射频消融物理学原理2020
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• 消融电极与组织的接触压力：与范围正相关 • 功率：与范围正相关 • 时间：时间短主要作用为阻抗热，范围相对较大，深度相对较浅；时
间长主要体现在传到热，范围和深度增加 • 盐水灌注：深度和范围增加
3. 消融模式和参数应根据消融目的灵活选择设置
无电解作用
• 电解：电流通过电解质溶液或熔融态物质时，在阴极和阳 极上引起氧化还原反应的过程。 电解发生依赖于定向电流。
• 高频电流电场方向迅速变换，电场中的电解质离子不能定 向运动，只能在其原位振动；电介质（细胞膜）中的偶极 子也按高频电场的方向变动，不断取向转动，只形成位移 电流，而无传导电流，所以高频电流无电解作用。
• 高频率电磁波：磁电互变快，电能、磁能随着电场与磁场 的周期变化以电磁波的形式向空间传播（电磁辐射），也 可以通过特殊装置束缚在有形的导电体内传递。
二、临床消融所用射频的选择
• 临床射频频率范围300-3000kHz。 • 心律失常导管射频消融最常用为500kHz。
高频电流的特点一
对神经肌肉无兴奋作用
• 第二阶段:
– 热传导到附近的 局部组织和导管头电极
19
第一阶段（阻抗式加热） 特点
• 只在局部贴靠周边1-2mm内产生， 形成高温区
• 功率越高产生的阻抗热在组织内的 作用越深
• 当电极离开内膜表面阻抗热会迅速 降低
RF
Current
T Blood Pool
i
Tissue
RF Currpent
Lesio
n
第二阶段（传导热） 特点
• 高温组织自发向周围传导热量
• 是造成消融损伤的主要因素
• 消融组织的深部温度高于导管/组织 接触面的温度
Blood Pool Tip
Tissue
Lesion
✓ 血液冲刷将带走热量并冷 却局部组织与消融电极
✓ 血流充分时，可以给予更 大的消融能量而不用担心 局部表面结痂
3、电极长度+盐水灌注
• Inverse Relationship Between Electrode Size and Lesion Size During Radiofrequency Ablation With Active Electrode Cooling. Nakagawa H. Circulation. 1998;98:458-65.
5 mm
2 mm
50 V ，温控30-50 ℃，电极垂直贴靠，盐水灌注 (20 ml/min)
平行贴靠
Circuit for RF ablation can be considered to have overall impedance consisting of nonablation electrode impedance (RRemote) produced by cables, skin patch, and body, which is in series with impedance of ablation electrode consisting of electrode-tissue interface impedance (RTissue) and electrodeblood interface impedance (RBlood) connected in parallel.
✓ 冷盐水消融的原理
血流速度对消融深度的影响
消融停止温度延迟变化
垂直贴靠，压力10g
Fred H.M. Wittkampf, et al. Thermal Latency in Radiofrequency Ablation. Circulation. 1996;93:1083–1086
Fred H.M. Wittkampf, et al. Thermal Latency in Radiofrequency Ablation. Circulation. 1996;93:1083–1086
组织加热后的变化
• 心肌组织 – 组织温度超过50℃， 细胞就产生不可逆损 伤
• 血液 – 当温度达到90-100℃， 血液开始凝结 – 80度时产生软血栓 – 不受肝素水平的影响
RF Catheter Ablation: Lessons on Lesions
FRED H.M. WITTKAMPF, Ph.D.,* and HIROSHI
高频电流的特点三
产热明显
焦耳定律：Q＝ I2R t
Q：热能。I：电流。R：电阻。t：时间。 • 人体R由阻抗、感抗、容抗组成。
✓ 阻抗：电路阻碍电流通过能力的量。 ✓ 感抗：当线路中有电流通过时，就会在线路中形成感应电磁场，而感应电磁场又会
在线路中产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。 ✓ 容抗：电容器所带电荷对定向移动的电荷具有的阻碍作用。是人体电阻的最大构成
Nakagawa H, et al. Circulation. 1995;91:2264-73.
