從超聲波到高強度聚焦超聲消融技術

劉紅 孫濤 趙立強 劉艷 北京物資學院物流學院,北京 101149

從超聲波到高強度聚焦超聲消融技術

劉紅 孫濤 趙立強 劉艷 北京物資學院物流學院,北京 101149

本文介紹了從超聲波的發(fā)現(xiàn)到用以超聲波為主角的無創(chuàng)手術，一種沒有創(chuàng)傷，沒有放射性，沒有化學傷害，在治療時不輸血，減少麻醉，手術后減少廣譜抗生素用量的醫(yī)療技術，中國人首創(chuàng)，10年臨床經驗。

超聲波；超聲消融

科學以神奇的力量改變著我們的生活，本文的寫作是處于一個偶然的原因，無意接觸到HIFU，通過整理前后資料，將與每個人健康有關系的大事介紹清楚，因為這里有許多物理術語，讀到術語，每個人并不一定能理解，有時甚至會誤解，所以通過學物理人的解讀，有助于理解，達到爽心悅目的效果。

1 超聲波的發(fā)現(xiàn)

超聲波是一種波，顧名思義，超過聲音頻率，是我們聽不見的一種波，我們耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000Hz。頻率高于20000赫茲的聲波，其每秒的振動次數(shù)（頻率）較高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），所以叫超聲波，雖然聽不見，但超聲波是一種機械波，不含放射線，對人體無任何傷害。雖然說人類聽不出超聲波，但不少動物卻有感覺到它的本領。它們可以利用超聲波“導航”、追捕食物，或避開危險物。比如蝙蝠能發(fā)出2萬～10萬赫茲的超聲波，利用這種“聲吶”判斷飛行前方是昆蟲，還是障礙物，如同一座活動的“雷達站”。

人類在第一次世界大戰(zhàn)時開始利用超聲波，利用“聲吶”的原理來探測水中目標及其狀態(tài)，如潛艇的位置等，此時人們向水中發(fā)出一系列不同頻率的超聲波，然后記錄與處理反射回聲，從回聲的特征我們便可以估計出探測物的距離、形態(tài)及其動態(tài)改變。在醫(yī)學上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲技術掃描腦部結構；60年代醫(yī)生們開始將超聲波應用于腹部器官的探測。自19世紀末到20世紀初，在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產生超聲波的辦法，從此迅速揭開了超聲技術的新篇章。國內超聲治療起步于20世紀50年代初，從1950年開始，用800KHz頻率的超聲治療機治療多種疾病，到了70年代有了各型國產超聲治療儀，40多年來，全國各大醫(yī)院已積累了相當數(shù)量的資料和豐富的臨床經驗。特別是80年代出現(xiàn)的超聲體外機械波碎石術和超聲外科等技術。

2 高強度聚焦超聲消融技術

能不能有一種從體外照射，就能把身體內部的病治好的技術呢？聽上去似乎天方夜譚，但這種技術已經存在，而且是由中國人首創(chuàng)的，不出國，在家門口就能體驗到無創(chuàng)手術的神奇。近10年來，外科手術已經發(fā)生了巨大的變化，從用刀切開傷口的巨創(chuàng)手術，到從身體打洞把腹腔鏡放入體內的微創(chuàng)手術，再到用高強度超聲聚焦的無創(chuàng)手術，病人可以對自己的治病方案做出選擇，了解現(xiàn)代外科手術的發(fā)展現(xiàn)狀和先進的醫(yī)療設備所在地，對病人提出了高要求。不同醫(yī)院不同科室的醫(yī)生往往會根據自己科室現(xiàn)有的設備，提供一個治療方案，而對更好的方案只字不提，甚至假裝不了解或真的不了解，比如在北京第二炮兵總醫(yī)院婦產科大夫就不知道在同家醫(yī)院的肝膽外科可以無創(chuàng)治療子宮肌瘤這件事，說那是治療癌癥的，她們用留疤的射頻技術，病人這時如要不清醒，很可能誤上手術臺，造成終生不育的后果。病人在就醫(yī)之前就要做好功課，了解最新技術，要具體到哪家醫(yī)院和哪個科室，甚至那個大夫，做一個高級病人，不能隨便把自己交代給一個不了解的醫(yī)生。一般級別越高的醫(yī)院設備越好，醫(yī)院的宣傳對病人也是很重要的。

