固態射頻功率方案挑大樑　射頻能量開啟醫學應用新世界

隨著研究日益顯示出在更高頻率(如915MHz和2,450MHz)下工作的好處，LDMOS電晶體(在全世界數億個蜂巢式基站放大器中得到驗證)是明顯的射頻電源。本文涵蓋廣泛的主題，從射頻在醫學的歷史，到典型應用及其工作方式，以及一些顯示前景的新實驗應用。

射頻能量在醫學中的優勢

大多數使用射頻能量的醫學治療都依賴於其在身體上小或大面積產生熱量的能力。在某些醫療應用中，如熱療(Diathermy)，通過兩個平行板之間創建一個電場，將身體的區域在中間加熱，從而以這種方式使用射頻能量(圖1)。由於射頻產生的電磁能量能以更低頻率(相較於更高頻率)更深入地滲透到任何材料中，這在一定程度上決定了用於各種醫療程序的射頻頻率。

這也是為什麼需要深度組織滲透的醫療應用使用非常低的頻率。這些應用包括透熱療法手術以及各種醫美程序。然而，近年來的研究和臨床試驗表明，在某些情況下，微波頻率主要是915MHz和2,450MHz的無證頻段，當採用低頻率時可以非常有效地減少或消除一些固有的問題和限制。

射頻功率初始時期

為了瞭解射頻功率在醫學中的應用是如何隨著時間而演變的，提供一些歷史視角是很重要的。射頻能量用於醫療應用可追溯到120多年前，Nicola Tesla於1891年首次提出，他發現在人體中產生熱量是可能的。不幸的是，它也引起了電擊。緊接著Tesla的研究，法國醫生和生物物理學家Jacques Arsene d'Arsonval進行了研究，他發現在10kHz以上頻率下施加射頻能量會導致變暖而不是電擊。他努力尋找使用接觸電極、電容板和電感線圈應用高頻電流的方法。

奧地利化學家R.von Zaynek首先提出將射頻加熱用於深層組織，他指出組織中熱量的產生是頻率和電流密度的函數。1908年德國物理學家Karl Franz Nagelschmidt在人類首次大規模實驗中創造了這種治療的名稱—熱療法。Karl Franz Nagelschmidt在1913年撰寫了第一本關於這個主題的教科書，被認為是該領域的先驅。

早期沒有固態設備或真空管，因此，用於產生所需的射頻功率(以及電磁場)的第一個元件是火花放電。Tesla線圈機在100kHz和2MHz間運行，被稱為「長波」的熱療法。當John Ambrose Fleming在1904年發明真空管時，它們取代了Tesla線圈，允許熱療法在10~300MHz之間工作，這在過去(現在仍然是)被稱為「短波」熱療法。在隨後的幾年裡，微波頻率特別是434MHz、915MHz和2,450MHz的無證頻段，開始用於熱療法，在現有的治療方法中增加了微波熱療法。

現代發電機

今天真空管和(越來越多的)電晶體都是醫療應用射頻功率的來源。必須指出的是，在電晶體開發出堪用的機能特性之前，真空管是唯一的選擇。但是，射頻電源電晶體現在已使用許多年，因其可靠性、堅固耐用和射頻輸出功率有戲劇性的改進。

電晶體比真空管用於醫療應用的最大好處是其靈活性。它們的輸出電源可以被緊緊地受控超過它們的滿動態範圍，允許必要時啟用熱轉移到人類組織被減少。

它們還在非常窄的頻率範圍內產生射頻能量，並支援掃描頻率在ISM頻段內(例如從902MHz到928MHz)。這說明到最大化能源轉移到身體。最後，對於高級系統使用倍數探頭組合波前部，相位可以被控制移動到必須治療的區域。

醫療應用中使用的第一個固態元件是雙極結電晶體(BJT)和垂直MOSFET(VMOS)，幾乎總是在低頻。這些設備仍在使用中。然而，LDMOS矽技術(橫向擴散金屬氧化物半導體)在90年代的出現，為解決高頻率(如915MHz或2,450MHz)鋪平了道路(表1)。

