第 26 章 消融能量來源：射頻、冷凍、脈衝電場與其他能量的生物物理學
學習目標
- 說明消融病灶形成的決定因素（能量、接觸、組織厚度、血流散熱）與「穿壁、連續、持久」的目標。
- 解釋射頻消融的電阻加熱與傳導加熱、灌注導管、接觸力、高功率短時與蒸氣爆裂的機制。
- 解釋冷凍消融的 Joule–Thomson 效應、冷凍黏附、可逆冷凍標測與病灶特性。
- 解釋脈衝電場消融（不可逆電穿孔）的組織選擇性、優勢、新的併發症與現有導管與證據。
- 認識雷射球囊、酒精、立體定位放射與雙極／針狀射頻等其他能量，並能依心律不整類型與解剖選擇能量。
26.1 病灶的目標與決定因素
任何消融的目標都是在正確的位置造成 穿壁（transmural）、連續（contiguous）、持久（durable） 的不可逆組織損傷，同時避開鄰近結構。病灶大小取決於：能量的種類與劑量、電極與組織的接觸（接觸力或貼靠）、施放時間、組織厚度與特性（心房 1–4 mm、心室 5–15 mm、纖維化組織的導熱性）、以及 血流的散熱（heat sink）——血池與冠狀動脈的血流帶走熱（或帶來熱，對冷凍而言），使高血流區的病灶較小。
26.2 射頻（radiofrequency, RF）
機制
350–500 kHz 的交流電由導管尖端電極流向背部的接地貼片（單極）。電流密度在電極周圍 1–1.5 mm 內最高，產生 電阻加熱；更深的組織靠 傳導加熱，因此病灶深度需要時間（30–60 秒達穩態）。組織溫度 ≥ 50 °C 即不可逆壞死；電極–組織界面 > 100 °C 會產生血液凝塊與焦痂（阻抗突升、栓塞風險）；組織內 > 100 °C 則水分沸騰造成 蒸氣爆裂（steam pop）——可聽到聲響、阻抗突升，可能造成組織撕裂、穿孔或心包填塞。
導管與參數
| 類型 | 特性 |
|---|---|
| 非灌注 4 mm 電極（溫控） | 目標 60–70 °C；在高血流區病灶小；適合 AVNRT、旁路 |
| 8 mm 電極 | 病灶大，用於 CTI；電極溫度代表性差 |
| 開放灌注導管（3.5 mm，生理食鹽水沖洗） | 冷卻電極表面 → 可用較高功率而不產生焦痂，病灶更深；但 電極溫度嚴重低估組織溫度，需靠功率、接觸力、時間與指數（AI／LSI）控制 |
| 接觸力導管 | 目標 10–20 g；< 5 g 病灶不可靠；> 40 g 穿孔風險 |
| 高功率短時（HPSD） | 50 W × 5–15 秒；病灶較寬、較淺（電阻加熱為主、傳導加熱少），減少對食道等深部結構的熱傳導，縮短手術時間 |
| 極高功率極短時（vHPSD） | QDOT MICRO：90 W × 4 秒，尖端有多個溫度感測器即時回饋 |
| 半張力食鹽水（half-normal saline）灌注 | 降低血液導電性、增加組織電流密度 → 病灶更大，用於壁內基質；蒸氣爆裂風險增加 |
| 雙極射頻 | 電流在兩支導管尖端之間流動（例如中隔兩側或心內膜–冠狀靜脈），用於厚壁與壁內基質 |
| 針狀射頻 | 可伸出的針電極刺入心肌灌注並加熱，用於壁內 VT 基質（研究與特定中心） |
有效性的指標
阻抗下降（10–15 Ω 表示有效加熱）、局部電圖振幅下降與碎裂、單極電圖變化、消融指數（AI：功率、接觸力、時間的加權；LSI）、病灶間距 ≤ 6 mm、起搏無法奪獲（pacing capture loss）、adenosine 測試休眠傳導、ICE 見到組織回音改變與微氣泡。
鄰近結構的風險
食道（左心房後壁）、橫膈神經、冠狀動脈（主動脈竇、冠狀竇、心外膜、CTI 的右冠狀動脈）、房室結／His、肺靜脈（狹窄）、瓣膜、血栓與栓塞。
26.3 冷凍（cryoablation）
機制
液態 N₂O 在導管尖端膨脹（Joule–Thomson 效應）吸熱，局灶導管尖端可達 −75 至 −80 °C，球囊表面約 −40 至 −60 °C。組織損傷來自細胞內外冰晶形成、細胞膜破裂、微血管損傷與再灌注後的細胞凋亡；需要「冷凍–回溫」循環，常做兩次以加深病灶。
特性
- 冷凍黏附（cryoadhesion）：導管在冷凍時黏在組織上，不會移位，適合活動大的部位（乳頭肌）與需要穩定的部位。
- 可逆冷凍標測（cryomapping）：−30 °C 時效應可逆，可測試病灶是否有效且不造成永久損傷（AVNRT、para-Hisian 旁路）。
