用微波技术治疗心脏病

IEEE microwave magazine February 2007 70 用微波技术治疗心脏病 Arye Rosen, Arnold J. Greenspon, 和 Paul Walinsky 2006年六月份，受到在旧金山召开的 IEEE MTT-S国际 微波年会上所进行的有关微波仪器在医学领域的应用讨 论的驱使，我们被邀请写一篇回顾用微波技术来治疗心 脏病的历史。我们将这篇文章作为历史的案例（Case Study）；希望能够给读者说明要将一个特定的微波器件 用于临床是要花费很长时间的。通常，在研究开发一个 概念并且在最终的实施过程中，由于技术或经费的限制， 有竞争的设想会起主导作用。在某些情况下，最初的开 发会导致多个设备的并行研制或随后用于其它医学应用 上。例如，微波球囊成形系统（Balloon angioplasty）被 支架的开发所替代了， 随后，这个技术被开发用于癌症 和良性前列腺增生的治疗中。 在 1984 年初，我们曾经讨论过使用微波来治疗心脏 病的可行性问题。我们一开始就很清楚，微波能量可能 是进行体积加热的一个很好的手段，这种加热可以软化 冠状动脉狭窄的斑块，从而产生一个生物支架。这种生 物支架的效率比使用球囊系统要好得多。我们同样相信 微波能量可以将电气上活跃的心脏组织转化为不活跃的 Arye Rosen(e-mail:arye.rosen@drexel.edu ) is with the School of Biomedical Engineering, Science, and Health Systems, Drexel University, Philadelphia, Pennsylvania. Arnold J.Greenspon and Paul Walinksy are with Thomas Jefferson University, Jefferson Medical College, Department of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania. @BRAND X PICTURES February 2007 IEEE microwave magazine 71 组织。 为了验证我们的假想，我们必须进行简单的测试，并 且要回答以下问题：心脏能否承受在千兆赫频率范围产 生的高温而不会产生不好的恶性影响。以前从未将微波 直接用于心脏组织。在写下了之后，我们进行了首 次试验来研究微波能量对心脏的作用效应。一个 915MHz 的微波源（以后用的是 2.45GHz）与终端接有鞭状天线的 同轴线相连。天线与胸腔被打开的狗的心脏肌肉相连接。 图 1描绘了第一次微波消融术，采用微波烧熔心脏肌肉， 造成了心脏肌肉坏死，而没有产生心律失常。 随后在体外对 NewZealand 的成年白兔和成年犬的 冠状动脉狭窄进行了测量，来研究用微波球囊系统扩大 管腔的一个动脉，并且生成一个生物支架的可行性。图 2 是所使用的微波球囊导管系统。图 3 是兔子的动脉在使 用体外微波球囊成形术之前（中间），之后（边上）的 造影图。图 4 是兔子的动脉在使用微波球囊成形术之前 和之后的横向视图。 根据微波球囊成形术和微波心脏消融术的初步测试 结果，在 Princeton, New Jersey的 RCA实验室申请了以 下两个专利，并获得了批准： z 美国专利 4,643,186，“皮腔内微波导管血管成 形术”，由 Arye Rosen和 Paul Walinsky申请， 1987年 2月 17日获准 z 美国专利 4,641,649，“高频导管消融术的 和仪器”， 由 Paul Walinsky，Arye Rosen和Arnold J.Greenspon申请，1987年 2月 10日获准。这个 专利的摘要讨论了“使用一个包括带有终端天线 的软的同轴传输线的导管来治疗心动过速（心跳 块）或心律失常的治疗过程。将天线和同轴线引 入心室。天线被导引与心室壁相接触…” 图 5和图 6分别是每个专利第一页的内容。 继这两个专利之后，上述 3 个发明人和他们在 Jefferson 医学院的同事又发表了许多文章，被“New Frontiers in Medical Device Technology”所引用，该是 由 Arye Rosen 和 Harel D.Rosen 编辑的，还被 “RF/Microwave Interaction with Biological Tissue”一书所 引用，该书是 AndreVander Vorst，Arye Rosen 和 Youji Kotsuka共同撰写的。例如其中一篇文章是由 Arye Rosen 和 P.Walinsky et al.执笔的“皮腔内微波导管血管成形 术”，该篇文章于 1990年 1月发表在 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 这本杂志上。