高強(qiáng)度聚焦超聲在腫瘤治療中的應(yīng)用研究

王維紅

高強(qiáng)度聚焦超聲在腫瘤治療中的應(yīng)用研究

王維紅①

探討高強(qiáng)度聚焦超聲的結(jié)構(gòu)與原理及其在治療惡性腫瘤方面的價(jià)值及未來(lái)發(fā)展方向。高強(qiáng)度聚焦超聲治療是利用超聲波的生物溫?zé)嵝?yīng)，將高強(qiáng)度的超聲波聚焦于病灶組織，達(dá)到破壞病灶的目的。此種治療方式無(wú)需采用侵入性手段即可破壞病灶，可極大減輕對(duì)機(jī)體正常組織的損傷，改善患者的生活質(zhì)量。未來(lái)，隨著高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及，將更好地服務(wù)于人類的健康事業(yè)。

超聲治療；高強(qiáng)度聚焦超聲；晶振單元；腫瘤

［First-author's address］ Equipment Department， The First Hospital of ZiBo， Zibo 255200，China.

惡性腫瘤是危害人類健康的嚴(yán)重疾病，其治療主要靠手術(shù)、放射治療及化療三大手段，但這些手段均有其一定的局限性。高強(qiáng)度聚焦超聲作為一種新興的無(wú)創(chuàng)腫瘤治療技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展，并取得了顯著臨床效果。利用多組超聲波聚焦于一點(diǎn)來(lái)治療腫瘤，其治療方法主要是利用超聲波的生物溫?zé)嵝?yīng)，將體外發(fā)射的多組低能量的超聲波聚焦于腫瘤細(xì)胞組織，由于超聲波在腫瘤組織的能量疊加，使得腫瘤組織內(nèi)溫度瞬間即可上升到65 ℃以上，從而達(dá)到破壞腫瘤細(xì)胞組織的目的［1］。該治療方式的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需采用侵入性手段即可破壞腫瘤細(xì)胞組織，屬于無(wú)創(chuàng)治療技術(shù)，可極大減輕對(duì)機(jī)體正常細(xì)胞組織不必要的損傷。

1　高強(qiáng)度聚焦超聲治療儀的主要結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)主要由高強(qiáng)度聚焦超聲換能器、功率放大單元、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、定位評(píng)估系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及水循環(huán)系統(tǒng)等組成，其工作原理如圖1所示［2-5］。

圖1　高強(qiáng)度聚焦超聲熱療系統(tǒng)原理框圖

1.1高強(qiáng)度聚焦超聲換能器

晶振單元由壓電晶片組成，壓電晶片受電信號(hào)激發(fā)發(fā)射超聲，進(jìn)入人體組織，在人體組織內(nèi)遇不同聲阻界面產(chǎn)生反射與散射，壓電晶片又接收反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入儀器。晶振單元是應(yīng)用晶片的壓電效應(yīng)制作的，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換［6］。

1.2超聲熱療系統(tǒng)聚焦原理

超聲熱療系統(tǒng)按聚焦原理可分為單元透鏡聚焦系統(tǒng)、多元小平面幾何聚焦系統(tǒng)和多元雙重聚焦系統(tǒng)。

1.2.1單元透鏡聚焦系統(tǒng)

單元透鏡聚焦系統(tǒng)是根據(jù)聲透鏡聚焦的原理，將環(huán)形平面換能器發(fā)射出來(lái)的超聲波匯聚于一點(diǎn)，其原理與光透鏡聚焦類似，利用聲波在彎曲界面上的折射來(lái)達(dá)到匯聚聲波的目的［7-9］。單元透鏡聚焦系統(tǒng)采取下探頭方式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聚焦效果好。單元透鏡聚焦系統(tǒng)缺點(diǎn)為：①效率低；②治療時(shí)患者需要全身麻醉，皮膚浸在水中且不安全；③操作時(shí)監(jiān)控困難。

1.2.2多元小平面幾何聚焦系統(tǒng)