- 病灶邊界清楚、組織結構（膠原）保留 → 較少穿孔與肺靜脈狹窄；表面無焦痂 → 血栓栓塞較少；病人疼痛少。
- 缺點：病灶形成慢、在高血流區較小、復發率在部分適應症較高（AVNRT）、冷凍球囊對右橫膈神經有風險（2–4% 麻痺，多恢復）、口徑大（15 Fr 鞘）。
應用
AVNRT 與靠近 His 的旁路／AT（安全性）、兒童、冷凍球囊肺靜脈隔離（第 15 章）、乳頭肌 VT（黏附）、外科（冷凍探針）。
26.4 脈衝電場（pulsed field ablation, PFA）
機制
以 微秒級、高電壓（約 1–2 kV）、雙相雙極 的電脈衝造成細胞膜的 不可逆電穿孔（irreversible electroporation）：膜上形成奈米孔洞，離子恆定失衡，細胞在數小時至數天內經凋亡與壞死死亡。過程幾乎 不產熱（非熱能），因此沒有熱傳導到鄰近結構的問題。
組織選擇性
不同組織的電穿孔閾值不同：心肌細胞的閾值最低（約 400 V/cm），食道、神經、血管平滑肌與冠狀動脈的閾值高得多，因此在心肌有效劑量下相對被保留——這是 PFA 對食道、橫膈神經與肺靜脈狹窄幾乎零風險的基礎。病灶深度部分取決於電場分布而非只靠接觸，但接觸與距離仍影響效果。
優勢與新的問題
| 優勢 | 需注意的問題 |
|---|---|
| 極快（PVI 常在 20–30 分鐘內完成） | 需全身麻醉或深度鎮靜（骨骼肌收縮、疼痛）與肌肉鬆弛 |
| 食道損傷、橫膈神經麻痺、肺靜脈狹窄極罕見 | 冠狀動脈痙攣（尤其靠近右冠狀動脈的 CTI 與迴旋支附近的二尖瓣峽部；預防性 nitroglycerin） |
| 病灶邊界均勻、隔離持久性佳（再標測系列顯示高比例持久隔離） | 溶血（紅血球電穿孔）→ 血紅素尿與急性腎損傷，施放次數多（> 70–100 次）時風險上升；水化與限制次數 |
| 學習曲線短、可重複 | 微氣泡與無症狀腦部病灶（與熱能相當）、需與 R 波同步避免誘發 VF、對 CIED 的干擾（理論上）、極高劑量下仍有食道損傷報告 |
| 對心外膜脂肪與纖維化組織的穿透較好（研究中） | 長期（> 3–5 年）資料與最佳劑量仍在累積；病灶深度上限（約 4–6 mm）使心室應用仍在研究 |
導管與證據
- FARAPULSE（Boston Scientific）：五瓣花狀 Farawave（可變為籃狀／花狀）；ADVENT 隨機試驗不劣於熱能（RF／冷凍），MANIFEST-PF／17K 大型登錄安全性佳。
- PulseSelect（Medtronic）：環狀 9 極；PULSED AF 試驗。
- Varipulse（Biosense Webster）：可變環狀，整合 CARTO；inspIRE／admIRE 試驗。
- Sphere-9／Affera（Medtronic）：球形晶格，可 RF 或 PFA，整合標測；SPHERE Per-AF 試驗。
- 局灶 PFA（Centauri／Galaxy 產生器搭配標準局灶導管、Sphere-9、其他）：可做線性與 VT／CTI 等應用。
- 目前 PFA 的核准適應症以 AF（肺靜脈隔離、部分後壁與 CTI）為主；VT 與其他部位在臨床試驗中。
26.5 其他能量
| 能量 | 機制與現況 |
|---|---|
| 雷射球囊（HeartLight） | 980 nm 二極體雷射、內視鏡直視下逐段消融；PVI 結果與 RF 相當，使用較少 |
| 高強度聚焦超音波（HIFU） | 因心房食道瘻管與橫膈神經損傷而退出市場 |
| 微波 | 歷史性；外科應用 |
| 酒精（化學消融） | 經冠狀動脈（中隔 VT、HCM 中隔）或 逆行冠狀靜脈酒精灌注（LV summit、壁內 VT）、Marshall 靜脈酒精（二尖瓣峽部阻滯、持續性 AF）；第 27 章 |
| 立體定位放射消融（STAR／cardiac radioablation） | 單次 25 Gy 的立體定位體部放射治療對 VT 基質；機制不只是纖維化，早期即改變傳導（Notch 路徑、Cx43 上調）；用於難治性 VT（ENCORE-VT：VT 減少約 90%）；晚期副作用（心包炎、肺炎、食道炎、瓣膜／冠狀動脈損傷）；隨機試驗進行中；第 27 章 |
| 外科能量 | 雙極射頻鉗、冷凍探針（Cox-Maze IV）、外科直視下的心外膜冷凍 |
26.6 依心律不整選擇能量
