一、研究背景转移性肿瘤在脊柱肿瘤中最常见,往往会伴有病理性骨折和难以忍受的疼痛感,其中大部分患者都不适合常规手术治疗而只能采取姑息性治疗。医学工作者不断探索各种新的治疗方法和技术,寄希望于在微创条件下尽可能的杀灭转移病灶、又可以尽量避免病理性骨折、脊髓受压等相关并发症,以减轻肿瘤病灶引起的难以忍受的疼痛、提高生活质量等。实时影像学引导下射频消融术(Radiofrequency Ablation, RFA)是近年开展的肿瘤微创治疗新技术。在影像学精确定位引导下经皮将射频电极插入病灶,以最小的创伤最大程度地局部杀灭瘤细胞,可以缓解肿瘤引起的顽固性疼痛,提高生活质量,是一种有效的局部治疗办法。目前RFA已成熟应用于病灶局限的良性肿瘤如骨样骨瘤、骨母细胞瘤等的治疗,对脊柱转移性肿瘤的治疗也取得了良好效果。治疗脊柱转移性病灶时,可以通过选择合适的RFA射频电极和调整进针角度和长度、射频时间等方式达到最大化杀灭转移性病灶、减轻患者疼痛。然而,应用RFA也存在着自身的先天性缺陷,其无法保证患者在经过RFA治疗后防止病变椎体病理性骨折、加固椎体强度以利于患者早期下地活动的目的。随着射频治疗技术的不断进步,迫切需要研究的课题也不断出现,主要有：一、增强RFA单次治疗有效消融范围的研究；二、人体组织内部无损测温方式的研究；三、治疗过程中对坏死和残余癌组织的实时区分；四、病灶内残留癌细胞生物学特性的变化等。在研究这些课题的同时,为弥补自身的缺陷,联合其他方式治疗椎体转移性肿瘤成为一种技术革新的必然。二十世纪八十年代中期,在法国出现了经皮椎体成形术(Percutaneous Vertbroplasty, PVP),并在欧美国家迅速发展,用于治疗椎体血管瘤、转移瘤、骨质疏松症引起的压缩性椎体骨折等。近年来,在研究经皮椎体成形术的基础上,Garfin等首先提出了经皮球囊扩张椎体后凸成形术(Percutaneous Kyphoplasty,PKP)的设计构想,该产品于1998年通过美国FDA批准应用于临床,在北美等发达国家逐渐开展并获得令人鼓舞的效果。PKP技术的应用,在一定程度上弥补了PVP技术的不足,能够恢复椎体高度,提高了椎体的力学稳定性,并且降低了骨水泥外渗漏率等。然而无论是PVP还是由PVP改进衍生出来的PKP技术,它们都有各自的局限性。首先,脊柱转移性病灶本身是不规则的,且肿瘤本身占有一定的体积,很难保证根据肿瘤病灶破坏范围将骨水泥均匀分布到每一个角落,尤其对于椎体后壁皮质不完整的病灶,骨水泥分布范围更有局限性；其次,骨水泥自身产热能力有限,且其传热方式是通过直接和肿瘤接触面传导热量,因肿瘤形状的不规则性及骨组织自身的热阻抗特性,很难保证将肿瘤组织尽可能的杀死；第三,在一定瘤荷压力状态下,肿瘤细胞或瘤拴会脱落并通过周围丰富的静脉血管网发生远处转移或和浸润周围正常组织,因此在撑开病灶和注入骨水泥的过程中,理论上会存在因为增加肿瘤病灶内压力而发生肿瘤细胞扩散的可能；第四,因为肿瘤血管网的广泛分布,骨水泥在注入后发热期之前会通过血管网漏出,因而更容易出现毒性反应和对周围正常脏器的损伤等。针对以上存在的问题,试想如果PVP先进行RFA,可以起到如下作用：一、RFA通过自身产热原理和术中调整进针角度,可以更大范围杀死肿瘤细胞；二、RFA后肿瘤体积变小,为骨水泥的填充提供了更大的空间；三、RFA减轻了瘤荷,肿瘤周围血管网在高温下栓塞,再实施PVP会降低肿瘤经血管网扩散和骨水泥漏出的可能性。鉴于RFA和PVP在治疗脊柱肿瘤上具有一定的互补性,医学工作者想到了把上述两种方法结合起来进行临床应用研究,国内外相关文献报道收到了满意的疗效。因为PKP较PVP具有明显的优点,使我们联想到应用RFA联合PKP探讨治疗脊柱转移性肿瘤的可能性。由于脊柱椎体前方是重要的脏器及血管、后方是脊髓和神经,其解剖结构具有一定的复杂性,因此在RFA联合PKP治疗脊柱转移性肿瘤具有显著有效性的同时,也要保证足够的安全性。如何控制电极周围温度场分布,使之既覆盖住欲加热的肿瘤组织靶区又不损伤正常组织,是该研究课题的一项重要内容。应用三维热力学有限元分析方法研究骨肿瘤组织的热场分布和热传导,对形态复杂的组织热场进行分析和模拟重建,为射频热场研究提供了一种新的方法。目前国内这个领域的研究水平和深入程度都还有待提高,特别是与之密切相关的基础数据相当缺乏。