LDMOS優勢

LDMOS電晶體與以前的固態半導體技術相比，最大的兩個好處是能夠運行超過100MHz及其堅固性。就算所有傳輸電源因為像短路或斷路這種極高阻抗不匹配的情況而通過LDMOS射頻電源電晶體，它也能生存下來。這樣的耐久性在醫療應用非常重要，尤其是人類組織可以做為探頭的變數負載。

當真空管需要大型、重型電源供應時，具有潛在危險的高電壓，而電晶體在32到50VDC下運作。與運行壽命約為8,000小時的真空管相比，LDMOS射頻功率電晶體的使用壽命更長，可達數百萬個小時；與真空管相比，就LDMOS電晶體而言，它們在接近壽命結束時產生的射頻輸出功率也和安裝時一樣。磁控管和所有真空管在需要大型、重型電源的潛在危險高壓下工作。此外，磁控管的功率不能變化，因此它只能打開或關閉。磁控管運作操作微波爐解凍時變得很明顯，聲音會隨著射頻功率關閉和打開而改變。

穩定性與可靠性是阻礙固態元件使用的最重要因素，但如今，LDMOS射頻功率電晶體用於高功率、高要求的磁共振成像等應用非常耐用。儘管它們的外表可能使它們顯得脆弱，但事實正好相反。例如LDMOS RF功率電晶體可以提供其全額定RF功率電平(可大於1.5kW)，即使它們受到接近直接短路、高於指定值的極端阻抗不匹配，如工作電壓過高甚至與額定RF輸入功率相比高出兩倍的情況下，也不會降低或失效。固態元件如這種高功率LDMOS射頻功率電晶體，正在革新許多醫療系統。

總體而言，LDMOS射頻功率電晶體的性能消除了使用固態元件進行射頻發電的障礙。如今，單個LDMOS電晶體可提供1,500W至500MHz、350W(915MHz)和300W(2,450MHz)的傳輸。

醫學應用使用頻率

醫療應用中使用的無線電頻率基於三個因素確定：政府頻率分配、治療效果以及需要在特定頻率下操作，以便該技術提供其聲明的好處。FDA在美國和世界各地的類似機構分配用於醫療使用的頻率一般在工業科學和醫療(ISM)波段內，並且不需要運營商擁有許可證。許多其他類型的系統也運行在這些頻段，包括Wi-Fi、藍牙、微波爐，基於射頻的工業設備和其他一些通訊系統(表2)。

提供最有效的處理頻率並不困難而且可以快速提供，因為幾乎任何頻率的射頻能量都可以產生熱能。此外，以政府法規分配的頻率以外的頻率開發系統的成本極高。因此，在已使用的頻率以外的頻率下操作必須具有重大優勢。這方面的一個很好的例子是核磁共振造影(Magnetic resonance imaging, MRI)系統，它不以ISM波段內的頻率運行，而是在64MHz和128MHz下工作，這取決於它們所創建的電磁場的強度。

將特定材料(如組織)加熱到所需溫度所需的時間取決於施加的功率(必須嚴格控制)以及電磁波的頻率。不同類型的組織對不同頻率的射頻能量的反應不同，有些組織需要更高的功率來吸收能量並開始變暖。頻率越高(因此波長較短)對組織的影響比低頻率低、頻率越高，射頻能量源周圍的功率密度越大。

如圖2所示，低頻和高頻之間的長度(以公尺為單位)存在巨大差異。例如，6.78MHz的全波長約為44m，而在2,450MHz時，其波長僅為12釐米。

使用射頻電源主要醫療應用

雖然下面描述的應用不是唯一使用射頻能量的應用，但它們是最廣泛使用。例如各種類型的雷射器必須由射頻電源產生的電磁場激發。此處僅簡要說明，因為它們不直接將射頻能量用於治療目的。

