Радиочастотная (RF) энергия может быть доставлена в кожу либо неинвазивно, либо через монополярный режим, в котором используется активный и пассивный электроды, либо через биполярный режим, в котором используются два активных электрода. В этом экспериментальном исследовании тканевых реакций на RF, биполярная радиочастотная энергия излучалась in vivo на кожу карликовой свиньи с различной глубиной проникновения микроиглы, амплитудой сигналов и длительностью импульса. Сразу же после обработки RF образцы кожи показали RF-индуцированные коагуляционные колонны термической травмы, отдельно генерируемые вокруг каждой микроиглы в дерме. В ex vivo ткани бычьей печени было обнаружено, что столбцы термической коагуляции сосредоточены максимально вокруг острых кончиков каждого электрода. После времени RF-воздействия в 2 секунды отдельные области термической коагуляции начали сходиться с соседними RF-индуцированными столбцами коагуляции; начало сближения коагуляционных колонн было обнаружено ближе к концам соседних электродов.
Радиочастота (RF) относится к высокочастотному переменному электрическому току, в частотном диапазоне традиционно используемому для радиоволновой связи. Электромагнитный сигнал, в том числе RF, индуцирует электротермические реакции в целевых тканях, которые зависят от сопротивления ткани. Радиочастотная энергия может излучаться в кожу как неинвазивно, так и инвазивно; посредством монополярного режима, который использует активный и пассивный электроды, или посредством биполярного режима, в котором используются два активных электрода. В монополярных режимах электрическая цепь, образованная переменным током, протекающим от активного электрода к пассивному, генерируется в теле пациента. Между тем биполярные электрохирургические системы индуцируют электрическую цепь между двумя активными электродами, которая ограничена областью, направленной на целевые ткани.
В коже эти активные электроды излучают электрический ток, протекающий по кратчайшему пути в целевой ткани между электродами, теоретически ограничивая глубину термической реакции, индуцированной электромагнитной энергией.
Инвазивные радиочастотные системы, подающие электромагнитную энергию через электроды, которые проникают в целевую ткань, имеют преимущества (по сравнению с неинвазивными системами) в виде воздействия на более глубокие слои в несоприкасающихся участках. В настоящем исследовании монополярная радиочастотная система 0,4 МГц, оборудованная одним проникающим электродом, индуцирующим термическую коагуляцию в ex vivo ткани бычьей печени, начиналась с кончиков неизолированных электродов и образовала обод коагулированной ткани по всей длине игл, с увеличением уровня энергии. В нем был сформирован самый толстый обод коагулированной ткани вокруг кончиков электродов, означающий, что неизолированные проникающие электроды могут быть использованы для эффективной и безопасной доставки радиочастотной энергии в кожу при сохранении эпидермиса.
Между тем исследования по инвазивным биполярным радиочастотным устройствам показали, что электроды должны быть изолированы для сохранения эпидермиса (см. литературу). В прогнозируемой модели минимально инвазивная биполярная радиочастотная система показала тепловой профиль, который был ограничен между неизолированными частями проникающих электродов. Более того, в in vivo исследовании на карликовых свиньях излучение RF-энергии посредством биполярного микроигольчатого RF-устройства, снабженного изолированными проникающими электродами, индуцировали индивидуальные коагуляционные колонны, c овальной формы термическим повреждением на кончике каждого электрода в дерме сразу после лечения. Однако дальнейшее исследование, почему коагуляционные колонки генерировались отдельно вокруг каждого электрода, а не между электродами, не проводилось.
В этом экспериментальном исследовании реакции тканей на RF мы стремились исследовать электромагнитные картины воздействия и распространения биполярной радиочастотной энергии, передаваемой через инвазивный неизолированный микроигольчатый электрод. Биполярная радиочастотная энергия излучалась in vivo на кожу карликовой свиньи при различной глубине проникновения микроиглы, амплитуде радиочастотных сигналов и времени проводимости RF.
