高強(qiáng)度聚焦超聲殼式輻照離體牛肝組織的實(shí)驗(yàn)研究

銀麗，鄒建中，伍烽，卜銳，王琦，劉芳

（重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，省部共建超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，超聲醫(yī)學(xué)工程重慶市市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 4 0 0 0 1 6）

高強(qiáng)度聚焦超聲（high-intensity focused ultrasound，HIFU）治療腫瘤常規(guī)采用“線—面—體”輻照方式，由深至淺逐層覆蓋腫瘤組織，其療效肯定［1］。但其治療效率有待提升，特別是對于體積較大的腫瘤，要高劑量、長時間才能達(dá)到治療目的，且產(chǎn)生并發(fā)癥的風(fēng)險隨著投放劑量和輻照時間的增加而增大［2］。因此，尋找更為有效的HIFU輻照方式來提高治療效率，是HIFU臨床應(yīng)用中急待解決的問題。本文探索一種新的輻照方式，即HIFU殼式輻照，通過輻照感興趣區(qū)的周邊而中心區(qū)域不進(jìn)行輻照，使周邊形成完整封閉的凝固性壞死帶，將中心區(qū)域和靶區(qū)外周組織完全隔離，阻斷中心區(qū)域血供，使之缺血、缺氧、壞死。本文通過比較殼式輻照與傳統(tǒng)式輻照對離體牛肝組織的影響，探討殼式輻照的優(yōu)勢，為HIFU殼式輻照治療腫瘤提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)資料。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

屠宰后5 h內(nèi)的新鮮離體牛肝臟，切成約120 mm×100 mm×50 mm大小的組織塊，共30例，隨機(jī)分為2組：殼式輻照組15例，進(jìn)行殼式輻照；傳統(tǒng)式輻照組15例，進(jìn)行全覆蓋式輻照。輻照前需將組織塊浸泡在0.9%的生理鹽水中、復(fù)溫（室溫20℃）、在-0.05~0.1 MPa壓力下常規(guī)脫氣40 min后備用。

JC200型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)，由重慶海扶醫(yī)療科技股份有限公司制造，治療頭焦距140 mm，頻率1.0 MHz；日本Olympus BX51光學(xué)顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前測定輸出功率，修正開機(jī)誤差。設(shè)定2組的感興趣區(qū)體積均為40 mm×27 mm×24 mm的長方體區(qū)域。在X、Y、Z 3個方向移動治療頭，通過B超監(jiān)控使HIFU的焦點(diǎn)可定位于組織中不同深度處，根據(jù)由深至淺的原則，將感興趣區(qū)分為4個不同深度的區(qū)域進(jìn)行輻照，分別為40、32、24和16 mm，相應(yīng)深度的輻照聲功率為350（24 880.57 W/cm2）、350、350 和 300 W（21 326.21 W/cm2），對應(yīng)深度的治療頭移動速度為4、5、6和5 mm/s。每兩條線的線間隔時間為5 min。

表1 兩種輻照方式的輻照時間和E E F的比較T a b.1 C o mp a r i s o n o f e x p o s u r e t i me a n d E E F

1.2.1 HIFU殼式輻照：定義殼式輻照組的4個輻照層由深至淺分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。感興趣區(qū)周邊完整封閉地輻照一遍，而中心區(qū)域不進(jìn)行輻照。Ⅰ和Ⅳ完全覆蓋式輻照整個XY面，線間隔距離分別為3和5 mm；Ⅱ和Ⅲ輻照感興趣區(qū)周邊（圖1A）。

1.2.2 HIFU傳統(tǒng)式輻照：定義傳統(tǒng)式輻照組由深至淺的4個輻照層為1、2、3、4。逐層全覆蓋式輻照4個深度的XY面，每層的線間隔距離分別為3、4、4和 5 mm（圖 1B）。

1.3 觀察記錄指標(biāo)

1.3.1 輻照時間：記錄各組的輻照時間。

1.3.2 總輻照能量和凝固性壞死體積：記錄各組的總輻照能量和凝固性壞死體積，并根據(jù)二者分別計算各組的EEF值，EEF指損傷單位體積的腫瘤（組織）所需的超聲能量。輻照后即刻先將牛肝組織沿靶體的6個面切開，再沿Z軸薄層切開靶體，每層層厚2~3 mm。觀察輻照后的壞死組織呈灰白色［3］，未壞死組織呈紅色。殼式輻照組通過測出灰白區(qū)外圍和中心紅色區(qū)的長、寬、高，以公式V=長×寬×高分別計算出兩個區(qū)域的體積并相減，計算凝固性壞死的體積。如果紅色中心區(qū)為不規(guī)則形，通過割補(bǔ)、剪切的方法將其轉(zhuǎn)化為規(guī)則形，用面積×高的公式計算紅色區(qū)域體積；傳統(tǒng)式輻照組通過測量灰白區(qū)的長、寬、高，用同一公式計算出凝固性壞死體積。再以公式 EEF= η·P·t/V［4］計算能效因子，η 為 HIFU換能器聚焦系數(shù)，P（W）為聲功率，t（s）為輻照時間，V（mm3）為凝固性壞死體積。

1.3.3 病理組織學(xué)觀察：殼式輻照組取輻照區(qū)、中心未輻照區(qū)、輻照區(qū)與外周交界處牛肝組織，傳統(tǒng)式輻照組取輻照區(qū)、輻照區(qū)與外周交界處牛肝組織，將兩組所取牛肝組織常規(guī)HE染色、光鏡觀察。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

結(jié)果均以x±s表示，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理。2組間均數(shù)比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩種輻照方式的輻照時間和EEF的比較