九種使用射頻功率來點燃等離子體的雷射器用於醫學的廣泛應用，包括血管整形、癌症治療、美容皮膚科、鐳射乳房X光檢查和眼科。其中一些系統，尤其是用於美容皮膚病學的系統，結合了光學和射頻能量的優勢，產生了技術無法單獨提供的結果。

CO2雷射器需要由高級射頻電源產生的激發。真空管是VMOS的初始電源，但最新的光源是RF放大器，由更堅固的LDMOS電晶體供電，這些電晶體可以在等離子體點燃時反射的能量中存活下來。在某些醫療應用中通常使用的鐳射功率水準尤其如此。

核磁共振造影

與任何其他醫療系統相比，MRI可能為更多人所熟悉。很多人不知道的是，每個MRI系統都使用射頻電晶體來產生電磁場，而電磁場是其中必要的成分。MRI是少數不使用射頻能量產生熱量的醫療應用之一。相反，它使用射頻電源在患者周圍創建一個極強的脈衝電磁場，從中可以產生器官、軟組織、骨骼和幾乎所有其他身體結構的詳細圖像(圖3)。

核磁共振造影的基礎是核磁共振，它規定某些原子核在置於外部磁場時將吸收併發射射頻能量。具體來說，氫原子廣泛存在於體內，特別是在水和脂肪中，可以產生可探測的射頻訊號，可以通過靠近人體的天線接收。成像系統可以通過不同的脈衝特徵來映射其位置，並在組織之間生成不同的對比度級別。

固態射頻電源已被所有MRI製造商使用多年，因為它們無需維護或更換即可運行。它們還允許RF能量水準無限變化，這對於保護患者安全至關重要。

MRI系統中使用的電磁場強度以Tesla水準測量。最常見的MRI系統使用1.5Tesla的磁場。具有3Tesla磁場的高性能MRI系統可以生成更高級別的圖像解析度。具有1.5Tesla磁場的MRI機器在61MHz和64MHz，以及磁場為3Tesla的MRI機器在123~128MHz之間工作。目前生產中的MRI系統使用VMOS(垂直MOSFETS)，但正逐漸遷移到LDMOS，因為VMOS元件的運行頻率不會超過100MHz。

使用射頻能量切除

幾種方法可以消滅組織，包括鐳射和冷凍切除。然而使用射頻能量在特定頻率上的切除是最廣泛使用的。一般來說，電流是由射頻電源產生的，而射頻電源又產生熱量，這些熱量可引導導致組織細胞凋亡。它用於治療疾病，包括癌症、心律失常、靜脈曲張、子宮出血和許多其他。執行手術的外科醫生通常由一種或多種類型的系統(如MRI、電腦斷層掃描(CT))或超聲波)生成的圖像引導，這些圖像能夠使用RF供電的電極精確定位特定位置。射頻電源產生的電流導致探頭周圍的組織加熱，溫度足以導致組織壞死。

兩種類型的切除系統依賴於射頻能量。第一種稱為射頻切除，通常工作在450~500kHz之間，主要是因為其前身電工外科使用這種頻率。此頻率範圍已獲得監管部門的批准，因此批准射頻切除要容易得多。第二種稱為微波切除，通常在915MHz或2,450MHz下工作。

射頻切除

射頻切除有兩種類型：單極和雙極。在單極射頻切除中，一組電極使用接地墊在腫瘤部位提供能量，以完成穿過身體的電路。墊片作為射頻電流的返回路徑，通常位於患者的大腿或背部。雙極射頻切除允許電流在多組電極之間流動，但不需要使用接地墊。

該過程是通過將上述探針插入預定被破壞的目標群組織來進行的。通過在探頭和接地墊之間施加電流加熱組織。為了確保僅在需要的地方進行組織加熱，探頭的某些部分可能絕緣。

細胞死亡取決於溫度和應用時間，從幾分鐘到在50℃下誘導細胞凋亡，但在較高溫度下只需幾秒鐘。最高溫度範圍在50℃和110℃之間。射頻切除的一個問題是，當電流密度非常高時，它們會產生組織燒焦，因此必須精確控制溫度。為了增加切除有效區域，可以使用水對探頭進行冷卻。