Кроме того, было проведено исследование гистологических изменений ткани бычьей печени ex vivo, вызванных прохождением электрического тока между электродами микроиглы. В то же время высокоскоростные камеры улавливали показания зависящих от времени тканевых реакций на радиочастотную энергию ex vivo на мышце карликовой свиньи и тканях бычьей печени.
Сразу после лечения RF образцы кожи показали коагуляционные колонны термического повреждения, сгенерированные отдельно вокруг каждого микроигольчатого электрода в дерме. Никаких заметных RF-индуцированных тканевых реакций не наблюдалось в эпидермисе или между электродами в дерме (Рис. 1a, b). Фотомикрографию кожи, окрашенную гематоксилином и эозином, анализировали в соответствии с амплитудами радиочастотного сигнала в диапазоне от 25,6 до 36,6 Вт и временем проводимости 120, 200 и 300 мс. На одинаковой глубине проникновения и мощности радиочастотного сигнала, с более длительным временем воздействия RF создавали большие области коагуляции в дерме (Рис. 1с, e). Между тем, более высокая радиочастотная энергия приводила к большему разрушению тканей при той же глубине проникновения микроиглы и времени проводимости RF (Рис. 1f, h).
Рис. 1. Реакции тканей после воздействия инвазивной биполярной радиочастотой (RF) с использованием неизолированных микроигольчатых электродов на коже карликовой свиньи in vivo.
Были исследованы тканевые ответы печени быка, вызванные обработкой биполярными радиосигналами, излучаемыми с помощью инвазивных неизолированных микроигольчатых электродов со временем проводимости 120, 200, 300 мс и 1,7 секунды, с шагом 1 секунда. Ткани печени в основном состоят из гепатоцитов и сосудистой сети с относительно однородным тканевым сопротивлением и диэлектрической проницаемостью в сравнении с тканями кожи. Однако овальные и коконообразной формы коагуляционные колонны, которые сформировались вокруг каждого микроигольчатого электрода, наблюдались сразу же после воздействия радиочастотной энергией на 120, 200 и 300 мс, как видно на экспериментах на коже карликовой свиньи in vivo. При меньшем времени проводимости колонны термической коагуляции были сосредоточены вокруг заостренных кончиков каждого индивидуального электрода. Затем, при времени воздействия RF 2 секунды, индивидуальные области термической коагуляции соприкасались с соседними RF-индуцированными колоннами коагуляции (Рис. 2а, d). Было обнаружено, что схождение коагуляционных колонн начинается у заостренных концов соседних электродов и становится видимым вдоль кратчайшего контура между концами ближайших соседних электродов. Дополнительный путь электрического тока между областями коагуляции также обнаружен вокруг середины микроигольчатого электрода. При времени RF-воздействия более 4 секунд были обнаружены цепи электрического тока по всей длине электрода, пересекающие прилегающие области коагуляции, как видно на перегруппировке гепатоцитов (Рис. 2e, f).
В момент лечения RF, когда отдельные зоны коагуляции начали сходиться с другими, электрические токи показали распространение на все соседние электроды, не только между каждой парой электродов (Рис. 2с).
Рис. 2. Реакции тканей после воздействия инвазивного биполярного RF с использованием неизолированных микроигольчатых электродов на бычьей печени ex vivo.
Горизонтальные срезы ткани бычьей печени были получены сразу после лечения, радиочастотные параметры: глубина проникновения 3,0 мм, амплитуда сигнала 36,6 Вт и время проводимости 1,7 секунды с шагом в 1 секунду (Рис. 3). В целом заметное сокращение ткани бычьей печени было обнаружено с увеличением времени проводимости. Выраженная карбонизация наблюдалась при RF-воздействии в 1 секунду на дистальных концах проникающих электродов. Вдоль средних частей электродов тканевая коагуляция была отмечена в обработанной RF ткани при времени воздействия в 1 секунду, тогда как выраженная карбонизация развивалась через 3 секунды. На проксимальных концах электродов тканевая коагуляция вдоль поверхностных срезов ткани печени быка ex vivo была обнаружена после 4 секунд RF-лечения; выраженная карбонизация развивалась через 5 секунд.
