基于T形环的新型多器官肿瘤热消融探针设计与性能研究

《Scientific Reports》：Novel T-ring-based probes for thermal ablation of tumors in different organs

本研究针对现有微波热消融(MWA)探针难以适配不同解剖部位肿瘤的问题，设计了两款新型T形环结构探针（3TSS和10TSSS）。通过有限元分析验证，新型探针在肝脏、乳腺、肾脏和肺部组织中均表现出优异的能量聚焦特性，反射系数分别达-21.553 dB和-24.816 dB，能有效控制消融形态并减少健康组织损伤。该研究为开发通用型热消融器械提供了创新解决方案。

　　

在肿瘤治疗领域，热消融技术已成为处理实体肿瘤的关键微创手段。通过局部加热诱导肿瘤坏死，该技术为患者提供了新的治疗选择。然而，肿瘤可能位于肝脏、肾脏、肺部、乳腺等不同解剖部位，而传统的热消融技术通常需要特定设计的探针来匹配不同部位和尺寸的肿瘤，这在临床应用中存在显著局限性。目前市场上缺乏一种能够有效消融不同器官肿瘤的通用型探针，这一研究空白激发了研究人员对新型热消融探针的开发兴趣。

近日发表在《Scientific Reports》上的一项研究提出了创新性的解决方案。来自埃及坦塔大学的研究团队设计了两款基于T形环结构的新型热消融探针——单槽3T环探针(3TSS)和单槽套管10T环探针(10TSSS)，分别受到传统单空气隙探针和双空气隙套管探针的启发而开发。这些新型探针旨在优化消融过程中的功耗分布，实现在人体不同部位（包括肝脏、乳腺、肾脏和肺部）的有效应用。

研究团队采用有限元法(FEM)建立了探针设计和消融过程的计算模型，通过分析功耗值和S11反射系数来确定最佳探针阻抗。关键技术方法包括电磁热耦合模拟、比吸收率(SAR)分析、生物热传递方程求解以及组织损伤评估。研究人员使用离体猪肺组织实验验证了模型准确性，比较了不同功率设置（30W、40W、50W）下的消融区域尺寸。

探针设计与结构特征

研究团队基于传统单空气隙探针和双空气隙套管探针的结构，创新性地引入了T形环设计。3TSS探针在单空气隙基础上增加了三个突出探针体外0.2mm的T形环，而10TSSS探针则包含一个空气隙和带有十个T形环的19mm长套管。

这些T形环的位置和间距经过精心优化，可有效控制探针周围的热发射和电磁波分布。探针横截面由导体、电介质、导管和空气四种材料组成，其电气特性经过精确设计以确保最佳性能。

功耗密度分布

在2.45GHz微波频率和10W功率条件下，研究人员比较了四种探针在不同组织中的功耗密度分布。传统单空气隙探针存在沿探针向上的后向能量尾迹，可能导致健康组织损伤。相比之下，新型3TSS和10TSSS探针将功耗集中分布在探针尖端与最远端T形环之间，有效将能量发射限制在肿瘤组织区域内。

消融组织形态

所有探针均能完全消融椭圆状肿瘤区域（短轴20mm，长轴30mm），但消融形态显著不同。传统探针产生不必要的后向消融，而新型探针则将消融区域有效限制在目标肿瘤组织内。10TSSS探针在肝脏和肺组织消融中表现最佳，而3TSS探针在乳腺、肾脏和肺组织中效果最优。

新型探针能够在肿瘤周围形成适当的健康组织边缘，确保完全清除肿瘤同时最小化对邻近区域的损伤。

等温线分布

消融10分钟后，新型探针产生的温度显著高于传统探针。在肝脏组织中，3TSS和10TSSS探针分别达到152°C和150°C，而传统单空气隙和双空气隙套管探针仅达到102°C和115°C。在肺组织中，10TSSS探针甚至产生高达348°C的温度。等温线分布显示，新型探针产生的热场更加球形化，有利于针对性肿瘤消融。

反射系数性能

反射系数(S11)是评估探针效能的关键指标，较低值表示更好的能量传输效率。在2.45GHz频率下，10TSSS探针的S11值达到-24.816dB，显著优于传统探针（单空气隙：-21.752dB；双空气隙套管：-14.455dB）和3TSS探针（-21.553dB）。

组织特异性响应

研究还揭示了不同组织对微波消融的响应差异。由于组织特性不同，肺组织中的功耗密度最高，导致消融速度最快。在5W功率下，3TSS和10TSSS探针分别仅需4分钟和5分钟即可完全消融肺肿瘤，而肝脏、肾脏和乳腺组织需要更长时间。

实验验证

通过与已发表的离体猪肺实验数据对比，研究团队验证了计算模型的可靠性。在30W、40W和50W功率下消融6分钟，模拟结果与实验测量的消融区域尺寸高度一致，证实了有限元模型的有效性。

本研究通过系统的计算分析和实验验证，证明新型T形环探针在微波热消融中具有显著优势。3TSS和10TSSS探针能够提供更好的能量聚焦、更低的反射系数和更可控的消融形态，适用于多种器官的肿瘤治疗。这些探针设计无需额外冷却机制，简化了临床操作流程，为开发通用型热消融器械奠定了基础。未来通过实际制造和实验验证，这些创新设计有望推动微波热消融技术的进一步发展，为肿瘤患者提供更安全有效的治疗选择。

研究的局限性包括目前仅基于数值模拟，尚未进行实际探针制造和体内实验。此外，研究主要针对中小体积肿瘤，对于更大肿瘤可能需要多探针组合或相控阵配置。未来工作将探索更高功率设置（最高150W）、探针阵列性能以及冷却机制的实施，以进一步提升临床适用性。