随后的 IEEE会议上也发表了同样题目的文章。 我们那时的目的是要说服 RCA实验室对这个技术价 值的认可，并且有兴趣给我们提供进一步研究所需的科 研经费。但是这一设想并未实现，没能进一步组织研究， 虽然文章的共同作者仍在继续研究微波技术的潜在的应 用。 在 1988年，GE收购了 RCA，GE便成了这两项专利 的拥有者。 随后，当 Baxter Edward LIS部门从 GE得到了美国专 利 4, 643,186的许可证后， 又继续进行了对微波球囊成 形术的研究。研究是在两个医学院即宾西法尼亚州的费 城（Penn-sylvania , Philadelphia）的 Thomas Jefferson 大 学医学院进行的，主要的研究员是 Paul Wainsky博士， 以及在马萨诸塞州的波士顿（Massachusetts, Boston）大 学医学中心进行的，主要研究员是 C.Landau博士。此外， Baster 在加利福尼亚（California）的欧文（Irving）市成 立了一个由 Jin-Son Chou 博士牵头的研究小组，另一个 小组是在普林斯顿（Princeton）的MMTC公司，主要研 究员是 Fred Sterzer博士。这些学院合作研制成功了一个 独特的同轴导管，直径为 1.5mm。这是第一个微波球囊 成形术，目的在于解决已成功地进行了跨冠状动脉球囊 成形（PTCA）手术后有相当大一部分病人出现的再狭窄 问题。前边所提到的发表在 IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques上的文章是第一篇关于 用微波治疗心脏病的文章。 1987年，EP技术公司（现在是 Boston Scientific的一 部分）从 GE得到了美国专利 4,641,649的许可证。EP公 司的副总裁，Stuart Edwards 对于我们在Thomas Jefferson 医学院的研究给予了支持。 图 1 病理科的狗心肌在经过微波能量的热破坏后的情况 （转自 New Frontiers in Medical Device Technology, 经过 了Wiley的许可） 图 2 微波球囊系统（转自 New Frontiers in Medical Device Technology, 经过了Wiley的许可） IEEE microwave magazine February 2007 72 图 3 兔子的动脉在使用体外微波球囊成形术之前（中 间），之后（边上）的造影图（转自 New Frontiers in Medical Device Technology, 经由了Wiley的许可） 最开始的研究集中在将微波能量用于心律失常的导 管消融的可行性问题上。对于体外和体内进行的实验中 证实了通过特别设计的导管所传输的能量可以产生心肌 杀伤。对于鞭形和螺旋天线都进行了研究。已经开发出 无线频率为（500-750KHz）的导管消融作为难控制的心 律失常的非药物治疗手段。对能产生较大的心肌杀伤的 大的尖端（8mm）和冷尖端的无线射频消融导管来代替 用微波作作为导管消融的能量源进行了研究。虽然我们 还没有进行深入的研究，但我们一直坚信微波消融技术 具有能安全地产生大的心肌杀伤的潜力。我们希望其他 科研工作者们来研究用微波作为潜在的能量源，从而使 得心律失常的病人可以极大地受益于这种技术。 微波专利和研究的现状 U.S.专利 4,643,186 我们完成了在动物身上的试验，已经做好了进行人体试 验的准备。我们已经写好了协议，计划 1990年在法国里 昂开始进行人体试验。在那个时候，Baxter决定放弃在球 囊成形术方面研究的所有努力，包括我们的微波球囊成 形术。根据我们在动物身上进行的研究，我们对于在人 体实验上的完美结果的期望很高。 此时，如果没有 Sterzer 博士的天才，微波球囊成形 术技术肯定就胎死腹中了。Sterzer 博士深信微波技术作 为治疗方法的潜力，并且开始其在泌尿和其它系统的研 究。又得到了以下两个美国专利 5,007,437， 1991 年 4 月 16日获准，“用导管治疗前列腺疾病”，由 F.Sterzer 申请，Maryland, Cloumbia的 Celsion公司获得许可证， FDA 于 2004 年批准，在市场上的名称是 Prolieve Thermodilated System（截止 2005年 12月 31日，已经进 图 4 兔子的动脉在使用微波球囊成形术之前和之后的 横向视图。（转自 New Frontiers in Medical Device Technology, 经过了Wiley的许可） 行了 15,000 例的治疗），以及美国专利 5,992,419, 1999 年 11 月 30 日获准，“采用人体组织加热球囊导管来在 病人身体的血管内生成‘生物支架’”，申请人是 F.Sterzer 和 D.D.Mawhinney。 