功率控制
温控80℃ to 90℃
66V+盐水灌注
消融效果
温控和盐水灌注减少血栓形成
• 血液 – 当温度达到90-100℃，血液开始凝结 – 80 ℃时产生软血栓 – 不受肝素水平的影响
2、电极头端长度（非盐水灌注）
部分，大小与通过人体的电流频率呈负相关。
• 与产热关系最大的是I，I受R影响巨大。当电流频率上升时，容抗急剧下降， 通过组织的电流急剧增加，产热增加。
射频电流对组织的热效应
热效应（电磁热）
• 电阻热Hale Waihona Puke Baiduresistive heating）：电阻热是电流流过导体的焦耳效应产生的热 能。＜1 MHz频率增加致组织电阻热产生增多。
织损伤深度增加。
Otomo K, et al. Why a large tip electrode makes a deeper radiofrequency lesion: effects of increase in electrode cooling and electrode-tissue interface area. J Cardiovasc Electrophysiol. 1998;9:47-54.
(A) 最大损伤深度; (B), 最大损伤直径; (C), 最大损伤直径深度 (D), 组织表面损伤直径. *P<0.05.
4. 导管头端半径
• 导管头端电极半径0.75-2.25，长度同直径 • 犬右心室游离壁离体组织 • 温控60℃消融
Haines DE, et al. Electrode radius predicts lesion radius during radiofrequency energy heating. Validation of a proposed thermodynamic model.Circ Res. 1990; 67(1):124-9.
的有效性进行临床研究 ▪ 1991: 射频消融室速 ▪ 1992: 射频消融慢径 ▪ 1992: 射频消融房扑 ▪ 1995: 射频消融房颤
一、射频是什么？
射频是一种电磁波、高频电流
电磁波?
• 电磁波是电磁场的一种运动形态。电磁波为横波，电磁波 的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直
电磁波传递
• 低频率电磁波：需借有形导电体才能传递。磁电之间的相 互变换缓慢，能量几乎全部返回原电路，没有能量辐射。
500 kHz优点
• 电阻热为主，电介热弱：仅引起与电极接触组织产热，通 过热传导方式增加周围组织损伤；对组织的损伤小，损伤 与作用时间和功率密切相关，易于控制。
• 配套设备制作成本低。
500 KHz不足
电阻热：渗透力差，仅引起接触电极的薄层组织产热，导 致局部高温，表面组织损伤明显、脱水干燥、阻抗增加， 易致血栓形成，作用深度不足，常需足够功率和时长。
温控60℃，输出功率与电极头端半径近乎成线性关系
损伤横径和深度与电极头端半径显著正相关
5. 压力
6.单极&双极消融
射频消融能量的安全应用
• 总原则:
– 释放到组织的能量多少决定了组织内部的温度，从而影响 了损伤范围的大小
• 防止组织过热:
– 组织气化爆破 （高功率，高压力）
44
小结
1. 射频：500 kHZ 2. 临床与组织损伤程度相关的关键参数
• 电介热 (dielectric heating)：在电极间加上高频电场，则电偶极子沿电场方 向剧烈旋转振动，分子相互摩擦而产生热量。＞1 MHz，产热方式渐以电 介热为主，随频率加快而产热增多。
电阻热符合焦耳定律
• Q = I2Rt • I ∽ w/d2 Q ∽ w2/d4
具体部位组织的电流与施加的功率成正比，与组织距消融电 极距离的平方成反比，故组织中产热与给予的功率的平方成 正比，与距离的4次方成反比。
NAKAGAWA, M.D., Ph.D.†
消融时组织温度宜在50-80℃
(PACE 2006; 29: 1285–1297)
25
四、消融参数对组织损伤的影响
• 时间 • 功率
• 温度控制 • 盐水灌注 • 电极头端长度 • 电极头端半径 • 压力 • 单极、双极消融
1、温控、功率控制、盐水灌注
