血管位置及血管與聲軸角度對HIFU表面消融效果影響的體模實(shí)驗(yàn)

馬大釗，鄒建中，楊素英，文 靜，曾 濤，王 琦

(重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400016)

·基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)研究·

血管位置及血管與聲軸角度對HIFU表面消融效果影響的體模實(shí)驗(yàn)

馬大釗，鄒建中*，楊素英，文 靜，曾 濤，王 琦

(重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，重慶 400016)

目的 探討靶區(qū)內(nèi)血管位置及血管與聲軸角度對HIFU表面消融效果的影響。方法 將56塊含血管的仿組織體模分為A組(血管位置)和B組(血管角度)，A組按血管中心與HIFU表面消融最深層面(頂面)距離d分為A1(d=0)、A2(d=10 mm)、A3(d=20 mm)亞組，B組按血管長軸與聲軸之間夾角角度α分為B1(0～5°)、B2(60°～65°)、B3(90°～95°)、B4(115°～120°)亞組。另設(shè)A4、B5亞組為空白對照組。測量各組血管內(nèi)徑、管壁厚度，觀察輻照后損傷形態(tài)，計(jì)算能效因子(EEF)。結(jié)果 A、B各亞組間血管內(nèi)徑、管壁厚度差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。損傷形態(tài)：A1、B1亞組靶區(qū)完全消融，無殘留；余各亞組血管深側(cè)靶區(qū)有殘留。A組中A4亞組、A1亞組、A2亞組(由小到大排列)EEF兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，A1與A3亞組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；B組中B5亞組、B2亞組、B3亞組(由小到大排列)EEF兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，B2亞組與B4亞組、B5亞組與B1亞組的EEF差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。結(jié)論 血管中心距HIFU表面消融最深層面10 mm、靶區(qū)內(nèi)血管與聲軸角度90°～95°對靶區(qū)消融影響最大，效率最低，消融時(shí)應(yīng)注意調(diào)整以提高消融效率。

高強(qiáng)度聚焦超聲消融；血管；體模

HIFU表面消融(殼式消融)是進(jìn)行靶區(qū)周邊輻照而中心區(qū)不投放能量的一種輻照方式，多用于大體積的腫瘤，較常規(guī)“線—面—體”輻照方式具有較低總能量消耗、較短消融時(shí)間，較高消融效率[1-2]。而靶區(qū)血管的存在可能導(dǎo)致HIFU表面消融輻照后靶區(qū)周邊組織殘留、凝固性壞死帶完整性被破壞等，降低了HIFU表面消融的安全性和可靠性。蛋清仿組織體模具有與人體軟組織相近的聲學(xué)特性，已用于HIFU特性的相關(guān)研究[3-4]。本文旨在以蛋清仿組織體模為研究對象，建立含離體兔胸主動脈的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，探討靶區(qū)內(nèi)血管位置及血管與聲軸角度對HIFU消融效果的影響。

1 材料與方法

1.1體模材料 新鮮蛋清、丙烯酰胺(0341，500 g，Amresco)、N,N-亞甲基雙丙稀酰胺(M7256，25g，Sigma)、過硫酸銨(0486，25 g，Amresco)、TEMED(0761，100 ml，Amresco)。血管保存試劑：PBS緩沖液(SH30256.01，500 ml，HyClone)、D-hank's平衡液 (SH30030.02B，500 ml，HyClone)、肝素鈉 (150 U/mg， 1 g，Biosharp)、青霉素鈉(80萬U，四川制藥制劑有限公司)。

1.2設(shè)備 采用海扶刀?JC200型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)(重慶海扶醫(yī)療科技股份有限公司)，治療頭頻率0.9 MHz，直徑150 mm，焦距140 mm；有機(jī)玻璃模具；不銹鋼支架。

1.3 方法

1.3.1兔胸主動脈的獲取[5]取健康成年新西蘭兔112只，體質(zhì)量2.0～2.2 kg，雌雄不限(重慶醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心提供)。經(jīng)耳緣靜脈注射肝素化生理鹽水2 ml，5 min后處死兔迅速開胸，取出胸主動脈全段，用4℃肝素化(25 U/ml)生理鹽水反復(fù)沖洗動血管腔，置于4℃肝素化D-hank's平衡液中保存。