Рис. 3. Горизонтальные срезы ткани бычьей печени ex vivo.
Была проведена высокоскоростная видеосъемка исследования с целью выявления эффектов инвазивного биполярного радиочастотного лечения с использованием неизолированного микроигольчатого электрода на мышце карликовой свиньи ex vivo и ткани печени крупного рогатого скота, от начальных тканевых реакций до конечных реакций конвергенции и испарения, при непрерывной фиксации кадров. В обеих тканях реакции начинались у кончиков электродов с микроиглой, которые проникали в ткани. После этого тканевые реакции распространялись вверх по всей длине электродов с микроиглой в две фазы: реакции распространялись вверх от кончиков микроигольчатых электродов, расширяясь до более глубоких, более широких и более высоких областей вокруг микроиглы. После небольшой задержки началась вторая фаза распространения, когда реакции продолжали возрастать у основания микроигольчатого электрода и расширяться в поперечном направлении. Распространение межэлектродных токов между соседними электродами стало очевидным первично между концами электродов, затем вторично между средними частями электродов и, в конце, между всей длиной электродов. Затем после полной конвергенции всех отдельных областей коагуляции ткани начали появляться испарение и карбонизация.
Вокруг верхних дермальных сосудистых структур, которые были непосредственно повреждены введением микроиглы (Рис. 4а), очевидно наблюдалась частичная диффузия эритроцитов; однако большая часть сосудистой структуры внутри или вблизи коагуляционных колонн была переполнена кровью, а не разрушена (Рис. 4b). Дополнительно, в то время как отмеченное сосудистое переполнение было обнаружено в верхней дерме вдоль областей непосредственно между электродами (Рис. 1а), в тканях, окружающих перегруженные сосудистые структуры, расположенные между ними, не обнаружено различимой тканевой коагуляции. Кроме того, радиочастотные сигналы были предпочтительно проведены вдоль пенетрирующих сосудов в бычьей ткани печени, и RF-индуцированная коагуляция была обнаружена в основном в адвентициальной оболочке, а не в эндотелиальных клетках и внутренней оболочке промежуточного слоя (Рис. 4c, d). Заметное скопление мелких кровеносных сосудов было также установлено внутри или вблизи колонны коагуляции вокруг каждого электрода, как показано на коже карликовой свиньи в естественных условиях исследования. Горизонтальные срезы ex vivo ткани бычьей печени показывают отсутствие значительных изменений вокруг проксимальных концов проникающих электродов с временем RF-воздействия в 1 секунду (Рис. 3). При времени RF-воздействия в 2 и 3 секунды различимое скопление сосудистых структур наблюдалось в образцах, после чего при 4 секундах была обнаружена заметная тканевая коагуляция, окружающая весь электрод.
Рис. 4. Эффект инвазивной биполярной радиотерапии с частотой 2 МГц с использованием неизолированных микроигольчатых электродов на сосудистые структуры.
Радиочастотные сигналы имеют тенденцию к распространению вдоль внешней стороны волосяных фолликулов, в основном у внешней оболочки корня и волокнистой соединительной ткани, а не через внутреннюю часть волосяного фолликула, которые имели бы кратчайший путь к ближайшему электроду (Рис. 5а, б). В целом структуры волосяных фолликулов были в основном сохранены без гистологических изменений. Корзиноподобные сосудистые комплексы, окружающие волосяной фолликул, также были заметно перегружены. Когда RF-тканевые реакции концентрировались вокруг верхней части волосяного фолликула (Рис. 5c), минимальная RF-индуцированная тканевая коагуляция не была обнаружена в волосяной луковице в нижней части волосяного фолликула. Между тем, когда радиочастоты генерируют сигналы c минимальной реакцией ткани во всей верхней части волосяного фолликула, вокруг волосяной луковицы отмечаются более обширные реакции RF-ткани (Рис. 5d).