• 方案：8 mm导管、4 mm导管，在体犬股头肌 ① 垂直贴靠，表面60℃温控 ② 垂直贴靠，60℃温控，血流灌注 ③ 垂直贴靠，3.5 mm深度组织90℃温控 ④ 平行贴靠，3.5 mm深度组织90℃温控 • 结果 ① 方案 1和2，8 mm导管组织温度和损伤深度胜于4mm导管；无血流灌注时
差别相对较小。 ② 方案3，8 mm导管组织表面温度较低； ③ 方案4，8 mm导管在7 mm深度组织温度更高，组织损伤更深 • 结论：更大的电极增加冷却效果和组织接触面积，从而增加阻抗热，组
• 电流对机体的刺激兴奋作用随着频率升高而减弱； • ＞100kHz：交流电每个周期时间小于0.01 ms，刺激时间
达不到兴奋神经和肌肉的阈值（0.03～1ms）； • 100～150kHz：对机体有极微弱的刺激性； • ＞500 kHz：完全无神经兴奋作用。
（工业和民用交流电50-60Hz）
高频电流的特点二
三、射频消融对组织的影响
• 射频仪 • 消融电极
– 表面积小 – 电流密度大
• 背部电极
– 表面积大 – 电流密度小
无关电极
射频仪
心脏组织
消融电极
17
射频对心肌组织的作用
在导管消融时有三种重要的热量转化方式 • 阻抗热 • 传导热 • 对流性冷却
18
射频消融机制——组织加热过程
• 第一阶段:
– 阻抗式加热 – 局部组织内部发生
射频消融物理学原理
2020-3
提纲
• 射频消融简史 • 射频是什么？ • 临床消融所用射频的选择 • 射频对组织的影响 • 消融参数对组织损伤的影响
一、射频消融简史
高压直流电消融:
▪ 1979: Vedel及 Fontaine发现高压直流电 可以终止心动过速
▪ 1981: Gonzales进行动物实验 ▪ 1982: Scheinman/Gallagher首次将该技
术应用于临床
直流电消融在导管头端 形成的火球
射频消融导管: ▪ 1985: Fontaine开始相关研究实验 ▪ 1987: Borggrefe对右侧旁道消融成功 ▪ 1988: Kuck成功消融右侧旁道 ▪ 1988: Huang/Haines/Hindricks对射频消融引起
的病理生理改变进行研究 ▪ 1989-91: Jackman/Kuck/Calkins对射频消融旁道
间长主要体现在传到热，范围和深度增加 • 盐水灌注：深度和范围增加
3. 消融模式和参数应根据消融目的灵活选择设置
无电解作用
• 电解：电流通过电解质溶液或熔融态物质时，在阴极和阳 极上引起氧化还原反应的过程。 电解发生依赖于定向电流。
• 高频电流电场方向迅速变换，电场中的电解质离子不能定 向运动，只能在其原位振动；电介质（细胞膜）中的偶极 子也按高频电场的方向变动，不断取向转动，只形成位移 电流，而无传导电流，所以高频电流无电解作用。
• 高频率电磁波：磁电互变快，电能、磁能随着电场与磁场 的周期变化以电磁波的形式向空间传播（电磁辐射），也 可以通过特殊装置束缚在有形的导电体内传递。
二、临床消融所用射频的选择
• 临床射频频率范围300-3000kHz。 • 心律失常导管射频消融最常用为500kHz。
高频电流的特点一
对神经肌肉无兴奋作用
• 第二阶段:
– 热传导到附近的 局部组织和导管头电极
19
第一阶段（阻抗式加热） 特点
• 只在局部贴靠周边1-2mm内产生， 形成高温区
• 功率越高产生的阻抗热在组织内的 作用越深
• 当电极离开内膜表面阻抗热会迅速 降低
RF
Current
T Blood Pool
i
Tissue
RF Currpent
Lesio
n
第二阶段（传导热） 特点
• 高温组织自发向周围传导热量
• 是造成消融损伤的主要因素
• 消融组织的深部温度高于导管/组织 接触面的温度
Blood Pool Tip
Tissue
Lesion
✓ 血液冲刷将带走热量并冷 却局部组织与消融电极
✓ 血流充分时，可以给予更 大的消融能量而不用担心 局部表面结痂
3、电极长度+盐水灌注
• Inverse Relationship Between Electrode Size and Lesion Size During Radiofrequency Ablation With Active Electrode Cooling. Nakagawa H. Circulation. 1998;98:458-65.