我们利用新鲜猪脊柱骨标本对正常骨组织射频热疗的温度分布进行了测定,并以热传导基础理论、Laplace方程和Pennes生物热传导方程为基础,在ANSYS 11.0环境下对骨射频消融热场进行热力学有限元模型的传热计算和模拟重建,以期为进一步研究RFA联合PKP治疗脊柱转移性肿瘤提供实验依据并为临床应用提供有益参考。二、目的1、用有限元方法对脊柱骨射频消融及骨水泥热场进行理论分析和模拟重建；2、研究骨组织单电极射频消融的热场分布情况及消融范围,计算不同位置的骨组织的比吸收率SAR；3、比较实测热场与模拟热场的差异,探讨有限元法用于热场分析的可行性及前景4、评价影像学引导下RFA联合PKP微创治疗脊柱转移性肿瘤的可行性和临床疗效分析。三、方法1、参考生物力学有限元建模方法建立人体腰椎段的三维热力学有限元模型,将实验2中得到的比吸收率SAR及各种材料属性赋予有限元模型上,以热传导基础理论、Laplace方程和Pennes生物热传导方程为基础,在给定的边界和起始条件下,用ANSYS11.0有限元分析软件分别对有限元模型在RFA中的热场以及PKP过程中骨水泥放热的热场进行的模拟计算,并比较模拟热场与实测热场的差异。2、使用美国迈德医疗科技有限公司生产的MSI S-1500型射频仪及单电极射频针对15例新鲜猪脊柱标本进行射频消融,设置中心温度95±5℃,持续5min,消融中测量电极两旁2cm范围内骨皮质和骨髓的温度变化,随后观测骨组织内部凝固区形态和范围,分析电极周围不同部位温度分布的情况,并根据初始瞬间温度的变化计算出不同位置组织的比吸收率SAR。3、临床选取8例共11处脊柱转移瘤患者,年龄32～75岁,平均56.6岁；病灶在T11上的1例,T12上的1例,L1上的2例,L2上的2例,L4上的3例,L5上的2例。对所有患者在全麻下行影像学定位引导RFA联合PKP进行治疗。术中射频消融参数设定为4～6分钟,治疗温度95±5℃,射频电极有效治疗直径1.5cm～2.0cm。所有电极都准确插入瘤巢中心,对于肿瘤形状不规则病灶调整电极角度和方向多次消融。平均随访8.4个月,视觉模拟标度尺(VAS)作为术前、术后临床疗效评定参数,对数据进行统计学分析。四、结果1、成功建立人体腰段的热力学有限元模型。该模型包括椎体内肿瘤、L2-L4椎体(含松质骨、皮质骨)、纤维环、髓核、脊髓、腹主动脉、下腔静脉及周围的结缔组织。模拟结果：(1)在单极射频消融场中,达到稳定状态后,越靠近消融电极的节点,温度越高；在矢状面上,等温线呈以电极为中心的纵椭圆形分布,由内向外温度逐渐降低,42℃等温线的长径约44.8mm,50℃等温线的长径约28.1mm；在冠状面上,等温线呈类圆形分布,42℃等温线最大直径约38.1mm,50℃等温线的长径约20.6mm；(2)在多极射频消融场中,热场分布形态与单极类似,但分布范围更大,在矢状面上,热场分布呈以电极为中心的纵椭圆形分布,由内向外温度逐渐降低,42℃等温线沿电极方向长径约52.3mm,50℃等温线的长径约34.3mm；在冠状面上,等温线呈类圆形分布,42℃等温线最大直径约43.4mm,50℃等温线的长径约26.7mm；(3)在椎体后凸成型骨水泥放热过程中,热场分布与骨水泥的分布形态基本一致,分布范围要明显小于射频消融的热场。2、各测量点SAR值与射频功率和测量点距电极的距离有关,射频功率越高,SAR值越小；距电极越近,SAR值越大,且先期达到较高的饱和温度。在椎体中,SAR分布场的直径平均3.6cm。骨髓凝固区域沿电极呈纵椭圆形,垂直电极方向的横径22.2±1.23mm,沿电极方向的长径28.6±1.34 mm,黑黄色,质地硬,边界清晰,中央轻度碳化。3、所有患者得到成功治疗,术后24小时观察生命体征并行抗感染治疗,术后3天VAS值明显下降,术后1周、1月、3月、6月症状无复发,VAS评分明显降低,有显著统计学意义(P<0.01)。五、结论1、有限元法模拟单电极骨射频热场与实测热场在热场分布范围上有较好的吻合性,有限元热场分析和模拟基本反映了骨射频消融热场的分布和变化规律。2、有限元分析和计算机模拟为热场研究提供了一种新的有效方法,利用计算机进行人体三维温度场的实时模拟和重构,有望使临床肿瘤热疗的方案更合理、有效和安全。3、椎体后凸成型骨水泥放热产生的热场分布情况与骨水泥分布的形态有关。4、射频消融产生的热场分布情况与射频电极的功率、作用时间及骨组织的阻抗有关。5、影像学定位引导下RFA联合PKP治疗脊柱转移性肿瘤是一种简单、微创、安全、有效的技术。术中需要精确定位和多科室协作。