Рис. 5. Эффект 2-МГц инвазивной биполярной радиотерапии с частотой 2 МГц с использованием неизолированных микроигольчатых электродов на волосяных фолликулах.
Радиочастотные сигналы могут излучаться для образования электротермических реакций в нервных волокнах, мышцах, коже и опухолях объемным нагревом. В коже, из-за различий в тканевых сопротивлениях слоев кожи, наблюдалась каплевидная зона электротермической коагуляции в дерме при доставке радиочастотной энергии к коже через проникающие электроды. В этом исследовании гистометрические значения для ширины и глубины зон коагуляции различались в зависимости от глубины проникновения электрода микроиглы, несмотря на то что применялась одна и та же радиочастотная мощность и время воздействия. Другими словами, чем больше глубина проникновения электрода с микроиглами, тем больше образуются столбцы коагуляции при той же мощности и времени воздействия. В дополнение к тканевому сопротивлению, схемы инициирования и распространения радиочастотной энергии могут также частично способствовать характеру коагуляции тканей, индуцированной RF-воздействием. В предыдущем исследовании доставка монополярной RF к бычьей ткани печени in vivo, которая имела относительно однородный импеданс ткани и диэлектрическую проницаемость по сравнению с кожей, индуцированные RF-тканевыми реакциями по всей длине электрода, что приводит к максимальной реакции ткани вокруг наконечника электрода. Показано, что биполярные радиочастотные устройства, оборудованные изолированными электродами из микроигл, генерируют электротермические реакции на кончиках электродов, аналогичные реакциям для монополярных радиочастотных устройств. В сообщенных исследованиях никакие необычные кожные реакции, стимулированные радиочастотой, не были обнаружены в ткани между электродами при времени воздействия 20, 50, 100 и 1000 мс и при диапазоне амплитуды сигналов от 5,0 до 50,0 Вт. Однако такие результаты несопоставимы с другими исследованиями по инвазивной биполярной RF или основным понятиями теории электропроводности. Теоретически, контур биполярного электрического RF-тока начинается с активного анода и заканчивается на активном катоде, тем самым генерируя RF-тканевую реакцию вдоль ближайшего пути между двумя электродами. Результаты этого вышеупомянутого исследования подтолкнули нас к вопросу о том, как электротермические реакции могут различаться с проводимостью биполярной RF-энергии через инвазивные неизолированные электроды.
В настоящем исследовании мы излучали биполярную радиочастотную энергию через неизолированные проникающие электроды при различном времени воздействия для наблюдения последовательных тканевых реакций in vivo на коже карликовой свиньи, ex vivo на мышечной ткани карликовой свиньи и ex vivo на ткани бычьей печени. В исследовании in vivo на коже карликовой свиньи мы обнаружили, что инвазивное биполярное RF-лечение с использованием неизолированных проникающих электродов также приводило к образованию каплеобразной или коконообразной овальной коагуляционной колонны, которые генерировались отдельно вокруг каждого микроигольного электрода в дерму, при времени воздействия 120, 200 и 300 мсек. Хотя электротермические изменения вдоль эпидермиса были заметны, травмы были минимальными в наших экспериментальных условиях, вероятно, в результате тканевого импеданса и диэлектрической проницаемости эпидермиса, а также инициирования и распространения структуры биполярных радиочастотных сигналов. Кроме того, все столбцы коагуляции показали одинаковые гистологические данные, независимо от их расположения вокруг электродов. Между тем мы не нашли доказательств о распространении электрического тока между электродами в исследовании кожи карликовой свиньи in vivo.