5 mm
2 mm
50 V ，温控30-50 ℃，电极垂直贴靠，盐水灌注 (20 ml/min)
平行贴靠
Circuit for RF ablation can be considered to have overall impedance consisting of nonablation electrode impedance (RRemote) produced by cables, skin patch, and body, which is in series with impedance of ablation electrode consisting of electrode-tissue interface impedance (RTissue) and electrodeblood interface impedance (RBlood) connected in parallel.
✓ 冷盐水消融的原理
血流速度对消融深度的影响
消融停止温度延迟变化
垂直贴靠，压力10g
Fred H.M. Wittkampf, et al. Thermal Latency in Radiofrequency Ablation. Circulation. 1996;93:1083–1086
Fred H.M. Wittkampf, et al. Thermal Latency in Radiofrequency Ablation. Circulation. 1996;93:1083–1086
组织加热后的变化
• 心肌组织 – 组织温度超过50℃， 细胞就产生不可逆损 伤
• 血液 – 当温度达到90-100℃， 血液开始凝结 – 80度时产生软血栓 – 不受肝素水平的影响
RF Catheter Ablation: Lessons on Lesions
FRED H.M. WITTKAMPF, Ph.D.,* and HIROSHI
高频电流的特点三
产热明显
焦耳定律：Q＝ I2R t
Q：热能。I：电流。R：电阻。t：时间。 • 人体R由阻抗、感抗、容抗组成。
✓ 阻抗：电路阻碍电流通过能力的量。 ✓ 感抗：当线路中有电流通过时，就会在线路中形成感应电磁场，而感应电磁场又会
在线路中产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。 ✓ 容抗：电容器所带电荷对定向移动的电荷具有的阻碍作用。是人体电阻的最大构成
Nakagawa H, et al. Circulation. 1995;91:2264-73.
功率控制
温控80℃ to 90℃
66V+盐水灌注
消融效果
温控和盐水灌注减少血栓形成
• 血液 – 当温度达到90-100℃，血液开始凝结 – 80 ℃时产生软血栓 – 不受肝素水平的影响
2、电极头端长度（非盐水灌注）
部分，大小与通过人体的电流频率呈负相关。
• 与产热关系最大的是I，I受R影响巨大。当电流频率上升时，容抗急剧下降， 通过组织的电流急剧增加，产热增加。
射频电流对组织的热效应
热效应（电磁热）
• 电阻热Hale Waihona Puke Baiduresistive heating）：电阻热是电流流过导体的焦耳效应产生的热 能。＜1 MHz频率增加致组织电阻热产生增多。
织损伤深度增加。
Otomo K, et al. Why a large tip electrode makes a deeper radiofrequency lesion: effects of increase in electrode cooling and electrode-tissue interface area. J Cardiovasc Electrophysiol. 1998;9:47-54.
(A) 最大损伤深度; (B), 最大损伤直径; (C), 最大损伤直径深度 (D), 组织表面损伤直径. *P<0.05.
4. 导管头端半径
• 导管头端电极半径0.75-2.25，长度同直径 • 犬右心室游离壁离体组织 • 温控60℃消融
Haines DE, et al. Electrode radius predicts lesion radius during radiofrequency energy heating. Validation of a proposed thermodynamic model.Circ Res. 1990; 67(1):124-9.
的有效性进行临床研究 ▪ 1991: 射频消融室速 ▪ 1992: 射频消融慢径 ▪ 1992: 射频消融房扑 ▪ 1995: 射频消融房颤
一、射频是什么？
射频是一种电磁波、高频电流
电磁波?