| 心律不整 | 首選 | 替代／特殊情況 |
|---|---|---|
| AVNRT | RF（慢徑） | 冷凍（兒童、靠近 His、病人在意房室阻滯） |
| 旁路 | RF | 冷凍（para-Hisian、冠狀竇內）；低功率 RF |
| 典型撲動（CTI） | 灌注或 8 mm RF | PFA（新核准）、冷凍 |
| 心房顫動（PVI） | RF（接觸力 + 指數）、冷凍球囊、PFA 三者相當 | PFA 對食道／橫膈神經安全；冷凍球囊單次施放；RF 最靈活 |
| 局灶 AT | RF | 冷凍（靠近 His、橫膈神經） |
| 特發性 VT／PVC | 灌注 RF | 冷凍（乳頭肌）；主動脈竇低功率 |
| 疤痕 VT | 灌注 RF（心內膜 ± 心外膜） | 雙極 RF、針狀 RF、半張力食鹽水、酒精、STAR（壁內／難治） |
| Brugada 心外膜基質 | 灌注 RF | — |
| 兒童 | 冷凍優先於靠近傳導系統的部位 | RF |
26.7 一般心臟科醫師如何看待「新能量」
能量的選擇由三件事決定：解剖與鄰近結構的風險（食道→ PFA 或冷凍；His → 冷凍）、病灶需求（深而壁內 → RF 進階技術；薄壁廣泛 → PFA／冷凍球囊）、中心的經驗與設備。對病人說明時，強調三種 AF 消融能量的成功率相近，差異在併發症的種類；對 VT 則說明壁內基質可能需要多種能量與多次手術。
一般心臟科醫師的臨床重點
- 射頻：電阻加熱 + 傳導加熱；灌注導管讓功率提高但電極溫度不可信，靠接觸力、功率、時間與指數；蒸氣爆裂是穿孔的主因之一。
- 冷凍：黏附穩定、可逆標測、少焦痂與穿孔，適合靠近 His 與兒童；復發略高、對橫膈神經有風險（球囊）。
- PFA：非熱、心肌選擇性，食道／橫膈神經／肺靜脈狹窄幾乎零風險；新風險是冠狀動脈痙攣、溶血與腎損傷，需全麻。
- 三種 AF 消融能量成功率相近，差在併發症型態；VT 的壁內基質需要雙極、針狀、酒精或放射等進階能量。
- 高功率短時射頻是「更淺更寬更快」，不是「更深」。
參考資料與延伸閱讀
- Haines DE. The biophysics of radiofrequency catheter ablation in the heart: the importance of temperature monitoring. Pacing Clin Electrophysiol 1993;16:586–591；及 Haines DE. Biophysics of ablation: application to technology. J Cardiovasc Electrophysiol 2004;15:S2–S11.
- Andrade JG, et al. The biophysics and biomechanics of cryoballoon ablation. Pacing Clin Electrophysiol 2012;35:1162–1168.
- Reddy VY, et al. Pulsed field ablation for pulmonary vein isolation in atrial fibrillation. J Am Coll Cardiol 2019;74:315–326.
- Verma A, et al. Pulsed field ablation for the treatment of atrial fibrillation: PULSED AF pivotal trial. Circulation 2023;147:1422–1432.
- Ekanem E, et al. Safety of pulsed field ablation in more than 17,000 patients with atrial fibrillation in the MANIFEST-17K study. Nat Med 2024;30:2020–2029.
- Leshem E, et al. High-power and short-duration ablation for pulmonary vein isolation: biophysical characterization. JACC Clin Electrophysiol 2018;4:467–479.