2組凝固性壞死體積的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）；殼式輻照組的總輻照劑量、輻照時間和EEF較傳統(tǒng)式輻照組都有所減少（P<0.05）。見表1。

2.2 肉眼及光鏡觀察

殼式輻照組肉眼觀察可見輻照區(qū)形成完整封閉的凝固性壞死帶，中心未輻照區(qū)呈現(xiàn)凝固性壞死，輻照區(qū)與外周組織界限清晰（圖2A）。光鏡下可見輻照區(qū)細(xì)胞結(jié)構(gòu)消失，呈片狀紅染物；中心未輻照區(qū)域細(xì)胞膜連續(xù)性消失，細(xì)胞核固縮、碎裂、溶解，或見篩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；輻照區(qū)與外周交界處可見清晰界限（圖3）。

傳統(tǒng)式輻照組肉眼觀察可見輻照區(qū)全部發(fā)生凝固性壞死，輻照區(qū)與外周交界處界限較為清晰（圖2B）。光鏡下可見輻照區(qū)細(xì)胞核深染、固縮，甚至溶解、消失；輻照區(qū)與外周交界區(qū)界限清晰（圖4）。

3 討論

HIFU利用超聲波的組織穿透性、方向性和聚焦性使超聲能量聚焦于靶區(qū)，使靶區(qū)組織在0.5~1.0 s內(nèi)迅速升溫至60℃以上，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，靶區(qū)組織發(fā)生不可逆的凝固性壞死。它作為一種非侵入性局部治療腫瘤的技術(shù)，具有定位準(zhǔn)確、無放射性等優(yōu)點(diǎn)，在臨床應(yīng)用中的療效肯定。但受限于超聲波本身的傳播特性，聲能在傳播過程中會出現(xiàn)衰減［5］，輻照效率不高，為了達(dá)到治療目的常需要高劑量和長時間輻照，隨之產(chǎn)生的是并發(fā)癥風(fēng)險的增加、操作人員的過度疲勞。近年來，提高HIFU輻照效率的研究多集中在通過改變組織聲環(huán)境以實(shí)現(xiàn)HIFU增效的方面，但存在一定的不安全性、外來物質(zhì)的不穩(wěn)定性、操作復(fù)雜等弊端［6~9］。所以，本實(shí)驗(yàn)探索一種新的HIFU輻照方式，即殼式輻照，通過減少輻照時間和投放的能量，達(dá)到提高治療效率的目的。

殼式輻照方式通過不輻照中心區(qū)，第一，減少了總的輻照能量；第二，減少了輻照時間。并且感興趣區(qū)的體積越大，殼式輻照的中心區(qū)體積也隨之增大，減少輻照能量和時間的優(yōu)勢更加明顯。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2組凝固性壞死體積無明顯差異，而殼式輻照組投放的能量少于傳統(tǒng)式輻照組，以致殼式輻照組的能效因子明顯少于傳統(tǒng)式輻照組，所以當(dāng)形成相同體積的凝固性壞死組織時，殼式輻照較傳統(tǒng)方式輻照所需要的能量更低。而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的機(jī)制可能是：第一，靶組織在發(fā)生凝固性壞死的同時，周圍組織也隨凝固性壞死區(qū)的不斷擴(kuò)大和溫度的不斷增高發(fā)生變化，熱傳導(dǎo)作用使熱能從焦域內(nèi)的高溫區(qū)向未輻照的中心低溫區(qū)擴(kuò)散；第二，由于凝固性壞死組織聲衰減系數(shù)和聲吸收系數(shù)比周圍組織增大［10］，當(dāng)聲波在聚焦后繼續(xù)傳播過程中到達(dá)已發(fā)生凝固性壞死的界面時，容易在此界面處產(chǎn)生大幅度吸收，使聲能大量積聚在未輻照的中心區(qū)域；第三，未輻照的中心區(qū)域位于聚焦聲束途徑上，輻照靶區(qū)的過程中超聲能量在聲束途徑上被吸收，當(dāng)能量積聚到一定程度時可使聲束途徑區(qū)域產(chǎn)生不同程度的損傷甚至發(fā)生凝固性壞死。

HIFU殼式輻照靶區(qū)為了形成完整封閉的凝固性壞死帶，在盡量減少輻照劑量的前提下，需要調(diào)整不同深度的最佳聲功率（聲強(qiáng)）、治療頭移動速度、線間距離、層間距離和線間隔時間的組合。實(shí)驗(yàn)中不同深度的聲功率和治療頭移動速度是根據(jù)每個深度形成的單條線狀凝固性壞死的Z軸徑線和Y軸徑線來調(diào)整，使層間距離小于或等于Z軸徑線，線間距離小于或等于Y軸徑線，以達(dá)到凝固性帶完全“封閉”的效果。而當(dāng)線間隔時間減少時，由于熱擴(kuò)散和熱積聚的影響增大，可適當(dāng)增大層間距離和線間距離，也可達(dá)到“封閉”效果，但熱量的擴(kuò)散呈非線性規(guī)律，形態(tài)不規(guī)則，不易控制，可能造成感興趣外周組織的損傷。

本實(shí)驗(yàn)為全新的HIFU輻照方式應(yīng)用于臨床提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，展示了HIFU殼式輻照潛在臨床應(yīng)用價值。但殼式輻照畢竟是一種新的輻照方式，存在一定的問題，如實(shí)驗(yàn)資料建立在離體組織上，缺少活體生物血液循環(huán)、呼吸運(yùn)動，聲束聚焦途徑復(fù)雜性等問題，以上問題都有待進(jìn)一步探索。

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