• 电磁波是电磁场的一种运动形态。电磁波为横波，电磁波 的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直
电磁波传递
• 低频率电磁波：需借有形导电体才能传递。磁电之间的相 互变换缓慢，能量几乎全部返回原电路，没有能量辐射。
500 kHz优点
• 电阻热为主，电介热弱：仅引起与电极接触组织产热，通 过热传导方式增加周围组织损伤；对组织的损伤小，损伤 与作用时间和功率密切相关，易于控制。
• 配套设备制作成本低。
500 KHz不足
电阻热：渗透力差，仅引起接触电极的薄层组织产热，导 致局部高温，表面组织损伤明显、脱水干燥、阻抗增加， 易致血栓形成，作用深度不足，常需足够功率和时长。
温控60℃，输出功率与电极头端半径近乎成线性关系
损伤横径和深度与电极头端半径显著正相关
5. 压力
6.单极&双极消融
射频消融能量的安全应用
• 总原则:
– 释放到组织的能量多少决定了组织内部的温度，从而影响 了损伤范围的大小
• 防止组织过热:
– 组织气化爆破 （高功率，高压力）
44
小结
1. 射频：500 kHZ 2. 临床与组织损伤程度相关的关键参数
• 电介热 (dielectric heating)：在电极间加上高频电场，则电偶极子沿电场方 向剧烈旋转振动，分子相互摩擦而产生热量。＞1 MHz，产热方式渐以电 介热为主，随频率加快而产热增多。
电阻热符合焦耳定律
• Q = I2Rt • I ∽ w/d2 Q ∽ w2/d4
具体部位组织的电流与施加的功率成正比，与组织距消融电 极距离的平方成反比，故组织中产热与给予的功率的平方成 正比，与距离的4次方成反比。
NAKAGAWA, M.D., Ph.D.†
消融时组织温度宜在50-80℃
(PACE 2006; 29: 1285–1297)
25
四、消融参数对组织损伤的影响
• 时间 • 功率
• 温度控制 • 盐水灌注 • 电极头端长度 • 电极头端半径 • 压力 • 单极、双极消融
1、温控、功率控制、盐水灌注
• 方案：8 mm导管、4 mm导管，在体犬股头肌 ① 垂直贴靠，表面60℃温控 ② 垂直贴靠，60℃温控，血流灌注 ③ 垂直贴靠，3.5 mm深度组织90℃温控 ④ 平行贴靠，3.5 mm深度组织90℃温控 • 结果 ① 方案 1和2，8 mm导管组织温度和损伤深度胜于4mm导管；无血流灌注时
差别相对较小。 ② 方案3，8 mm导管组织表面温度较低； ③ 方案4，8 mm导管在7 mm深度组织温度更高，组织损伤更深 • 结论：更大的电极增加冷却效果和组织接触面积，从而增加阻抗热，组
• 电流对机体的刺激兴奋作用随着频率升高而减弱； • ＞100kHz：交流电每个周期时间小于0.01 ms，刺激时间
达不到兴奋神经和肌肉的阈值（0.03～1ms）； • 100～150kHz：对机体有极微弱的刺激性； • ＞500 kHz：完全无神经兴奋作用。
（工业和民用交流电50-60Hz）
高频电流的特点二
三、射频消融对组织的影响
• 射频仪 • 消融电极
– 表面积小 – 电流密度大
• 背部电极
– 表面积大 – 电流密度小
无关电极
射频仪
心脏组织
消融电极
17
射频对心肌组织的作用
在导管消融时有三种重要的热量转化方式 • 阻抗热 • 传导热 • 对流性冷却
18
射频消融机制——组织加热过程
• 第一阶段:
– 阻抗式加热 – 局部组织内部发生
射频消融物理学原理
2020-3
提纲
• 射频消融简史 • 射频是什么？ • 临床消融所用射频的选择 • 射频对组织的影响 • 消融参数对组织损伤的影响
一、射频消融简史
高压直流电消融:
▪ 1979: Vedel及 Fontaine发现高压直流电 可以终止心动过速
▪ 1981: Gonzales进行动物实验 ▪ 1982: Scheinman/Gallagher首次将该技
术应用于临床
直流电消融在导管头端 形成的火球
射频消融导管: ▪ 1985: Fontaine开始相关研究实验 ▪ 1987: Borggrefe对右侧旁道消融成功 ▪ 1988: Kuck成功消融右侧旁道 ▪ 1988: Huang/Haines/Hindricks对射频消融引起
的病理生理改变进行研究 ▪ 1989-91: Jackman/Kuck/Calkins对射频消融旁道