1.3.2含兔胸主動脈仿組織透明體模制備[6]新鮮蛋清攪拌均勻后過濾，燒杯中加入40%(體積比)蛋清、30%脫氣水、23%丙烯酰胺(濃度22%)攪拌 10 min。將4.7%過硫酸銨(濃度1.6%)緩慢加入燒杯攪拌20 min，分液漏斗中加入混合液，控制流速過濾氣泡。將血管懸掛于模具后，體模液中加入2.3%TEMED(濃度2%)，攪拌均勻后沿模具壁倒入至淹沒血管，抽取混合液注入管腔充分排出氣泡后倒入余體模液，室溫高純氮?dú)猸h(huán)境下4 h凝固。無血管的空白對照組體模，采用同樣的方法制備。實(shí)驗(yàn)分組：將56塊含血管仿組織體模按血管位置和角度不同分為A組(n=24)和B組(n=32)，A組按血管中心與HIFU表面消融最深層面(頂面)距離d平均分為A1(d=0)、A2(d=10 mm)、A3(d=20 mm)亞組(圖1A)，B組按血管經(jīng)過Y—Z平面靶區(qū)邊界對角線交點(diǎn)時(shí)血管長軸與聲軸之間的夾角角度α平均分為B1(0～5°)、B2(60°～65°)、B3(90°～95°)、B4(115°～120°)亞組(圖1B)；兩組各設(shè)A4(n=8)、B5(n=8)為空白對照組。各組血管中心與平行于血管長軸的HIFU表面消融側(cè)面(前面)的距離為6 mm。d、α的變化通過懸掛血管前調(diào)節(jié)模具兩側(cè)壁扎絲位置實(shí)現(xiàn)。

1.3.3 HIFU輻照 實(shí)驗(yàn)裝置見圖2A。采用連續(xù)波直線掃描法，設(shè)定靶區(qū)體積為30 mm×20 mm× 12 mm的長方體區(qū)域，治療頭沿x、y、z方向移動，焦點(diǎn)根據(jù)由深至淺的原則，將靶區(qū)分為5個(gè)不同深度的區(qū)域進(jìn)行輻照，輻照深度及輻照聲功率組合分別為42 mm處250 W、37 mm處190 W、32 mm處140 W、27 mm處100 W和22 mm處55 W。焦點(diǎn)移動速度 3 mm/s[7]，每兩條線的線間隔時(shí)間為1 min。42 mm和 22 mm深度處完全覆蓋式輻照整個(gè)X—Y平面，線間隔距離分別為2 mm；37、32 和27 mm深度處僅輻照靶區(qū)周邊(圖2B)。

1.4觀察指標(biāo) 輻照前超聲測量血管內(nèi)徑及管壁厚度。機(jī)載B超實(shí)時(shí)監(jiān)控HIFU輻照過程，并采集血管長、短軸切面聲像圖。輻照后沿血管長軸方向?qū)Ⅲw模塊切為厚5 mm的薄片，測量每片體模損傷體積，求和獲得靶區(qū)損傷總體積。根據(jù)公式計(jì)算能效因子(energy efficiency factory, EEF)：EEF[8](J/mm3)=η×Pt/V[η為換能器聚焦系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)取0.7；P為輻照功率(W)；t為輻照時(shí)間(s)；V為損傷區(qū)凝固性壞死體積(mm3)[9]]，EEF越小，消融效率越高。

圖1 血管位置、血管與聲軸角度示意圖 A.不同血管位置示意圖; B.不同血管角度示意圖 圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团cHIFU表面消融模式示意圖 A.實(shí)驗(yàn)裝置； B.HIFU表面消融模式

