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熱治療(thermotherapy)簡介
台大生醫電資所/ 台大皮膚科 王修含 醫師
熱治療是治療癌症的方式之一，利用熱源加熱，使組織達到攝氏41-47度以上，並持續數十分鐘，以破壞腫瘤細胞(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。熱治療的能量來源相當多樣化，可來自無線電射頻(radiofrequency)、微波(microwave)、超音波 (ultrasound)，以及雷射(laser)等裝置。
射頻腫瘤滅除術(Radiofrequency Tumor Ablation, RFTA)
射頻腫瘤滅除術(Radiofrequency Tumor Ablation, RFTA) 是利用單極或雙極治療探針插入待治療部位，並施以100-500Hz的高頻交流電流。交流電在流經組織後，可藉由離子變換流動方向的過程，產生摩擦生熱的 效應，將電磁能量轉換為熱能，進而破壞腫瘤。熱能產生於電極附近，並於距離增加後，可迅速消散掉(Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)。射頻腫瘤滅除術可應用於肝癌(Kettenbach, Köstler, Rücklinger et al., 2003) (Shiina S, 2009)、乳癌(Noguchi, 2009)、前列腺癌(Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)、肺癌(Pua & Solomon, 2009)、腎臟腫瘤(Kawamoto, Solomon , Bluemke et al., 2009)等治療。
圖：射頻腫瘤滅除術所使用的電極，直徑為15-gauge，長度20公分。此電極可配合灌注生理食鹽水(箭頭處)，減少組織碳化(carbonization)的可能性(Kettenbach, Köstler, Rücklinger et al., 2003)。
微波消融術(microwave ablation)
微波消融術(microwave ablation)，又稱為微波熱凝治療 (microwave coagulation therapy,MCT)。將尺寸約為14.5-gauge的治療探針(微波天線，microwave antenna)導入腫瘤內部，放置探針的方式頗為多元化，可直接穿過皮膚(percutaneously)、藉由內視鏡的輔助 (laparoscopically)、直接外科開腹(open surgical access)，在治療前列腺腫瘤時，亦可經由尿道放在前列腺附近。開啟裝置後，微波產生器(microwave generator)可於天線未絕緣的暴露部位，產生電磁波，此電磁微波可激發附近組織的水分子，若微波震盪頻率為9.2 x 108Hz，則水分子極化方向改變的次數可達每秒兩億次，進而藉由摩擦生熱的方式，使治療部位達到攝氏50-70度的溫度，此熱能可於腫瘤部位形成凝結性 壞死，造成腫瘤細胞的死亡(Caroline, Damian, William, 2005) (Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)。微波熱治療的優點，在於可產生較高的腫瘤內部溫度(intratumoral temperatures)、可破壞較大體積的腫瘤、可同時置入多條探針、較快的破壞速度、較低的疼痛感等。此方法可應用於肝癌、腎臟與腎上腺腫瘤、轉移 性骨癌等疾病(Caroline, Damian, William, 2005)。
圖：組織內部水分子與微波的交互作用示意圖(Caroline, Damian, William, 2005)
圖： (a) 用於經皮腫瘤消融術(percutaneous tumor ablation)的微波探針(microwave applicators, Vivant MedicalTM)(b) 用於經皮微波熱治療的裝置圖，圖中可見到三組微波產生器，各自連接一根微波探針。(Caroline, Damian, William, 2005)
高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)
高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)是利用探頭，於焦點處產生高時間平均強度(time-averaged intensity)的超音波，對組織產生破壞。一般診斷用的超音波探頭，其時間平均強度大約介於0.1-100mW/cm2之間，疏密波的壓力介於 0.001-0.003MPa；高強度聚焦超音波探頭的焦點區域強度，可達100-10000W/cm2，疏密波的壓縮區域壓力，可達30MPa，而稀疏 區域壓力，則為10MPa。組織吸收高音波強度後，可轉化為熱能，使區域溫度達到60oC以上的數值，並於數秒之內造成凝結性壞死(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。高強度聚焦超音波除了造成熱效應之外，尚可引發機械現象(mechanical phenomenon)，例如穴蝕效應(cavitation)、微流(microstreaming)，以及輻射力(radiation forces)等。高強度聚焦超音波在臨床上的用途，包括治療良性或惡性腫瘤，例如肝癌、胰臟癌、前列腺癌、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、膀胱癌、肉瘤(sarcoma)等(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008) (Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)；此外，HIFU尚可運用於血栓溶解、止血、藥物與基因傳遞等(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。
