磁波[3]輻照刺激生物組織內的帶電粒子，使之產生振蕩，對靶區進行加熱的現象[4]，即微波的生物熱效應[5]。

微波在生物組織中的傳播特性及生物組織內的溫度分布[6]是微波消融的研究熱點。2005年，席曉莉等[7]利用液體等效組織體模對微波熱療天線在生物組織中的溫度分布進行了研究； 2009年，孫兵等[8]以2 450 MHz的微波輻射器輻照均勻的分層仿生體模，對透熱深度(透熱深度是指組織溫度超過315 k的組織深度)進行了研究；2017年，Momenroodaki 等[9]研究了多層人體組織的無創微波測溫，楊夢溪等[10]利用人體腹部模型對電磁波在人體腹部中的傳播特性進行了研究。

微波進入人體必須穿過皮下脂肪組織[11]，為進一步明確其相互作用過程，本研究以豬肉腹部皮下脂肪組織為研究對象，以微波的生物熱效應為理論依據，使用2 450 MHz頻率的微波治療儀作為發射裝置，探究了微波在脂肪組織中的傳播過程及其溫度分布，并從微觀角度觀察脂肪組織上表面及透熱深度最深處形態變化，為進一步探究生物組織比吸收率[6](specific sbsorption rate,SAR)的影響因素、提高微波的輻照效率[12]提供有效參考。

2 材料與方法

2.1 儀器設備

微波治療儀，CFT-2100型，0～60 W，2 450 MHz，徐州瑞祺醫療設備有限公司; 數碼熒光顯微鏡，DXM-1200F型，尼康儀器(上海)有限公司; CCD攝像裝置，尼康儀器(上海)有限公司; 紅外線測溫槍手持式測溫儀，華誼 ( PEAKMETER ) PM6519A，-50～380 ℃; 電子天平，ME204T /2，10 mg～220 g， 實際分度值0.1 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

2.2 樣品制備

選取符合鮮豬肉衛生標準(GB 9959.1-2001)的腹部豬肉，哈爾濱市香坊區凱旋廣場比優特超市購得。去除皮及精肉等非脂肪組織，提取較高純度脂肪，將提取的脂肪切成約2.0 cm×2.0 cm×2.5 cm的脂肪塊，將脂肪塊裝進潔凈的塑料器皿中制成樣品，作為研究對象，見圖1。

3 實驗過程與方法

3.1 脂肪組織質量及上表面溫度的測量

取制備好的脂肪塊樣品，用紅外線測溫槍測量樣品上表面十個不同位置點的溫度，取其平均值作為初始溫度，用電子天平稱量樣品質量作為初始質量并記錄。

完成上述工作后，將盛有脂肪塊樣品的塑料器皿放置在微波治療儀5號探頭(圓形探頭)下，并調節樣品與探頭之間的垂直距離至1 cm，采用垂直向下的方式輻照樣品，輻照過程中保證微波均勻地輻照脂肪組織表層，為防止空氣對流對實驗溫度造成影響，本研究在自制的屏蔽箱中進行操作，見圖2。

調節微波治療儀的輸出功率分別為40、45、50、55、60 W，設定輻照時間為30 min,每隔3 min按照上述方法測量一次樣品上表面的溫度及質量并記錄。為避免實驗的偶然性，減小誤差，同一實驗條件下，取相鄰的6塊樣品重復以上過程，取其平均值并記錄。

圖1 樣品塊Fig.1 The sample piece

圖2 實驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

3.2 輻照功率對脂肪組織透熱深度的影響

完成樣品的制備并切取樣品表層適量組織后，測量初始溫度，再將表層樣品置于顯微鏡CCD攝像裝置下,記錄每個樣品的初始形態。將制備好的樣品按照圖2的方法放置在5號探頭下(輻照距離為1 cm)，輻照時間設為15 min，分別以45、50、55、60 W的功率對樣品進行輻照。輻照完成后測溫，并將加熱后的脂肪組織按照標記好的深度位置依次迅速切開(標定的位置為5 mm一層)，對各切片測溫并將表層組織置于顯微鏡下觀察其微觀形態，使用NIS-Elements F軟件將觀察到的微觀形態保存記錄。按照3.1節，同一條件下重復上述實驗6次，取平均值并記錄。

3.3 輻照時間對脂肪組織透熱深度的影響

輻照前，按照3.2節步驟切取表層樣品并在顯微鏡下觀察其微觀形態。輻照距離1 cm，輸出功率為50 W，輻照時間分別設為10、15、20、25 min，按照3.1節中的測溫方法完成測溫，利用顯微鏡觀察各切片樣品的微觀形態并保存記錄。按照3.1節，同一條件下重復上述實驗6次，取平均值并記錄。

4 結果與討論

4.1 脂肪組織上表面溫度、質量損失率隨輻照時間、輻照功率的變化

由圖3 、圖 4 可知，增大輻照時間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度增大，質量損失率也隨之增加。不同功率下，當輻照時間較短(1～2 min)時，脂肪組織上表面溫度變化不大，當輻照時間延長時，溫度變化逐漸增大；同一功率下，隨著輻照時間的延長，脂肪組織上表面溫度的變化逐漸減小，當上表面達到一定溫度后(72～75 ℃)，變化率達到最小；當功率為40～50 W時，脂肪組織質量損失率變化較小；當功率達到55 W時，損失率出現大幅度的上升，且同一功率下隨著時間的延長，變化率逐漸增大。當溫度達到約60 ℃時，質量損失率出現了顯著上升的現象。