从 1990年中期开始，Sterzer博士对微波球囊技术的 研究又有了重大贡献，该技术现在用于治疗前列腺增生 的病人。此外，Sterzer 博士 和他在 MMTC 公司的研究 小组，加上 Arye Rosen，开始了新的用微波球囊系统来 治疗肿瘤的研究。 微波球囊消融术用于治疗肝脏肿瘤 我们一开始就很清楚，微波能量可能是 进行体积加热的一个很好的手段，这种 加热可以软化冠状动脉狭窄的斑块，从 而产生一个生物支架。 February 2007 IEEE microwave magazine 73 在过去的几年里，消融技术已经用于肝脏肿瘤的治疗之 中。这种方法在摧毁肿瘤时不需要进行大的切除手术。 微波球囊消融技术可以产生热的杀伤力，从而杀死肝脏 肿瘤。此外，微波球囊系统在固态的肿瘤中会产生空腔， 这便使得可以非常安全使用更高剂量的化疗药物。 美国专利 4,641,649 房颤，临床最常见的持续性心律失常是具有极高的发病 率和死亡率的疾病[1]。最常用的治疗这种疾病的手术方 案是MAZE过程，是由 Cox和他的同事开发和改进的。 这个技术需要一系列的线性心房切口。虽然这种手术的 成功率很高，但它所需要的手术时间很长，并且发病率 很高。因此，人们已经开发出了其它的产生线性非切割 杀伤的方法。用手术探针传递微波能量（2.45GHz）来产 生线性切口，类似于 Cox MAZE 治疗房颤病人的方法 [4]-[9]。这些设备在欧洲和美国已被批准用于临床治疗。 据，治愈率达到 70%-90%。今天，微波消融技术通 常用在被同时要求进行瓣膜置换术或冠状动脉搭桥手术 的房颤患者身上。 图 5 美国专利 4,643,186的第一页，“皮腔内微波导管血管成形术” 对于体外和体内进行的实验中证实 了通过特别设计的导管所传输的能 量可以产生心肌病变 IEEE microwave magazine February 2007 74 图 6 美国专利 4,641,649的第一页，“高频导管消融术的方法和仪器” February 2007 IEEE microwave magazine 75 结论 我们在此感谢所有那些帮助过我们开发利用微波能量治 疗心脏病的最初设想的人们，以及那些将此技术用于其 它领域的研究者们。我们所做研究的详细内容已经在全 世界范围内发表在我们和其他人所撰写的许多文章和报 告中。这些文章在前面所提到的两本书中都被用作参考 文献。我们在此补充了在以前的文章和书中没有被包含 进去的文献清单。 参考文献 [1] V. Fuster, L.E. Rydén, D.S. Cannom, et al., “ACC/AHA/ESC 2006guidelines for the management of patients with atrial fibrillation—Exec-utive summary: A report of the American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on Practice Guidelines and the European Society of Cardiology Committee for Practice Guidelines,” Circulation, vol. 114, no. 7, pp. 257–354,Aug. 2006. [2] J.L. Cox, “The surgical treatment of atrial fibrillation,” J. Thorac.Cardiovasc.Surg., vol. 101, no. 4, pp. 584–592, Apr. 1991. [3] J.L. Cox, N. Ad, T. Palazzo, S. Fitzpatrick, J.P. Suyderhoud, K.W. DeGroot, E.A. Pirovic, H.C. Lou, W.Z. Duvall, and Y.D. Kim, ”Current status of the MAZE proc-edure for the treatment of atrial fibrillation,” Semin. Thorac. Cardiovasc. Surg. vol. 12, no. 1, pp.15–19, 2000. [4] M. Knaut, S.M. Tugtekin, S. Spitzer, and V. Gulielmos, “Combined atrial fibrilation and mitral valve surgery using microwave technology,”Semin. Thorac. Cardiovasc. 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