在理想聲場中，低能量的超聲波通過聚焦可在焦點處形成一個強度相對較高的區(qū)域，超聲和可聞聲本質上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質內傳播，超聲波頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，人們把焦點附近聲強大于空間峰值聲強50%的空間范圍叫做海扶的聲焦域，海扶，英文HIFU（High Intensity Focused Ultrasound的縮寫），即高強度聚焦超聲也就是超聲聚焦消融，像看到B超這兩個字一樣，看到HIFU就明白是特指這個技術，其原理與太陽光經放大鏡聚焦后點燃在焦點處的紙片的原理相似，利用超聲波可通過人體組織，并聚焦在特定靶區(qū)，將能量聚集到足夠的強度，使焦點區(qū)域達到瞬間高溫，破壞靶區(qū)組織，在組織病理學上表現(xiàn)為凝固性壞死，也叫消融，達到破壞病變區(qū)域的目的，而病變區(qū)域外的組織沒有損傷，超聲波是透過非治療區(qū)進入治療區(qū)，治療區(qū)與非治療區(qū)的邊界只有6到10個細胞的寬度。理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大，超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

利用超聲波極強的穿透力，通過超聲發(fā)射器發(fā)射的數(shù)百束高能超聲波（相當于5 萬臺普通 B 超機），像聚集太陽能一樣使焦點匯集在腫瘤組織上，利用高能超聲空化作用使腫瘤組織細胞膜破裂，同時高能超聲波釋放出巨大能量迅速轉化為熱能，瞬間焦點處腫瘤組織的溫度達 65 ℃-100 ℃，通過高溫來破壞腫瘤組織，導致蛋白變性，使靶組織發(fā)生不可逆的凝固性壞死，有效地殺死瘤細胞，同時能選擇性破壞直徑2毫米以內的小腫瘤血管，對更大的血管幾乎無損傷。比如子宮肌瘤手術，通過阻斷肌瘤血液供應，不開刀、不流血、不切除子宮，以點線面體的方式一次性治療體積較大、形態(tài)各異的肌瘤。治療時一方面肌瘤細胞發(fā)生凝固性壞死；另一方面其自身的供血血管也處于閉塞凝固狀態(tài)，使肌瘤細胞失去營養(yǎng)，兩方面因素協(xié)同作用，最終導致肌瘤細胞死亡，在代謝過程中脫落或被吸收甚至消失，使病變結構功能恢復正常。