2 結(jié)果

2.1血管位置對HIFU表面消融效果的影響 血管位置：A組各亞組血管壁厚及血管內(nèi)徑差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05，表1)。表面消融所形成的損傷見圖3A，體模血管長軸切面中白色區(qū)域?yàn)镠IFU損傷區(qū)域，A1亞組血管位于頂面，損傷區(qū)邊界完整，邊界內(nèi)損傷均勻，血管淺面損傷區(qū)回聲較空白對照組低；A2、A3亞組血管淺側(cè)損傷邊界完整，邊界內(nèi)損傷均勻，回聲均勻，而血管深側(cè)損傷邊界中斷，有殘留，回聲減弱，不均勻。A4亞組、A1亞組、A2亞組間EEF兩兩比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；A1亞組與A3亞組的EEF差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見圖3B。

表1 不同位置、不同角度血管壁厚與 內(nèi)徑比較

2.2血管角度對HIFU表面消融效果的影響 B組各亞組血管壁厚及血管內(nèi)徑差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均>0.05)，見表1。表面消融所形成的損傷見圖4A，體模血管長軸切面中白色區(qū)域?yàn)镠IFU損傷區(qū)域，B1亞組損傷區(qū)邊界完整，邊界內(nèi)損傷均勻，底面損傷沿血管向換能器方向生長，血管左右兩側(cè)回聲均勻；B2、B3、B4亞組血管淺側(cè)損傷邊界完整，邊界內(nèi)損傷均勻，回聲均勻，而血管深側(cè)損傷邊界中斷，邊界內(nèi)存在未損傷區(qū)，回聲減弱，不均勻。B5亞組、B2亞組、B3亞組(由小到大排列)EEF兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P均<0.05)，B2亞組與B4亞組、B5亞組與B1亞組的EEF差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見圖4B。

3 討論

HIFU的療效肯定[10-11]，且能保留患者的器官及功能。但目前HIFU在方法學(xué)、劑量學(xué)方面仍不完善，治療時(shí)易導(dǎo)致劑量過大、時(shí)間過長、易發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥等問題[12]。如能遵循惡性腫瘤的生長規(guī)律，即腫瘤周邊部分血供最豐富、增殖侵襲能力最強(qiáng)的特點(diǎn)，HIFU的輻照方法采用表面(周邊)消融模式[1-2]，可能解決HIFU治療存在的主要問題。靶區(qū)血管的存在可能導(dǎo)致HIFU表面消融輻照后靶區(qū)周邊組織殘留、凝固性壞死帶完整性被破壞等，降低了HIFU表面消融的安全性和可靠性。近年來，有學(xué)者[3,13-14]通過仿真體模研究血管位置、血流速度對HIFU腫瘤消融的影響，但血管壁的影響尚缺乏考慮。本研究采用含體積比40%蛋清的仿組織體模，并取兔胸主動脈；通過參考臨床治療中腫瘤組織大小，設(shè)定靶區(qū)體積為 30 mm×12 mm×20 mm的長方體區(qū)域?？紤]腫瘤組織內(nèi)部血供主要源于動脈，血管長度需大于靶區(qū)對角線長度36 mm，血管形態(tài)需規(guī)整，因此，本研究選用兔胸主動脈。

通過對靶區(qū)內(nèi)血管位置、血管與聲軸角度各亞組行表面消融輻照，發(fā)現(xiàn)空白對照組靶區(qū)內(nèi)未輻照區(qū)出現(xiàn)損傷，與Bu等[1]的研究結(jié)果不同，可能因靶區(qū)“前”“后”面間距為12 mm，之間熱量擴(kuò)散，損傷區(qū)融合所致。不同血管位置中，A2亞組EEF最大，表面消融效率最低；A1亞組與A3亞組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P>0.05)，可能由于血管壁對超聲波的衰減[15]導(dǎo)致后者血管深側(cè)存在消融殘留，同時(shí)因血管壁對超聲波的折射導(dǎo)致血管淺側(cè)損傷向聲源方向生長，進(jìn)行損傷總體積補(bǔ)償所致。不同血管與聲軸角度中，B1亞組EEF與空白對照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，B2亞組與B4亞組EEF差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，可能由于設(shè)定角度互呈鏡相對稱所致；B3亞組EEF最大，表面消融效率最低，提示若血管與聲軸角度為90°～95°，可通過改變體位或治療頭聲束入射角度等，將血管與聲軸角度向0°～5°方向調(diào)整，以提高治療效率。

