空化增效高強(qiáng)度聚焦超聲治療研究進(jìn)展

劉繼輝，李成海，劉雅璐，李發(fā)琪

1.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400016；2.重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400016

前言

高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）是近年來興起的非侵入性體外腫瘤治療技術(shù)，可在超聲或者M(jìn)RI 監(jiān)控下對局部腫瘤進(jìn)行定點(diǎn)消融［1］。HIFU 消融腫瘤的原理為：體外以一定的方式將低能量的超聲聚焦到體內(nèi)形成局部高能量靶點(diǎn)，利用超聲波的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等生物學(xué)效應(yīng)使靶區(qū)內(nèi)組織產(chǎn)生凝固性壞死，而不對周圍組織產(chǎn)生傷害［2］。目前HIFU療法已應(yīng)用于肝［3］、腎［4］、膀胱［5］、腦［6］和前列腺［7］等良惡性腫瘤治療中，許多臨床試驗(yàn)對HIFU 治療的可行性和安全性進(jìn)行了研究。然而，目前臨床上主要采用單點(diǎn)輻照方式治療腫瘤，對于體積較大、血供豐富、位置較深的腫瘤，其治療時(shí)間相對較長、治療效率較低。為解決這些問題，本文對從體外引入空化核方法、通過聲學(xué)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生空化核方法增強(qiáng)HIFU 治療的熱效應(yīng)的研究進(jìn)行綜述。

1 體外引入空化核

1.1 微泡造影劑

微泡造影劑增效HIFU 的機(jī)制為：首先，微泡造影劑與靶組織之間有顯著的聲阻抗差，有利于將聲能轉(zhuǎn)變成熱能；其次，微氣泡可作為空化核增強(qiáng)空化效應(yīng)，而空化的發(fā)生可以增效HIFU 治療［8］。Kaneko等［9］比較了等量微泡造影劑（Levovist）與鹽水對HIFU 損傷離體兔肝的組織溫升和凝固性壞死體積。使用頻率為2.18 MHz 超聲分別輻照兩組兔肝60 s，發(fā)現(xiàn)使用造影劑后，靶區(qū)溫度升高更快且損傷面積更大。Umemura 等［10］采用微泡結(jié)合3.2 MHz 超聲波消融小鼠腎組織，結(jié)果表明微泡劑（Definity）的使用使組織溫度升高數(shù)倍且與模擬仿真［11］的預(yù)測一致。Tung 等［12］研究超聲造影劑（Optison）增強(qiáng)HIFU 熱效應(yīng)時(shí)，用1.85 MHz HIFU 脈沖作用于透明組織模型，結(jié)果提示病變大小強(qiáng)烈依賴于聲功率和UCA的濃度并且所需的聲功率降低約30%。國內(nèi)外研究證實(shí)，微泡造影劑可以明顯增強(qiáng)HIFU 治療［13-17］，但通過B 超成像［18］和數(shù)值仿真［15-17］針對離體牛肝、活體白兔腿部的研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合微泡造影劑的HIFU 消融后，出現(xiàn)治療區(qū)域焦點(diǎn)移位、焦斑不可控、病變形狀由雪茄形向蝌蚪形的轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象，從而限制了其臨床應(yīng)用。

1.2 相變納米液滴

在體內(nèi)產(chǎn)生含有微溶氣體的微泡增強(qiáng)HIFU 治療的熱效應(yīng)，可以通過短脈沖激勵(lì)納米乳劑（nm 尺度）在體內(nèi)相變?yōu)槲馀荩馀菘筛淖兘M織的聲學(xué)特性增強(qiáng)聲散射，使能量損耗在靶區(qū)，增強(qiáng)HIFU 對靶區(qū)的損傷［19-20］。Kopechek 等［21］利用1.5 MHz 的HIFU 脈沖輻照兔VX2 腫瘤，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)注入納米乳劑后，慣性空化強(qiáng)度和溫度明顯升高。Zhang 等［19］將組織模擬材料中有無十二氟戊烷液滴分為實(shí)驗(yàn)組和空白組，采用2 MHz 的HIFU 短脈沖分別輻照后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組的材料粘度和聲致液滴相變閾值升高。Kawabata 等［22］研究2H，3H-全氟戊烷和全氟戊烷的乳劑性質(zhì)與產(chǎn)生相變所需超聲強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度閾值隨該比例的增加而增加，結(jié)果表明可以通過超聲能量控制納米乳劑的相變。以上研究提示納米乳劑可以實(shí)現(xiàn)組織被動(dòng)靶向治療的作用，增強(qiáng)HIFU 的熱效應(yīng)，但是產(chǎn)生的微氣泡留存時(shí)間過短。Kawabata 等［23］進(jìn)一步研究了低壓連續(xù)超聲對維持微泡的影響，提出同時(shí)采用1 MHz 脈沖波疊加低幅度的連續(xù)波輻照含有納米乳劑的凝膠體模，結(jié)果顯示可以延長微泡的存活時(shí)間同時(shí)控制其活性。相變納米液滴對于增強(qiáng)HIFU 腫瘤治療不僅在效率而且在靶向性方面都是非常理想的，但是相變納米液滴和HIFU儀器組合仍然需要長時(shí)間的臨床試驗(yàn)。