超聲波用于治療始于1942年，Lynn將超聲波聚焦于活體動物腦部，并提出了用高強度聚焦超聲從體外對體內進行無創(chuàng)性手術的設想。1958年Fry等在去顱骨的情況下，將聚焦超聲用于治療帕金森病等神經系統(tǒng)性疾病。由于超聲消融的復雜性，特別是超聲波進入生物組織后致凝固性壞死的不可預測性，以及如何監(jiān)控靶點，使超聲消融治療腫瘤成為一個多因素復雜問題。上世紀50年代，美國科學家Fry兄弟首次提出將聚焦超聲用于治療腫瘤的構想，并進行了初步探索。這一構想主要是利用超聲波具有組織穿透性和能量沉積性的特點，將體外發(fā)生的超聲波聚焦到體內病變組織，利用聚焦點的高溫直接“燒死”病變細胞。1993年Sibille 等用“高溫（40～45℃）”的超聲作用于組織后發(fā)現(xiàn)，這一溫度不能引起組織的即刻損害，但這一效應可以作為強化放療、化療的輔助治療手段。超聲聚焦在組織內形成損傷。主要機制是熱，當有空化效應發(fā)生時，損傷形態(tài)和大小發(fā)生改變，控制損傷的形態(tài)、大小是當時的研究難題。Adams等認為換能器發(fā)出的超聲波要損傷組織，除了焦距、組織特征的影響外，還與超聲能量和組織的相互作用有關。Ter Haar等認為聚焦超聲用于臨床使用需要對超聲在組織內的作用有足夠的了解。Goldberg等認為Pennes生物熱方程已經考慮了影響凝固性壞死的主要因素。簡單地說，對一個組織凝固性壞死的熱劑量等于能量沉積乘以局部組織的吸收系數(shù)減去致熱損害前的熱丟失。1988年，王智彪萌發(fā)了用高強度聚焦超聲，從體外對體內腫瘤進行非侵入切除的靈感。在之后的10年中，他和他的團隊在該領域提出了，“生物學焦域”即HIFU單次輻照后，超聲能量在生物組織中沉積所形成的點狀凝固性壞死；“超聲治療劑量學” 即每切除1 mm3需要的焦耳超聲能量，并得到了在動物不同組織中能效因子的數(shù)據；“組織聲環(huán)境”即探討引起組織聲環(huán)境變化的因素和規(guī)律，并用物理或化學方法改變組織聲環(huán)境，可大大提高治療效率，增加超聲治療的有效性和安全性，建立標準化治療模式等概念。在實時超聲監(jiān)控、治療系統(tǒng)優(yōu)化、遠程醫(yī)療系統(tǒng)、臨床方案等方面，積累了很多臨床病例，在該領域的設備研制、臨床應用及若干基礎研究方面走在世界前列。

在九十年代中期，超聲專家就開始聚焦超聲對香豬子宮的凝固性壞死進行研究。從肌肉對超聲是否敏感，到詳細的劑量問題，即多少的劑量可以將病灶徹底消融，超聲治療專家做了幾百頭香豬實驗，之后開始著手于猴子實驗。把在香豬試驗中篩選的劑量，應用在猴子身上，因為靈長類的子宮，跟人的相對比較接近，讓猴子的子宮增大，增大以后用超聲聚焦進去，將它消融一大塊。消融以后，將猴子養(yǎng)起來，讓凝固性壞死組織慢慢吸收，吸收以后，還讓猴子受孕，懷孕了以后再觀察是不是能生育，修復的子宮是不是能夠承受胎兒的長大，妊娠以及分娩的收縮，在猴子身上完整的做了這個過程，結果都很好，經過超聲消融治療后，猴子卵巢功能和其他的臟器沒有影響。在大量的動物實驗基礎上，通過國家的準許，超聲專家開始做臨床試驗，北京301醫(yī)院的汪偉教授，在2002年發(fā)表了首篇采用超聲消融技術治療子宮肌瘤的文章。子宮肌瘤是個良性疾病，在8～9年前，要讓組織內焦點形成凝固壞死，病人疼痛感還是很明顯的，開始的治療是需要全身麻醉，最近幾年年，可以不用全身麻醉而只是在鎮(zhèn)靜陣痛。100多年前，子宮肌瘤的經典治療方法是子宮切除術，這個手術挽救了許多因為子宮肌瘤引起的嚴重失血患者的生命。后來小切口的子宮切除術、筋膜內子宮切除術、陰式子宮切除術；腹腔鏡技術更是延伸了醫(yī)師的手，推動了微創(chuàng)外科的發(fā)展。而高強度聚焦超聲消融技術治療子宮肌瘤的方法，則改變了侵入性治療模式，完全無器械進入人體，應用磁共振成像（MRI）監(jiān)控的HIFU腫瘤治療系統(tǒng)，可以實時反映治療靶區(qū)的平均溫升，反饋調節(jié)治療劑量，最后看到血供完全被切斷，宣布手術成功。因為切斷血供會疼痛，在手術時用一些麻醉藥，術后一天疼痛會緩解，因為沒有傷口，不需要長時間輸液，根據情況，口服三天消炎藥。