多元小平面幾何聚焦系統(tǒng)的超聲單元由上百個(gè)壓電晶體分布在同一曲面上面成為幾何聚焦，上百個(gè)壓電晶體發(fā)出超聲重合的區(qū)域即為焦點(diǎn)，其位置完全由幾何曲面的曲半徑?jīng)Q定，這種高強(qiáng)度聚焦超聲熱療也是采取下探頭方式［10］。多元小平面幾何聚焦系統(tǒng)的缺點(diǎn)為：①發(fā)射功率小，聚焦性能差，不能轉(zhuǎn)動(dòng)；②治療時(shí)患者皮膚浸在水中，容易感染；③監(jiān)控難，治療時(shí)間長(zhǎng)；④晶振單元較多，損壞后維修較困難。

1.2.3多元陣雙重聚焦系統(tǒng)

多元陣雙重聚焦系統(tǒng)是將多個(gè)自聚焦晶振單元排列在凹球面上面再次聚焦，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是有利于在焦點(diǎn)處獲得更大的聲功率。凹球面聚焦晶振單元是將壓電晶體磨成凹球面，然后經(jīng)鍍銀、極化而制成。通常對(duì)于腫瘤的治療，凹球面聚焦系統(tǒng)要比聲透鏡聚焦系統(tǒng)更有效［10-13］。多元陣雙重高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)與其他高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤熱療相比，具有如下特征：①多個(gè)（＞4個(gè)）雙重聚焦晶振單元可以任意組合發(fā)射，方便靈活；②患者無(wú)須麻醉，治療相對(duì)安全；③干式治療，治療時(shí)患者皮膚不與水接觸，安全衛(wèi)生；④B超圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控并能分別調(diào)節(jié)多個(gè)換能器的輸出功率，保證治療過(guò)程安全；⑤患者治療時(shí)可自由仰臥，相對(duì)舒服；⑥有多個(gè)治療參數(shù)可供醫(yī)生選擇治療劑量［14］。

1.3功率放大單元

超聲功率放大單元提供頻率在1～5 MHz的電功率用來(lái)激發(fā)超聲換能器，使超聲換能器產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)向外輻射超聲波。功率放大器由振蕩器、分頻器、前置放大器、耦合電路以及功率放大電路組成。

因每個(gè)換能器要接一個(gè)超聲功率放大器，因此功率放大器要做到頻率高、功率大及體積小。如SONOTHERMR 1000型在一個(gè)輻射頭內(nèi)含有多達(dá)4×4的多元陣超聲換能器，則應(yīng)配置16個(gè)獨(dú)立的超聲功率放大器。通常其輸出高頻電功率為50～100 W，若理想的功率放大器與超聲換能器匹配得好，其效率可達(dá)50%，這樣轉(zhuǎn)變成超聲時(shí)功率可達(dá)25～50 W。

以HIFUNIT 9 U00型腫瘤消融刀為例，超聲功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由超聲功率放大器和六元雙聚焦超聲換能器陣組成，每個(gè)換能器分別由一路功率放大器控制，這種設(shè)計(jì)可以避免由于同一頻率下由不同換能器發(fā)射出來(lái)的超聲相互干擾而造成對(duì)于聲場(chǎng)的影響。每個(gè)功率放大器的最大輸出電功率為100 W，并能在0～100 W的功率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。工作時(shí)，可以根據(jù)患者的實(shí)際情況調(diào)節(jié)到合適的大小，保證治療的有效和安全［15］。

1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括電腦中央控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和監(jiān)視定位系統(tǒng)3個(gè)部分。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)治療自動(dòng)控制的核心系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)視定位系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，由電腦中央控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換等其他系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)控制信號(hào)［16］。

監(jiān)視控制與實(shí)時(shí)控制相結(jié)合是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特色。這種方案將控制分為兩個(gè)層次：即監(jiān)視控制層和實(shí)時(shí)控制層。監(jiān)視控制管理患者治療信息、圖像采集、制定治療方案及計(jì)算治療運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)視治療過(guò)程，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)故障，精確控制治療換能器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。監(jiān)視控制層和實(shí)時(shí)控制層并行協(xié)調(diào)工作，可極大提高控制效率。