2 聲學(xué)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生空化核

2.1 雙頻HIFU

近年來研究發(fā)現(xiàn)雙頻HIFU 可顯著增強(qiáng)空化效應(yīng)，不僅有助于提高溫升，還有助于監(jiān)測熱沉積的位置，進(jìn)而縮短治療時(shí)間。按照頻差大小可分為兩種：頻差較小，不超過0.1 MHz；頻差較大，一般大于500 kHz。Gilles等［24］采用相同壓力幅度，頻差為34 kHz（531 kHz，565 kHz）激勵(lì)信號線性疊加和僅單頻（552 kHz）激勵(lì)，經(jīng)皮超聲溶栓治療中研究發(fā)現(xiàn)，雙頻HIFU 的慣性空化閾值降低了38%。Saletes 等［25］進(jìn)一步比較了單頻（550 kHz）和雙頻（535 和565 kHz）激發(fā)的效率，當(dāng)實(shí)現(xiàn)80%溶栓時(shí)，雙頻所需的功率較單頻小50%。Dingjie 等［26］也得出了類似結(jié)論，并在研究占空比與超聲溶栓效率的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙頻率（1.45 和1.50 MHz）疊加激勵(lì)僅在單頻激勵(lì)占空比一半時(shí)即可達(dá)到相同的溶栓率且溶栓速度能提高2～4 倍。以上研究均表明，相比單頻HIFU 輻照，頻差較小的雙頻HIFU 可以優(yōu)先降低治療所需的聲功率和空化閾值，有效提高HIFU治療效率。

Li 等［27］研究了不同頻差導(dǎo)致雙頻HIFU 聚焦聲場的變化，結(jié)果顯示頻差越大，聲壓分布越均勻，非線性現(xiàn)象越明顯。Rybyanets等［28］提出了一種多頻諧波技術(shù)，使用雙函數(shù)發(fā)生器和功率放大器同時(shí)激勵(lì)第一（205 kHz）和第三（690 kHz）奇次頻率信號，在相同的超聲能量下輻照脂肪細(xì)胞，與僅690 kHz 頻率激勵(lì)相比，顯著增強(qiáng)了組織消融體積。Lu 等［29］在使用頻差為1.2 MHz（1.2 MHz,2.4 MHz）的雙頻HIFU 消融離體肝臟和凝膠體模中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的病變大小比使用1.6 MHz 的單頻HIFU 大約兩倍。Feng 等［30］還發(fā)現(xiàn)使用三頻（28 kHz,1 MHz 和1.66 MHz 組合）正交連續(xù)超聲與單頻HIFU 相比，聯(lián)合輻照可以顯著提高空化產(chǎn)率。以上研究均證明通過改變雙頻HIFU的頻差大小可以顯著地提高組織的消融率，但消融率效果達(dá)到最佳與使用頻差的范圍尚有爭議。

2.2 脈沖波增強(qiáng)熱效應(yīng)