超聲消融技術也有局限，比如對癌腫的切除，只是切除，并不是針對癌變發(fā)生的病因、病理進行阻擊。手術對病人要篩選，超聲消融技術的非侵入性特點，需要病人滿足聲通道安全和靶點能量快速而足夠的沉積以及消融后吸收的要求。超聲消融是通過“刀尖”對組織的熱切除，當聚焦效果不好或“刀尖”漂移對非計劃治療組織也有造成損傷的可能，甚至損傷后需要外科手術治療。因此，超聲消融治療仍然要在微創(chuàng)、無創(chuàng)外科理念下，最大限度地破壞病灶、最大限度地保護正常組織。目前超聲消融的適應證有：肝臟腫瘤：肝臟良、惡性腫瘤；骨腫瘤：除顱骨和脊柱以外的原發(fā)性和轉移性骨腫瘤；乳腺腫瘤：乳腺良、惡性腫瘤；胰腺癌：無黃疸的胰腺癌或經過減黃治療后的胰腺癌；腎臟腫瘤：腎臟良、惡性腫瘤（有腎靜脈和下腔靜脈癌栓者除外）；軟組織腫瘤：軟組織良、惡性腫瘤；子宮肌瘤；良性前列腺增生和前列腺癌；具有良好超聲通道的腹膜后或腹盆腔實體腫瘤。禁忌證：含氣空腔臟器的腫瘤；中樞神經系統(tǒng)的腫瘤；治療相關區(qū)域存在皮膚破潰或感染時；治療相關區(qū)域皮膚接受過45Gy以上放療時；超聲治療的通道中存在腔靜脈系統(tǒng)栓子時；超聲治療的通道中存在顯著鈣化的動脈血管壁時；有重要臟器功能衰竭的患者；有嚴重凝血功能障礙的患者；不能耐受相應麻醉的患者；機載定位影像系統(tǒng)不能清晰顯示的腫瘤。

除中國學者報告的超聲消融技術臨床應用成果外，各國學者在利用超聲消融技術治療胰腺癌、腎癌等也取得成果。高強度聚焦超聲技術為主體的無創(chuàng)治療將成為世界醫(yī)療的新趨勢。如果超聲波能穿越人體內氣泡、骨骼等天然障礙物，顱腦腫瘤將不再是超聲消融手術的禁區(qū)。目前治療癌癥還是超聲消融技術的主要目標，但在將來，它將得到更大范圍的應用，就像科幻片《星球大戰(zhàn)》里演的一樣，患者被推到儀器下面掃描一下，得到一個整體的影像，據此就能告訴病人身體里面發(fā)生了什么異常，然后直接從體外處理一下，疾病就消除了，這就是超聲消融設備要做的事情。米蘭大學放射學奧爾西教授說，海扶超聲聚焦刀具有一個手術治療沒有的優(yōu)勢，就是對早期極其微小的癌細胞的消除，對于這些極其微小的早期腫瘤，手術治療是不可能的，在這個階段用傳統(tǒng)手術治療也是沒有道理，而超聲消融將在攻克這一難題上有著令人振奮的前景。超聲波為主角的無創(chuàng)手術，能實現(xiàn)一種沒有創(chuàng)傷，沒有放射性，沒有化學傷害，在治療時不輸血，減少麻醉，手術后減少廣譜抗生素用量的醫(yī)療技術。

[1]王智彪.發(fā)展超聲消融技術 推動微創(chuàng)外科進步.中華婦產科雜志.2011（6）

[2]李發(fā)琪.高強度聚焦超聲(HIFU)腫瘤熱消融技術的關鍵問題簡析.中華肝膽外科雜志.2011（2）175～176

[3]高強度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)臨床應用指南（試行）.中華醫(yī)學雜志NATIONAL MEDICAL JOURNAL OF CHINA.2005年第12期

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.014

劉紅（1966-），女，湖北省鄂州人，博士，副教授，主要從事基礎物理學的教學。