B超診斷儀在高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤機(jī)中完成治療監(jiān)視控制和腫瘤定位的雙重功能。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集B超圖像，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控治療過(guò)程，根據(jù)所獲得的B超圖像，完成腫瘤定位的功能，同時(shí)B超圖像也提供了腫瘤的位置及區(qū)域的信息，通過(guò)對(duì)這些信息的提取和處理，生成治療數(shù)據(jù)。使用計(jì)算機(jī)直接控制超聲功率放大器的功率調(diào)節(jié)和輸出來(lái)達(dá)到治療腫瘤的目的。多個(gè)換能器的功率可分別控制，靈活組合，避開(kāi)一些關(guān)鍵部位，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還可以科學(xué)地管理患者治療信息，供臨床醫(yī)師研究病例，同時(shí)還可以為醫(yī)院管理信息系統(tǒng)提供接口，使相關(guān)的治療信息融入到醫(yī)院信息系統(tǒng)中。

1.5運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及水循環(huán)冷卻裝置

1.5.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)確定腫瘤的定位和治療，包括換能器、治療床和C形臂的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。治療床有3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，能分別在上下方向做240 mm移動(dòng)、橫向240 mm移動(dòng)和縱向1100 mm范圍內(nèi)移動(dòng)。換能器整體能分別繞X軸做30o和Y軸20o的旋轉(zhuǎn)，其掃描范圍為100 mm×100 mm×100 mm，B超探頭可以在0o～180o繞Z軸旋轉(zhuǎn)，使得換能器焦點(diǎn)能移至人體的任何部位，而且治療床的大范圍運(yùn)動(dòng)也能保證患者輕松地調(diào)整到治療位置。

1.5.2水循環(huán)裝置

水處理循環(huán)系統(tǒng)是整個(gè)超聲治療系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，由其完成水介質(zhì)的處理以達(dá)到療效的目的。由于超聲波的傳播特性，聲波在不同介質(zhì)表面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射，致使超聲波不能深入到病灶中去，所以在超聲波診斷或治療時(shí)都需要耦合介質(zhì)。本治療系統(tǒng)采用水作耦合劑，由于一般的水中溶解有大量的空氣，在高強(qiáng)度聚焦超聲發(fā)射過(guò)程中超聲波會(huì)把水中的氣體聚集成微小的氣泡，這將嚴(yán)重影響超聲的傳播，降低了病灶處的能量聚焦治療效果［19］。

2　高強(qiáng)度聚焦超聲治療系統(tǒng)的適用范圍

高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)主要適用于實(shí)質(zhì)臟器的腫瘤，對(duì)于超聲圖像顯示良好的腫瘤，只要無(wú)其他禁忌均可以治療，尤其是對(duì)于轉(zhuǎn)移腫瘤的保守治療能夠發(fā)揮較大的作用。同時(shí)，高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)治療后可刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)，對(duì)人體免疫反應(yīng)產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用［20］。

3　展望

高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)的出現(xiàn)為臨床醫(yī)師治療腫瘤提供了一種無(wú)創(chuàng)治療手段，其應(yīng)用不僅僅限于惡性腫瘤的治療，還可用于良性腫瘤和非腫瘤疾病的姑息治療、外科止血等。高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)目前在臨床上的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，還有許多技術(shù)難題有待解決，尤其是超聲計(jì)量學(xué)、無(wú)創(chuàng)溫度控制及熱劑量學(xué)等方面的技術(shù)有待突破。近年來(lái)的醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，在未來(lái)的外科領(lǐng)域中，高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)的應(yīng)用在腫瘤治療中將起到舉足輕重的作用，隨著高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，相信高強(qiáng)度聚焦超聲系統(tǒng)技術(shù)將更好地服務(wù)于人類健康事業(yè)。

［1］高百春，莊興俊，葉勇，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療肝癌療效分析［J］.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2009，24（11）：87-88.

［2］鄭曼萍，曾外，王帥.多元雙聚焦高能超聲治療腹腔和盆腔實(shí)體惡性腫瘤的臨床觀察［J］.湖南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2009，6（4）：78-79，81.

［3］馮若，朱輝，李發(fā)琪，等.高強(qiáng)聚焦超聲（HIFU）無(wú)創(chuàng)治療腫瘤技術(shù)的崛起［J］.中華肝膽外科雜志，2011，17（1）：77-78.

［4］顧勇主，王國(guó)民，夏罕生，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療45例胰腺癌［J］.復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2004，31（2）：135-137，141.