- Robinson CG, et al. Phase I/II trial of electrophysiology-guided noninvasive cardiac radioablation for ventricular tachycardia (ENCORE-VT). Circulation 2019;139:313–321.
- Huang SKS, Miller JM (eds). Catheter Ablation of Cardiac Arrhythmias, 4th ed. Elsevier, 2019. Chapters on biophysics of RF, cryoablation and alternative energy sources.
回家作業
每題為單選題（single best answer），請先作答，再展開詳解。
題目 26-1
關於脈衝電場消融（PFA）的敘述，下列何者 正確？
- (A) PFA 以高溫使組織凝固壞死，因此需要灌注導管冷卻電極
- (B) PFA 造成不可逆電穿孔，心肌細胞的閾值低於食道、神經與血管，因此對食道與橫膈神經相對安全，但需注意冠狀動脈痙攣與溶血
- (C) PFA 完全不需要鎮靜或麻醉
- (D) PFA 的肺靜脈隔離成功率遠高於射頻與冷凍球囊
- (E) PFA 沒有腦部微栓塞的風險
顯示詳解
正確答案：(B)
解題思路
PFA 以微秒級高電壓雙相脈衝造成細胞膜不可逆電穿孔，過程幾乎不產熱。組織選擇性來自不同組織的電穿孔閾值差異：心肌最低（約 400 V/cm），食道、神經、血管平滑肌與冠狀動脈高得多，因此在心肌有效劑量下相對被保留——這解釋了 PFA 幾乎沒有心房食道瘻管、橫膈神經麻痺與肺靜脈狹窄。新的問題包括：靠近冠狀動脈施放時的痙攣（預防性 nitroglycerin）、紅血球電穿孔造成的溶血與急性腎損傷（施放次數多時）、以及與熱能相當的無症狀腦部病灶。
各選項解析
- (A) 錯誤，PFA 是非熱能。
- (B) 正確。
- (C) 錯誤。脈衝會引起骨骼肌收縮與疼痛，需要全身麻醉或深度鎮靜。
- (D) 錯誤。ADVENT 等試驗顯示 PFA 與熱能的一年成功率相當，差異在併發症型態與手術時間。
- (E) 錯誤。PFA 也會產生微氣泡與無症狀腦部病灶，發生率與熱能相近。
延伸學習
PFA 目前的核准適應症以 AF 的肺靜脈隔離（部分含後壁與 CTI）為主；心室的應用受病灶深度上限（約 4–6 mm）限制，仍在臨床試驗中。
題目 26-2
進行左心房後壁的射頻補消融時（灌注導管、40 W、接觸力 35 g、已放電 45 秒），突然聽到「啪」的一聲，同時阻抗曲線出現尖峰。最可能發生了什麼，以及應該立即做什麼？
- (A) 導管尖端形成焦痂；提高功率繼續放電
- (B) 組織內蒸氣爆裂（steam pop）；立即停止放電，以心腔內超音波與血壓監測評估心包積液，並檢視該區組織
- (C) 正常的病灶形成訊號；繼續放電至 60 秒
- (D) 冠狀動脈痙攣；給予 nitroglycerin
- (E) 食道穿孔；立即安排內視鏡
顯示詳解
正確答案：(B)
解題思路
聲響加阻抗尖峰是 蒸氣爆裂 的典型表現：組織內溫度超過 100 °C 使水分沸騰、氣體突然膨脹，可造成組織撕裂、穿孔與心包填塞。風險因子是高功率、高接觸力（本例 35 g 偏高）、長時間、灌注導管（電極溫度低估組織溫度）與半張力食鹽水。正確反應是立即停止放電，用 ICE 與血行動力學監測評估心包積液（可能延遲出現，術後也要持續觀察），並避免在同一點以相同參數重複放電。左心房後壁薄，通常應使用較低功率、較短時間或改用高功率短時策略。
各選項解析
- (A) 焦痂造成的是阻抗逐漸上升而非聲響與尖峰，且處理是停止放電清理電極，不是提高功率。
- (B) 正確。
- (C) 正常病灶形成是阻抗平穩下降 10–15 Ω。
- (D) 冠狀動脈痙攣是 PFA 的問題，且不會有聲響。
- (E) 食道損傷不會即時以聲響表現；不過後壁消融後仍應警覺食道併發症。
延伸學習
灌注射頻的安全參數：後壁功率 25–35 W（或 HPSD 50 W × 5–10 秒）、接觸力 10–20 g、以 AI 400 為目標；食道溫度監測；避免在同一點反覆放電。ICE 是術中最早偵測心包積液的工具。