В исследовании ex vivo ткани бычьей печени мы подавали биполярную радиочастотную энергию более 1 секунды для обнаружения и анализа закономерности формирования и распространения электрических токов в ней. Из-за большего импеданса во всей ткани была выбрана ткань бычьей печени ex vivo, а не кожа, потому что слои и придаточные структуры на коже могут существенно влиять на импеданс ткани и диэлектрическую проницаемость. По сравнению с кожей карликовой свиньи in vivo, ткань ex vivo печени, которая в основном состоит из гепатоцитов и сосудистых структур, потребовала более длительного времени воздействия для создания заметных гистологических изменений. Тем не менее излучение радиочастотной энергии более 1 секунды создавало коконообразную область коагуляции вокруг каждого микроигольчатого электрода, что является областью с более высокой плотностью тока, а сходящиеся области коагуляции в областях с меньшей плотностью тока между микроиглами как межэлектродные токи, проходящие между электродами. Мы предлагаем назвать наш новый метод независимой тканевой коагуляции вокруг каждого электрода как «эффект Na», чтобы отличить его от других RF-тканевых реакций.
В наших экспериментах области коагуляции появлялись последовательно с увеличением времени воздействия RF и могут быть легко вызваны низкой мощностью RF. Первый контур биполярного электрического тока был сформирован между заостренными концами электродов. Второй контур появился между средними частями электродов. В конце контур биполярного электрического тока был обнаружен по всей длине электродов, как показано на прогностической модели инвазивного биполярного RF.
Кроме того, после очень длительного времени воздействия гепатоциты перестроились в виде гепатоцитарной стружки в электрическом поле биполярного электрического тока, аналогичные тем, которые наблюдаются у железной стружки под действием магнитного поля из стержневого магнита.
В этом исследовании наблюдались заметные изменения в микрососудистых структурах кожи карликовой свиньи in vivo и ткани бычьей печени ex vivo. Электрическая энергия переменного тока, по-видимому, преобразуется в тепло вблизи внешних слоев сосудистых структур и проводимых через стенки кровеносных сосудов. Прохождение тока в области дермального микроциркуляторного русла и периваскулярных структур между электродами, по-видимому, лучше показывают более высокую плотность тока и избирательно активируются биполярным радиочастотным током. Реакция сосудов на воздействие RF была также обнаружена вдоль волосяного фолликула, главным образом в наружной корневой оболочке и волокнистой соединительной ткани. Несмотря на это, клиническое значение биполярных радиотоков на кровеносные сосуды и волосяные фолликулы не изучалось в этом исследовании.
В заключение мы обнаружили, что закономерности распространения биполярной радиочастотной энергии через неизолированную микроиглу электрода аналогичны электродам с монополярной радиочастотной энергией с использованием неизолированных электродов. Кроме того, контролируя время воздействия RF, мы показали, что доставка биполярной радиочастотной энергии через неизолированные электроды может индуцировать тепловые ответы, аналогичные тем, которые используются для изолированных электродов. Хотя гистологические структуры кожи карликовой свиньи и мышцы и ткани бычьей печени не совсем совпадают с кожей человека, мы считаем, что наше гистологическое исследование электромагнитного проведения и распространения радиочастотных реакций тканей на RF, индуцированных инвазивной биполярной неизолированной микроигольчатой RF-терапией, поможет провести дальнейшие исследования c продвижением радиочастотной технологии для оптимального лечения различных состояний кожи.
Биполярное радиочастотное устройство с частотой 2 МГц с неизолированными микроигольчатыми электродами использовалось для оценки реакции ткани in vivo карликовой свиньи на RF и ex vivo на мышце карликовой свиньи и ткани печени быка. При использовании этого устройства параметры глубины иглы, лечебный режим, уровень мощности контролировались в соответствии с целью исследования. В устройстве используются одноразовые насадки размером 10 x 10 мм с 25 минимально инвазивными неизолированными микроиглами-электродами, расположенными в 5 рядов по 5 штук. Микроиглы изготовлены из нержавеющей хирургической стали, покрытие 24 К золотом, диаметр основания которых составляет 300 +10 мкм и конца игл 750 мкм. Проводимость нержавеющей стали составляет 1,1 х 10 6 S/m и золота 4,1 х10 7 S/m.