微波切除

雖然使用微波切除產生細胞死亡的機制與射頻切除相似，但在某些情況下具有優勢。在微波切除中，分子隨著微波能量場的振盪而不斷重新調整，從而增加動能和組織溫度。

與低頻電流不同，微波頻率下的能量可以滲透到所有生物組織，包括那些對電流具有高抵抗力的組織，如骨骼和肺。因此，它們可以產生更大的能量圍繞探頭，這使得程序更快，產生更高的溫度，並擴大切除區。這意味著通常需要的工具更少。

微波切除現已進入第三代。第一代沒有有源天線(探頭)冷卻。因此，在較短的時間段內使用較低的功率。第二代增加了冷卻，但僅允許適度增加功率，第三代允許增加冷卻和使用更大的射頻功率級別。

微波探頭的設計對切除區有多大和形狀有重要影響。因此，研究人員已經產生了許多不同類型的探測器，在控制射頻能量的傳輸方面具有不同程度的有效性。事實上，可以使用多個探頭來創建更大的切除區域，並精確地符合目的地區域。每個探頭都可以分階段變化，有可能創建「建設性」和「破壞性」波相互作用的區域，從而對結果產生巨大的積極影響。

許多研究在915MHz和2,450MHz下進行，以確定哪一個是「最好的」。最初認為由於更深的滲透，較低的頻率可以產生更大的切除區，但其他研究卻顯示出相反的情況。

一般來說，微波切除相較於射頻切除的好處包括：

・縮短時間(只需幾分鐘)

・實現更高溫度的能力

・降低對各類組織的敏感性

・減少重新置放探頭的需要

・治療不能使用射頻切除的腫瘤類型的能力。

腎動脈交感神經阻斷術

腎動脈交感神經阻斷術(Renal Denervation, RDN)雖然並不專稱為「切除」，但此技術是以治療無法節制高血壓患者的新療法，這些患者透過藥物和改變生活方式和營養是無法有效治療。這是一個微創手術，通過拉扯腎臟神經，使用放置在股動脈的小導管(用於進入腎動脈服務的神經)，以降低血壓(圖4)。

神經通過將電磁能量傳遞到動脈，並通過放置在腎臟的導管尖端傳輸低劑量能量。能量通過血管壁傳播損害腎神經。手術後，患者可以在幾小時內恢復活動，並可以在隔天離開醫院或醫療場所。

雖然有其他形式的RDN治療，如超聲波和微輸液，使用射頻在低頻率或微波頻率的阻斷術，目前由多家公司進行臨床試驗中。早期臨床試驗的結果表明，成功率很高，但最近控制變因較好的研究未能證實這點。因此，仍不知道這種治療是否有效。

熱療

熱療是一種非常有效各種疾病的方法，並隨著時間的推移不斷添加到其治療組合中。根據設備使用的波長，它可以將熱量直接施加到皮膚上(短波熱療)，或是使用距離身體很近的探頭加熱，將能量引導到皮膚(微波熱療)(圖5)。

短波熱療運行在13MHz、27MHz或40MHz，而微波運行在915MHz或2,450MHz。儘管真空管(磁控管)長期以來一直被用作短波和微波分光的射頻電源，但LDMOS射頻功率電晶體因其壽命長、功率控制無限、控制機制更簡單和其他好處。

隨著熱量的增加，血液流動也會增加，這可以提高關節和結締組織的靈活性(缺乏血管供應的軟骨除外)，隨著炎症的減少，疼痛也減輕了。因此，關節炎患者可以增加他們的運動範圍。其他應用包括扭傷、拉傷、病變、退化性關節疾病、風濕性關節炎、關節僵硬、造體瘤、滑囊炎和脊柱炎。