圖3 不同血管位置對HIFU表面消融的影響 A.不同血管位置HIFU消融的體模聲像圖，上、中、下圖分別為B超血管長軸切面、B超血管短軸切面、體模血管長軸切面； B.EEF隨血管位置變化的柱形圖 (*：與A1亞組比較，P<0.05；#：與A2亞組比較，P<0.05；&：與A3亞組比較，P<0.05；△：與A4亞組比較，P<0.05) 圖4 血管與聲軸不同角度對HIFU表面消融的影響 A.血管與聲軸不同角度的體模聲像圖，上、中、下圖分別為B超血管長軸切面，B超血管短軸切面、體模血管長軸切面; B.EEF隨血管角度變化的柱形圖 (*：與B1亞組比較，P<0.05；#：與B2亞組比較，P<0.05；&：與B3組比較，P<0.05；△：與B4亞組比較，P<0.05；▲：與B5亞組比較；P<0.05)

總之，血管位置及血管長軸與聲軸角度對HIFU表面消融效果影響顯著，血管中心距HIFU表面消融最深層面10 mm、靶區(qū)內(nèi)血管與聲軸角度90°～95°對靶區(qū)消融影響最大，效率最低，消融時(shí)應(yīng)注意調(diào)整。

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Effect of blood vessels at different locations and angle between blood vessel and sonic axis on HIFU peripheral ablation

MADazhao,ZOUJianzhong*,YANGSuying,WENJing,ZENGTao,WANGQi

(StateKeyLaboratoryofUltrasoundEngineeringinMedicineCo-FoundedbyChongqingandtheMinistryofScienceandTechnology,ChongqingKeyLaboratoryofUltrasoundinMedicalandBiomedicalEngineering,ChongqingCollaborativeInnovationCenterforMinimally-InvasiveandNoninvasiveMedicine,CollegeofBiomedicalEngineering,ChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China)

Objective To investigate the effect of blood vessels at different locations and angles between blood vessel and sonic axis within the target area on HIFU peripheral ablation. Methods Totally 56 phantoms containing rabbit thoracic aorta were divided into group A (different vessel locations) and B (different vessel angles). According to the distance (d) between the blood vessel center and the deepest (top) layer of the peripheral scanning, group A was divided into A1(d=0), A2(d=10 mm), A3(d=20 mm) subgroups. According to the angle (α) between the vessel long axis and the acoustic axis, group B was divided into B1(α=0—5°), B2(α=60°—65°), B3(α=90°—95°), B4(α=115°—120°) subgroups. A4, B5subgroups were set as the control groups. The vessel diameter and vessel wall thickness were measured. The lesion morphology was observed and the energy efficiency factor (EEF) was calculated. Results There was no significant difference in vessel diameter and vessel wall thickness in both group A and B (allP>0.05). There was no residual area in the target area of A1, B1subgroup, while there was residual area in the target area of the other subgroups. EEF of group A in ascending order were A4, A1, A2subgroup, and statistically significant differences in pairwise comparisons (allP<0.05) except for A1and A3subgroup (P>0.05). EEF of group B in ascending order were B5, B2, B3subgroup, respectively, and statistically significant differences in pairwise comparisons (allP<0.05) except for B2and B4, B5and B1subgroup (bothP>0.05). Conclusion It is 10 mm that the distance between the blood vessel center and the deepest (top) layer of the peripheral scanning, and 90°—95° that the angle between the vessel long axis and the acoustic axis has the greatest influence on the ablation of the target area.

High intensity focused ultrasound ablation; Blood vessels; Phantom

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB707900)、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備研制專項(xiàng)資助項(xiàng)目(81127901、2013YQ03062906)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11574039、11274404)。

馬大釗(1990—)，女(回族)，寧夏銀川人，在讀碩士。研究方向：超聲診斷與治療。E-mail： 540802857@qq.com

鄒建中，重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—重慶市超聲醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶市微無創(chuàng)醫(yī)學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，400016。E-mail： zoujzh@cqmu.edu.cn

2017-03-15

2017-05-26

R454.3; R730.5

A

1672-8475(2017)07-0435-04

10.13929/j.1672-8475.201703017