在空化增強(qiáng)超聲波熱效應(yīng)的研究中，由高強(qiáng)度短脈沖組成的HIFU 序列產(chǎn)生氣泡云，稱為“觸發(fā)脈沖”，并伴隨中等強(qiáng)度長加熱波以增強(qiáng)熱效應(yīng)，名為“加熱波”，這個(gè)組合統(tǒng)稱為“觸發(fā)HIFU”。觸發(fā)脈沖的總持續(xù)時(shí)間為10～100 μs，加熱波的總持續(xù)時(shí)間為10～500 ms，強(qiáng)度 類 似于傳統(tǒng)HIFU 治療中的強(qiáng)度［31-35］。Moriyama 等［36］研究脈沖波產(chǎn)生的空化泡對組織溫度升高的影響，通過使用1.12 MHz 球形聚焦壓電換能器先激勵(lì)觸發(fā)脈沖后加熱波與單加熱波作用于體模相比，實(shí)驗(yàn)和模擬均表明觸發(fā)HIFU 序列溫升更高。Jimbo 等［37］采用1 MHz 扇形渦旋陣列換能器輻射出加熱波產(chǎn)生環(huán)形聚焦區(qū)域覆蓋6 個(gè)掃描觸發(fā)脈沖的焦點(diǎn)處消融雞胸肉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明組織溫度升高是單獨(dú)加熱波的3 倍。Sukovich 等［35］還提出使用1 MHz 的相控陣換能器通過改變輸出聲波的相位，在90、100、110 mm 焦距上使用高能量觸發(fā)脈沖產(chǎn)生空化云，用自身不能產(chǎn)生凝固性壞死的低強(qiáng)度加熱波進(jìn)行輻照后，產(chǎn)生了壞死體積，證實(shí)采用該方法可顯著縮短HIFU 治療時(shí)間。Taguchi 等［38］進(jìn)一步提出優(yōu)化觸發(fā)HIFU 序列中的持續(xù)時(shí)間，研究中發(fā)現(xiàn)在觸發(fā)脈沖產(chǎn)生空化泡的前提下，隨著HIFU 加熱波單持續(xù)時(shí)間增加到10 ms 左右時(shí)，空化氣泡的振蕩變得不再活躍。通過高強(qiáng)度短脈沖產(chǎn)生空化泡，后續(xù)加熱波振蕩空化泡產(chǎn)生熱量增強(qiáng)HIFU 治療中的熱效應(yīng)，可以縮短治療時(shí)間，增加消融率。

2.3 調(diào)強(qiáng)峰值聲壓增強(qiáng)熱效應(yīng)

負(fù)壓對于產(chǎn)生空化氣泡而正壓使它們膨脹到空化氣泡云是非常重要的。然而，由于非線性傳播，在焦點(diǎn)處獲得高負(fù)壓是困難的，可以通過在基波疊加二次諧波形成調(diào)強(qiáng)負(fù)聲壓或正聲壓作為觸發(fā)脈沖加速空化效應(yīng)的產(chǎn)生［39-41］。Yoshizawa 等［42］發(fā)現(xiàn)向水中的固體壁面采用特定超聲序列先調(diào)強(qiáng)負(fù)聲壓峰值波（N 波）之后立即調(diào)強(qiáng)正聲壓峰值波（P 波）照射時(shí)，超聲波可以高效地產(chǎn)生空化氣泡。Sasaki 等［43］將實(shí)驗(yàn)分為兩組，組一使用0.8 MHz 的基波和1.6 MHz 的二次諧波的疊加激勵(lì)后進(jìn)行1 MHz 的加熱波輻照肌肉組織，組二僅單獨(dú)觸發(fā)脈沖后加熱波輻照組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)組二產(chǎn)生的壞死體積明顯大于組一。Takagi等［44］采用共焦球形壓電換能器激發(fā)1.14 MHz的基波和2.28 MHz的二次諧波疊加的雙頻模式與單頻激發(fā)基波1.14 MHz 輻照雞胸肉組織相比，結(jié)果表明雙頻模式產(chǎn)生空化所需的超聲強(qiáng)度比單頻模式減少約一半。采用這類方法可以有效地產(chǎn)生空化氣泡，提高HIFU的治療效率。

3 總結(jié)與展望

隨著HIFU 技術(shù)的不斷發(fā)展和臨床上取得的研究進(jìn)展，人們對空化效應(yīng)及其生物學(xué)效應(yīng)的進(jìn)一步研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。除上述報(bào)道外，各類研究層出不窮，如利用空化進(jìn)行碎石術(shù)，組織摧毀術(shù)等，均顯示出空化良好的應(yīng)用前景。相信高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)也將隨空化效應(yīng)的應(yīng)用而不斷發(fā)展和完善，將從HIFU 治療機(jī)制、治療方式及提高腫瘤治療的效率上取得突破性進(jìn)展，促進(jìn)HIFU 技術(shù)的發(fā)展和在臨床的推廣應(yīng)用。