Все экспериментальные протоколы были одобрены Комитетом по биоэтике, институциональным комитетом по содержанию и использованию животных Университета Йонсе, а методы проводились в соответствии с утвержденными руководством. Во всех исследованиях использовалась одна особь женского пола без патологий (три месяца, вес 8,4 кг). Общая анестезия проводилась с применением внутримышечной инъекции тилетамина/золазепама (5 мг/кг) и ксилазина (2 мг/кг). После этого была произведена эндотрахеальная инфузия и подключение животного к аппарату искусственной вентиляции легких. Легкие вентилировались кислородом, и анестезия поддерживалась 2 % изофлураном. Внутривенную гидратацию физиологическим раствором поддерживали через поверхностную аурикулярную вену (25 мл/час).
Спина экспериментальной карликовой свиньи была обрита электрической бритвой, а кожа была последовательно отмечена чернильными точками для выделения сетки 4 см2 для каждого лечебного параметра (всего 216 сеток); каждая сетка находилась на расстоянии не менее 1 см от других, чтобы минимизировать RF и тепловые эффекты на других участках. Операционное поле очищали мягким мылом и 70 % спиртом. Затем экспериментальное животное получало воздействие в виде минимально инвазивной биполярной микроигольчатой RF-терапии с глубиной проникновения электрода от 0,5 до 3,5 мм, амплитудой от 25,6 до 36,6 Вт и временем воздействия 120, 200 и 300 мс. Охлаждение или местная анестезия не применялись ни до, ни после лечения.
Экспериментальное животное было умерщвлено после проведения проб в соответствии со стандартными протоколами.
До воздействия инвазивной микроигольчатой RF на свежую ткань печени быка наносилась разметка в виде сетки шириной 2 см при помощи чернил для каждого параметра обработки (всего 37 сеток); каждая сетка была отдалена от другой на 2 см2 для уменьшения RF и термального воздействия других зон. Обработку проводили на глубине 3 мм, амплитуда – 36,6 Вт и время воздействия 120, 200, 300 мс, и 1–7 секунд с шагом в 1 секунду.
Дополнительное экспериментальное исследование выполнено на глубине 3 мм, с амплитудой 31,6 Вт и 36,6 Вт и временем воздействия 2, 3, 4 секунды. Образцы ткани печени быка были взяты сразу после лечения. Все эксперименты были выполнены троекратно.
Через час после обработки были получены образцы биопсии полной толщины из изучаемых in vivo тканей карликовой свиньи и ex vivo тканей печени быка для гистологической оценки. Каждый образец был зафиксирован в 10 % буферном растворе формалина, а затем внедрен в парафин. Блоки кожи карликовой свиньи и ткани печени быка были разрезаны в продольной плоскости для обнаружения осей ввода микроигольчатых электродов. Были приготовлены и окрашены гематоксилином и эозином от 20–30 серий кожи и ткани печени толщиной 4 мкм. Кроме того, горизонтальные срезы ткани печени толщиной 4 мкм были окрашены и исследованы для оценки межэлектродного воздействия.
Высокоскоростная цифровая видеокамера (Phantom v710; Vision Research Inc., Нью-Джерси, США), установленная скорость захвата 1000 кадров в секунду и разрешение 1280 х 800 пикселей, была использована для записи видеоматериала каждой отдельной реакции ткани от начала воздействия до испарения тканей, включая слияние областей коагуляции и колебания образовавшегося испаряющегося пузырька со временем.
В двух светодиодных прожекторах (120 Ватт) высокоскоростные синусоиды захватили доставку биполярных радиочастотных сигналов с частотой 2 МГц через неизолированные микроигольчатые электроды на мышце карликовой свиньи еx vivo и ткани бычьей печени. Для оптимизированной визуализации были внедрены 4 линейных неизолированных электрода в ткани мышцы и печени для доставки RF-энергии с максимальным временем воздействия 7 секунд и амплитудой 50 Вт.
3906
Комментарии