圖：治療腹內腫瘤的體外高強度聚焦超音波示意圖(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。
雷射誘導熱治療(laser-induced thermotherapy)
雷射誘導熱治療(laser-induced thermotherapy)乃利用雷射光束，例如近紅外線的銣雅克(neodymium: yttrium-aluminum-garnet, Nd: YAG)雷射，造成組織加熱效應，導致凝固性壞死，進而破壞腫瘤細胞(Veenendaal, de Jager, Stapper et al., 2006)。隨著近年來奈米科技的進步，以奈米粒子輔助雷射誘導熱治療，可使組織的高熱治療具有空間選擇性(spatial selectivity)，稱為「電漿光熱治療」(plasmonic photothermal therapy，PPTT)。目前可運用的金屬奈米粒子，包括奈米球(nanospheres)、奈米桿(nanorods)、奈米殼 (nanoshells)、奈米籠(nanocages)等(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008) (Terentyuk, Maslyakova, Suleymanova et al., 2009)。
圖：運用於電漿光熱治療的 各種金屬奈米粒子，由左至右分別為奈米球(nanospheres)、奈米桿(nanorods)、奈米殼(nanoshells)。上方為示意圖，下方 為穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)的攝影圖(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。
在熱治療過程中，溫度的監控是相常重要的，與治療的安全性(safety) 與有效度(efficacy)相關。組織溫度分布圖的空間解析度(spatial resolution)最好須達到次毫米(submillimeter)的尺度，而溫度解析度(temperature resolution)則須小於攝氏1度(Larina, Larin & Esenaliev, 2005)。金奈米粒子(gold nanoparticles)可有效吸收特定波長的光線，並轉化為熱能，使得奈米粒子周圍的溫度上昇至攝氏數十度的程度，達到熱治療的效果(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。
台大生醫電資所/ 台大皮膚科 王修含 醫師
熱治療是治療癌症的方式之一，利用熱源加熱，使組織達到攝氏41-47度以上，並持續數十分鐘，以破壞腫瘤細胞(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。熱治療的能量來源相當多樣化，可來自無線電射頻(radiofrequency)、微波(microwave)、超音波 (ultrasound)，以及雷射(laser)等裝置。
射頻腫瘤滅除術(Radiofrequency Tumor Ablation, RFTA)
射頻腫瘤滅除術(Radiofrequency Tumor Ablation, RFTA) 是利用單極或雙極治療探針插入待治療部位，並施以100-500Hz的高頻交流電流。交流電在流經組織後，可藉由離子變換流動方向的過程，產生摩擦生熱的 效應，將電磁能量轉換為熱能，進而破壞腫瘤。熱能產生於電極附近，並於距離增加後，可迅速消散掉(Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)。射頻腫瘤滅除術可應用於肝癌(Kettenbach, Köstler, Rücklinger et al., 2003) (Shiina S, 2009)、乳癌(Noguchi, 2009)、前列腺癌(Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)、肺癌(Pua & Solomon, 2009)、腎臟腫瘤(Kawamoto, Solomon , Bluemke et al., 2009)等治療。
圖：射頻腫瘤滅除術所使用的電極，直徑為15-gauge，長度20公分。此電極可配合灌注生理食鹽水(箭頭處)，減少組織碳化(carbonization)的可能性(Kettenbach, Köstler, Rücklinger et al., 2003)。
微波消融術(microwave ablation)
微波消融術(microwave ablation)，又稱為微波熱凝治療 (microwave coagulation therapy,MCT)。將尺寸約為14.5-gauge的治療探針(微波天線，microwave antenna)導入腫瘤內部，放置探針的方式頗為多元化，可直接穿過皮膚(percutaneously)、藉由內視鏡的輔助 (laparoscopically)、直接外科開腹(open surgical access)，在治療前列腺腫瘤時，亦可經由尿道放在前列腺附近。開啟裝置後，微波產生器(microwave generator)可於天線未絕緣的暴露部位，產生電磁波，此電磁微波可激發附近組織的水分子，若微波震盪頻率為9.2 x 108Hz，則水分子極化方向改變的次數可達每秒兩億次，進而藉由摩擦生熱的方式，使治療部位達到攝氏50-70度的溫度，此熱能可於腫瘤部位形成凝結性 壞死，造成腫瘤細胞的死亡(Caroline, Damian, William, 2005) (Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)。微波熱治療的優點，在於可產生較高的腫瘤內部溫度(intratumoral temperatures)、可破壞較大體積的腫瘤、可同時置入多條探針、較快的破壞速度、較低的疼痛感等。此方法可應用於肝癌、腎臟與腎上腺腫瘤、轉移 性骨癌等疾病(Caroline, Damian, William, 2005)。