［5］陳志峰，陳萬(wàn)青，陳建國(guó)，等.中國(guó)腫瘤登記地區(qū)人群骨腫瘤發(fā)病分析［J］.中國(guó)腫瘤臨床，2012，39（20）：1509-1513.

［6］鄧健，徐廷惠，李成林.高能聚焦超聲刀在骨腫瘤保留肢體治療中的應(yīng)用及護(hù)理［J］.中華護(hù)理雜志，2001，36（4）：282-284.

［7］徐葉青，王國(guó)民，顧勇主，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療晚期胰腺癌中的止痛作用［J］.中國(guó)臨床醫(yī)學(xué)，2003，10（3）：322-323.

［8］劉正，侯樹(shù)勛.惡性骨腫瘤的高強(qiáng)度聚焦超聲治療研究進(jìn)展［J］.中國(guó)骨腫瘤骨病，2010，9（3）：259-262.

［9］李仲全.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骨肉瘤的臨床應(yīng)用研究［J］.中外醫(yī)療，2013，32（29）：56-57.

［10］徐梅華，蔡克銀.高強(qiáng)度聚焦超聲治療老年骨轉(zhuǎn)移癌的近期療效［J］.中國(guó)老年學(xué)雜志，2012，32（20）：4542-4543.

［11］胡文莉，焦玉冰，張浩，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骶骨腫瘤19例分析［J］.人民軍醫(yī)，2012，55（2）：161-162.

［12］莊開(kāi)顏，進(jìn)克效，焦玉冰，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骶髂部骨腫瘤的初步臨床觀察［J］.解放軍醫(yī)學(xué)雜志，2010，35（4）：474-474.

［13］李仲全.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骨肉瘤的臨床應(yīng)用研究［J］.中外醫(yī)療，2013，32（29）：56-57.

［14］李靜，蓋綠華，楊武威，等.低功率聚焦超聲對(duì)骨/軟組織腫瘤化療增敏作用的臨床觀察［J］.山東醫(yī)藥，2008，48（37）：53-54.

［15］寇海燕，孫鯤，張宏，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骨腫瘤15例［J］.武警醫(yī)學(xué)，2006，17（9）：686-688.

［16］李偉兵，章明，白向君，等.惡性骨腫瘤的高強(qiáng)度聚焦超聲無(wú)創(chuàng)治療［J］.中國(guó)骨腫瘤骨病，2003，2（5）：301-304，317.

［17］陳文直，王智彪，伍烽，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療原發(fā)惡性骨腫瘤的初步臨床研究［J］.中華腫瘤雜志，2002，24（6）：612-615.

［18］陳文直，伍烽，朱輝，等.高強(qiáng)度聚焦超聲治療骨肉瘤初步臨床觀察［J］.中國(guó)腫瘤臨床，2001，28（7）：489-491.

［19］曾燕，羅小平，淦偉，等.惡性骨腫瘤超聲聚焦刀與介入聯(lián)合治療后影像學(xué)檢查的初步研究［J］.臨床放射學(xué)雜志，2000，19（7）：444-447.

［20］曾燕，羅小平，喻明憲，等.動(dòng)脈灌注化療與高強(qiáng)度聚焦超聲聯(lián)合治療惡性骨腫瘤的血管造影變化［J］.重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，25（4）：411-413.

The application research of high intensity focused ultrasound in tumor treatment/

WANG Wei-hong//
China Medical Equipment，2016，13（8）：133-135.

The purpose is to introduce the structure and principle of the high intensity focused ultrasound and to discuss its value and future development in tumor. The high intensity focused ultrasound uses the biological heat effect which focuses the high intensity ultrasound on the lesions to destroy them. It is non-invasive means to destroy the lesions， reduce the damage of the normal tissues greatly， improve the quality of life..With the development， application and popularization of the technology on high intensity focused ultrasound， it will serve the human health career better.

Ultrasonic treatment； High intensity focused ultrasound； Transducer unit； Tumor

1672-8270（2016）08-0133-03 ［中圖分類號(hào)］R454.1

A

王維紅，女，（1973- ），本科學(xué)歷，工程師。淄博市第一醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備的管理和維修工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.042

①淄博市第一醫(yī)院設(shè)備科 山東 淄博 255200

2016-04-07