熱療也可用於外科手術，其中探頭應用於血管，使得血液凝固和燒灼區域。

短波熱療

短波熱療採用兩個板放置在身體部位的兩側進行治療，或使用感應線圈，可以模擬以適應身體或包裹在肢體上。當高頻波穿過板塊或線圈之間的身體組織時，它們被轉換成熱。熱度和穿透深度部分取決於波所接觸組織的吸收和抗性。

它對於治療由坐骨炎、腎結石和骨盆感染引起的疼痛，以及引起疼痛和肌肉痙攣的其他疾病最為有效。短波分道可以產生熱量在目標群組織深處，距離皮膚表面2英寸。在這種方法中，患者的組織是板之間的介質，因此身體是電路的一部分。組織分子的振盪和旋轉產生熱量。

熱誘導和疼痛管理與炎症過程有關，在炎症過程中，招募到病變區域的白細胞釋放其細胞因數。其中一些在性質上是抗炎的，有助於減少親炎細胞因數對受體細胞的影響。

根據所需的處理方法，有三種技術用於短波熱療：逆平面、共平面或縱向。逆平面將板放在肢體的兩側，而共平面技術沿身體的一側平行放置電極。在縱向方法中，電極被放置在肢體的每一端。

微波熱療

微波熱療利用微波能量在體內產生熱量，在不加熱皮膚的情況下，對均勻加熱組織非常有效。與短波熱療不同，微波熱療不直接向身體施加熱量，而是將射頻能量從在目標群組織內產生熱量的探頭束到它。然而，因為它不能滲透到深層肌肉，它的主要當前應用是接近皮膚的區域，如肩膀。

該探頭將射頻能量場直接聚焦在比短波熱療更集中區域的目標群組織上。與短波熱療不同，患者不會成為電路的一部分。能量的吸收導致組織中加熱，比紅外線治療方式更深入，但不如短波熱療。

由於微波能量被水有效吸收，高液體含量的組織被加熱最多，而脂肪和其他組織的加熱較少。它對於加熱組織(如具有大量血液供應的肌肉)也有效。微波切除術已經證明了它治療炎症性病變的能力，它可以增加血液供應，從而緩解疼痛和肌肉痙攣，以及影響軟組織和關節的風濕。

兩種類型的探頭用於微波熱療，根據製造商的不同，它們差別很大。圓形探頭在周邊產生的熱量比中心熱，對小區域和大區域都有效；矩形探頭用於輻射密度集中在中間的長光區域。在這兩種情況下，治療區域的大小隨探頭與皮膚的距離和定向到皮膚的功率而變化。治療需要10~20分鐘。

換膚除皺

有許多技術屬於化妝品(也稱為美容)治療的廣泛術語，它們單獨使用射頻功率或與光源結合使用。使用光能治療皮膚病問題已經廣泛使用了20年，有時結合鐳射和強脈衝光(IPL)脫毛，去除血管和色素病變、減少細紋、痤瘡治療等等。然而，光學技術的局限性使研究人員尋找新的能量形式，以擴大他們更有效地治療更多類型皮膚疾病的能力。射頻能量已成為其中最流行的，因為它依賴於組織的電特性，而不是皮膚中的分子濃度進行熱破壞。

由於射頻技術在相對較低的溫度下將熱量傳輸到真皮，它非常適合作用於膠原蛋白分子，而不會對表皮產生影響，從而更有效地癒合傷口，並在短時間內提供有效的皮膚恢復。

有幾種類型的基於射頻的處理，其中第一種稱為單極射頻，其中單個電極尖端應用於目的地區域，另一板用作接地墊。雙極射頻是指一種技術，即組織在單個探頭的尖端上使用兩個點進行定位，而三極RF使用多個電極同時加熱皮膚的淺層和深層。

另一種稱為小數RF的技術，這是相對較新的，使用非常薄的針型電極，可以服務多個區域的組織，而不影響表皮和囊腫，可讓傷口更快的癒合。

另一種稱為單極射頻的方法在不向皮膚輸送電流的情況下工作，而是利用能量在水分子中引起旋轉振盪。它針對視網膜真皮和皮下結膜，與影響毛細管和中端真皮的雙極技術形成對比。