圖：組織內部水分子與微波的交互作用示意圖(Caroline, Damian, William, 2005)
圖： (a) 用於經皮腫瘤消融術(percutaneous tumor ablation)的微波探針(microwave applicators, Vivant MedicalTM)(b) 用於經皮微波熱治療的裝置圖，圖中可見到三組微波產生器，各自連接一根微波探針。(Caroline, Damian, William, 2005)
高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)
高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)是利用探頭，於焦點處產生高時間平均強度(time-averaged intensity)的超音波，對組織產生破壞。一般診斷用的超音波探頭，其時間平均強度大約介於0.1-100mW/cm2之間，疏密波的壓力介於 0.001-0.003MPa；高強度聚焦超音波探頭的焦點區域強度，可達100-10000W/cm2，疏密波的壓縮區域壓力，可達30MPa，而稀疏 區域壓力，則為10MPa。組織吸收高音波強度後，可轉化為熱能，使區域溫度達到60oC以上的數值，並於數秒之內造成凝結性壞死(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。高強度聚焦超音波除了造成熱效應之外，尚可引發機械現象(mechanical phenomenon)，例如穴蝕效應(cavitation)、微流(microstreaming)，以及輻射力(radiation forces)等。高強度聚焦超音波在臨床上的用途，包括治療良性或惡性腫瘤，例如肝癌、胰臟癌、前列腺癌、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、膀胱癌、肉瘤(sarcoma)等(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008) (Baronzio, Gramaglia & Fiorentini, 2008)；此外，HIFU尚可運用於血栓溶解、止血、藥物與基因傳遞等(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。
圖：治療腹內腫瘤的體外高強度聚焦超音波示意圖(Dubinsky, Cuevas, Dighe et al., 2008)。
雷射誘導熱治療(laser-induced thermotherapy)
雷射誘導熱治療(laser-induced thermotherapy)乃利用雷射光束，例如近紅外線的銣雅克(neodymium: yttrium-aluminum-garnet, Nd: YAG)雷射，造成組織加熱效應，導致凝固性壞死，進而破壞腫瘤細胞(Veenendaal, de Jager, Stapper et al., 2006)。隨著近年來奈米科技的進步，以奈米粒子輔助雷射誘導熱治療，可使組織的高熱治療具有空間選擇性(spatial selectivity)，稱為「電漿光熱治療」(plasmonic photothermal therapy，PPTT)。目前可運用的金屬奈米粒子，包括奈米球(nanospheres)、奈米桿(nanorods)、奈米殼 (nanoshells)、奈米籠(nanocages)等(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008) (Terentyuk, Maslyakova, Suleymanova et al., 2009)。
圖：運用於電漿光熱治療的 各種金屬奈米粒子，由左至右分別為奈米球(nanospheres)、奈米桿(nanorods)、奈米殼(nanoshells)。上方為示意圖，下方 為穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy, TEM)的攝影圖(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。
在熱治療過程中，溫度的監控是相常重要的，與治療的安全性(safety) 與有效度(efficacy)相關。組織溫度分布圖的空間解析度(spatial resolution)最好須達到次毫米(submillimeter)的尺度，而溫度解析度(temperature resolution)則須小於攝氏1度(Larina, Larin & Esenaliev, 2005)。金奈米粒子(gold nanoparticles)可有效吸收特定波長的光線，並轉化為熱能，使得奈米粒子周圍的溫度上昇至攝氏數十度的程度，達到熱治療的效果(Huang, Jain, El-Sayed et al., 2008)。
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