圖3 上表面溫度隨輻照時間和輻照功率的變化Fig.3 The upper surface temperature varies with irradiation time and irradiation power

圖4 損失率隨輻照時間和輻照功率的變化Fig.4 Loss rate varies with irradiation time and irradiation power

圖5 不同溫度下脂肪組織的微觀形態Fig.5 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

4.2 脂肪組織上表面溫度、透熱深度隨輻照時間、輻照功率的變化

由圖5-圖10可知，增大輻照時間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度增加，透熱深度也隨之增加。當上表面溫度過低時，無透熱深度出現；當上表面溫度達到41.8 ℃時，透熱深度開始出現；同一功率下，隨輻照時間的延長，上表面溫度的變化率逐漸減小；當功率較低時(40～50 W)，相同時間內脂肪組織上表面溫度變化不大；當功率達到55 W時，上表面溫度出現顯著上升；當功率為60 W時，上表面溫度可達64 ℃，透熱深度最大約為20.8 mm。不同功率下得到的溫度分布沿徑向距離呈指數遞減[13]。由圖5和圖8可知，脂肪細胞呈白色橢圓形空泡狀，大而飽滿，部分細胞經擠壓形狀不規則，細胞間層狀排列，細胞中央出現較大脂肪滴，約占細胞的4/5，隨著溫度的升高，細胞內脂肪滴溶解形成空泡逐漸變大。

圖6 輻照距離、功率不變時，上表面溫度隨輻照時間的變化Fig.6 The change of upper surface temperature with irradiation time when irradiation distance and power are constant

圖7 輻照距離、功率不變時，透熱深度隨輻照時間的變化Fig.7 The depth of heat penetration changes with irradiation time when irradiation distance and power are constant

圖8 不同溫度下脂肪組織的微觀形態Fig.8 Micro-morphology of adipose tissue at different temperatures

圖9 輻照距離、時間不變時，上表面溫度隨輻照功率的變化Fig.9 The change of upper surface temperature with irradiation power when irradiation distance and time are constant

4.3 理論分析

由上述研究可知，通過增大輻照功率和延長輻照時間可使脂肪組織上表面產生不同程度的升溫，樣品質量損失率和透熱深度也隨之增加。由圖3和圖4可知，當功率達到55 W時，上表面溫度和損失率出現了顯著上升，因低功率的微波源對生物組織進行均勻輻照時產生的能量較少，所以溫度變化較小；當高功率的微波源對生物組織進行輻照時，高能量的輻照集中會造成升溫幅度急劇增加，甚至使生物組織發生炭化，因此，生物組織內的水分蒸發量也非常可觀，達到了毫克量級[14]。

圖10 輻照距離、時間不變時，透熱深度隨輻照功率的變化Fig.10 The depth of heat penetration changes with irradiation power when irradiation distance and time are constant

由圖5-圖10可知，當脂肪組織上表面溫度過低時，不會產生透熱深度；當上表面溫度達到41.8 ℃時，透熱深度開始出現。因微波輻照生物組織的過程中會在生物組織的上表面發生縱向弛豫而產生趨膚效應[7]，從而使能量集中在生物組織表面，而非均勻地分布在整個生物組織中；當上表面溫度達到41.8 ℃時，微波輻射產生的高能量可使深層組織中產生升溫，出現透熱深度。

基于半無限大平面的熱傳導方程[15]:

(1)

(2)

式中，ρ為組織密度,C為組織的熱容,I為微波的功率密度,L是微波的功率趨膚深度(場趨膚深度的一半),Q(x,t)是內熱源(生物組織吸收微波后產生),ε為微波在組織表面的透射效率。U(t)是微波輻照時間函數,當t>0 時,U(t)=1；當t≤0 時,U(t)= 0。

忽略水分蒸發等散熱因素,將生物組織表面視為絕熱,則有：

(3)

其中：

τ=L2ρC/k

(4)

上式中，熱容量C、組織密度ρ、熱導率k、趨膚深度L、微波功率密度I、微波透射效率ε均可視為常量。將式(4)代入式(3)中可知，溫升曲線在理論上隨著輻照時間的增加變化率逐漸減小。由于實驗過程中散發的熱量導致屏蔽箱內溫度上升及該理論模型并未考慮蛋白質變性[15]等對溫升曲線的影響，從而導致了對溫升曲線的低估。通過對脂肪組織溫升曲線的模擬，可知曲線變化與理論模型大體一致，與理論相符。

5 結論

本研究主要探討了2 450 MHz頻率的微波在豬肉腹部皮下脂肪中的傳播規律。由結果可知，增大輻照時間和輻照功率，脂肪組織上表面溫度升高，質量損失率和透熱深度也隨之增加。相同功率下，延長輻照時間，溫升曲線變化逐漸減小，質量損失率變化逐漸增大；當上表面溫度達到72～75 ℃時，質量損失率變化最小且趨于平緩。功率為40～50 W時，上表面溫度和質量損失率變化較小；當功率達到55 W時，脂肪組織上表面出現大幅度升溫，質量損失率也顯著上升。由于弛豫產生的趨膚效應等原因，脂肪組織上表面溫度過低時，無透熱深度產生，上表面溫度達到41.8 ℃時，開始出現透熱深度。在該條件下，脂肪組織的最大透熱深度約為20.8 mm。通過實驗誤差分析并結合熱傳導方程，驗證了脂肪組織溫升曲線變化率隨時間逐漸減小的趨勢。