還有一種用於化妝品藥劑，稱為身體輪廓重整，無需手術即可重塑身體。被視為非侵入性的專業技術。射頻能量用於此目的，通過將電流深入脂肪細胞區域以摧毀它們。

結締組織和脂肪都有助於脂肪的發展，射頻能量已被證明能有效地最小化。產生的熱量導致結締組織中的膠原蛋白改變和收緊，研究表明，它也可能增加治療部位的血流量和脂肪代謝。射頻能量也提供了其非侵入性抽脂功能。一種稱為射頻輔助抽脂(RFAL)的技術使用射頻能量，使用兩個電極產生加熱，其中一個是外部電極，一個是連接到手持控制器的內部電極。

還有一個應用是永久脫毛，經常使用光學能量進行，但限於較深的頭髮顏色。如前所述，使用光學能量對深色皮膚類型的治療是有限的，因此同時使用光學和射頻能量較能有效達成，因為後者在這方面並不局限於此。

最後，光電協同作用或電光技術結合了射頻和光能。其目標是通過結合雙極性射頻，降低使用光學能量的強度，從而減少潛在的副作用。研究表明，它可用於所有頭髮類型，並能有效去除白髮。

微血管擴張療法

微血管擴張(Telangiectasia)被視為毛細血管的異常擴張。Telangiectasia的常見原因是遺傳、環境或兩個因素的組合。Telangiectasia表現為微小的血管，在皮膚上產生類似線的外觀，並且通常形成簇狀。由於其網絡般的外觀該情況經常被引用作為蜘蛛靜脈。Telangiectasia使用硬化療法、鐳射(光學)治療、手術或內明射頻加熱療法進行治療。研究表明，射頻(或微波)切除可用於切除典型斑塊，並降低溫度，減少副作用，減少這種疾病的典型斑塊。

基於RF的方法本質上是一種射頻切除形式。例如，在一條腿上使用蜘蛛靜脈，對部位進行麻醉，並在與股骨靜脈相連的大靜脈內插入射頻導管。導管將靜脈加熱到約85℃，造成靜脈疤痕和密封。手術在沒有一般麻醉的情況下進行，平均長度約為20分鐘。

VNUS閉合術由VNUS Medical Technologies在1998年引入，使用注射鹽水溶液麻木腿部，從靜脈擠壓血液，並保護周圍組織。超聲成像用於定位治療部位、引導導管並確認靜脈已完全閉合。手術後，血液通過其他更健康的靜脈自然改道。據說它比其他一些技術更快，減少恢復時間，並在手術期間和手術後減少不適，手術後很少或沒有疤痕、淤青或腫脹。

多元新興應用竄起

射頻技術也被用於治療其他疾病，許多技術依賴於射頻切除。例如它被用來治療各種心臟傳導障礙，該手術程序已證明是安全的，每2,000個手術的死亡率不到1人。射頻切除也用於治療肝細胞癌，最常見的肝癌類型。電極在超聲波圖像指導下插入肝臟腫瘤，使用皮下、腹腔鏡或開腹手術。

因為它是局部治療，對正常健康組織的影響最小，可以重複多次。該手術切除已被證明對健康組織的影響最小，可以重複幾次。最後，一種稱為巴雷特食道的疾病，這是胃食道逆流的嚴重併發症，也正在使用射頻敲除治療。射頻能量通過插入食道的內窺鏡傳遞，允許異常細胞被破壞，同時保護下面的健康細胞。

電磁能在醫學中的應用由來已久，已經證明其有效性，無論是單獨還是與光結合。固態元件技術的進步，使控制達到新的水準，特別是在LDMOS射頻功率電晶體中，能夠解決更高的頻率，這使得它有可能取代幾十年來一直是主要射頻電源的舊技術。將來，越來越多的手術或療法將利用射頻能源提供的益處，在性能、壽命和併發症風險方面比其他技術更適合。

(本文由恩智浦半導體提供)