研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是近年来新兴的一种体外无创治疗肿瘤技术。治疗的物理原理是:通过一定形式的超声聚焦换能器,将超声能量聚焦于靶组织,在1秒钟内使靶组织迅速升温至65℃以上,导致蛋白变性,从而使靶组织发生不可逆的凝固性坏死,达到无创治疗的目的。近年来,HIFU作为一种非侵入性的、有效的、可行的治疗技术,已成功的在临床上应用于肝脏、肾脏、胰腺、前列腺、骨骼、子宫等部位的肿瘤治疗。然而在HIFU的临床应用中,还存在一些问题。在临床应用HIFU治疗受肋骨阻挡的肝癌时,由于肋骨的存在,声场发生了强烈的衍射,使得声场发生畸变;肋骨具有很强的声衰减能力,声波几乎无法从肋骨中穿透过去,而只能从肋骨之间的缝隙中穿透过去,致使声能量衰减;由于声能量在肋骨表面的沉积,致使靠近肋骨表面的组织发生烫伤,皮肤损伤。因此,如何准确预测肋骨后方的声场,从而提高HIFU治疗的准确性和有效性是当前治疗超声领域迫切需要解决的问题。声通道上的肋骨究竟对HIFU声场及生物学焦域有何影响?本研究引导声束透过肋间隙、肋缘及正对肋骨,在每种情况下将肋骨分别置于距焦平面3cm、6cm、9cm处,采用水听器描绘出每种情况下声场的分布。在离体组织中进行HIFU辐照,研究HIFU声束透过肋骨时,肋骨对HIFU生物学焦域的位置、形态以及体积的影响和肋骨表面发生的变化。同时研究聚焦超声换能器的f-number(即换能器焦距与直径的比值)对HIFU透过肋骨后生物学焦域的影响,为临床选择合适的换能器提供建议,对临床应用HIFU治疗受肋骨阻挡的肝癌提供建议,同时为应用HIFU在不切肋骨情况下治疗肝癌提供理论基础。目的1.研究声通道上的条状障碍物对HIFU声场的影响,对临床应用HIFU治疗有肋骨遮挡的肝癌提供理论基础。2.研究相同输出声功率下,声通道上的条状障碍物对HIFU生物学焦域位置、形态、体积的影响;研究提高输出声功率以补偿条状障碍物对声能量的衰减,声通道上的条状障碍物对HIFU生物学焦域的影响,以期对临床应用HIFU治疗有肋骨遮挡的肝癌提供建议。3.研究聚焦超声换能器的f-number (超声换能器焦距与直径比值)对HIFU透过条状障碍物的生物学焦域的影响,为临床选择合适的换能器提供建议。方法1.采用声场测量系统(由重庆海扶(HIFU)技术有限公司研发)对声场进行测量,该系统主要由水听器、吸声水槽、吸声靶、吸声材料、三维运动装置、功率源、示波器、计算机组成。聚焦超声换能器参数:频率1.0 MHz,直径200mm,焦距130mm。本实验采用聚苯乙烯(ρ=1.05g/cm2,c=2340m/s,α=0.2dB/cm)来模拟肋骨。肋宽10mm,肋间隙20mm,厚度5mm。通过水听器描点的方式,采用声场测量系统进行声场测量。测量前对水听器进行校对,令水听器的声轴与聚焦换能器的主声轴处于声学共轴状态,还要求该共同声轴与水听器移动的Z轴平行。将水听器沿共同声轴移动,找到被测系统的声压焦点位置,并且清除换能器和水听器表面的污物,在清水中浸泡30min,确保测量过程中其表面无气泡,仪器预热15min。首先测量HIFU声通道上不引入肋骨时的声场,然后将肋骨置于HIFU声通道中,HIFU声束分别沿肋间隙正中聚焦、沿肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面分别为3cm、6cm、9cm处。然后通过水听器描点的方式,采用声场测量系统进行声场测量。2.采用JC型聚焦超声肿瘤治疗系统(由重庆海扶(HIFU)技术有限公司研发生产),该系统包括循环脱气水装置、高频功率发生器、组合治疗头、运动机构、计算机控制系统和超声监控系统。组合治疗头包括治疗用聚焦超声换能器和诊断用超声探头。聚焦超声换能器频率1.0MHz,发射治疗超声,用于消融目标组织;诊断超声探头用于引导和实时监控。用辐射压力法测量声功率。离体新鲜牛肝脏,准备成厚度为60mm的实验样品,浸泡在0.9%的生理盐水中、复温(室温20℃)、经常规脱气45min后备用。实验中模拟肋骨由聚苯乙烯制成,其厚度为5mm,肋宽10mm,肋间隙20mm。室温20℃,将样品支架放入盛满脱气水的治疗床中,然后将准备好的牛肝放入样品支架内,样品支架内盛满脱气水并使牛肝浸在脱气水中。将肋骨置于换能器与焦平面之间,HIFU声束轴线在B超的引导下,分别沿肋间隙正中聚焦、沿肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面分别为3cm、6cm、9cm处。HIFU声束透过肋骨聚焦,在牛肝中的辐照深度为20mm。换能器的参数为:频率1.0 MHz,直径200mm,焦距130 mm。HIFU辐照参数为:辐照功率250W,辐照时间10s,辐照方式采用定点辐照。辐照结束后沿凝固性坏死块最大面剖开,直视下用Sony数码相机拍摄凝固性坏死最大剖面,测量并记录坏死灶的最大长度(L,mm)、宽度(W,mm)、厚度(D,mm)以及坏死距肝包膜的距离(F,mm)。用公式计算出凝固性坏死灶的体积V(mm3): V =π6×L×W×D结果应用SPSS和Microsoft Excel软件包作统计分析。3.HIFU设备同上,提高HIFU输出声功率以补偿肋骨对声能量的衰减。将肋骨置于HIFU声通道中,HIFU声束分别沿肋间隙正中聚焦、沿肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面分别为6cm、9cm处。辐射压力计的声吸收靶置于焦点下2cm,提高声功率,使得压力计示数与自由场下示数相同,此时肋骨对声能量的衰减已通过提高输出声功率补偿,然后进行生物学效应实验。换能器的参数为:频率1.0 MHz,直径200mm,焦距130 mm。HIFU辐照参数为:辐照声功率为补偿肋骨衰减后的输出声功率,辐照时间10s,辐照方式采用定点辐照。辐照结束后沿凝固性坏死块最大面剖开,直视下用Sony数码相机拍摄凝固性坏死最大剖面,测量并记录坏死灶的最大长度(L,mm)、宽度(W,mm)、厚度(D,mm)以及坏死距肝包膜的距离(F,mm)。用公式计算出凝固性坏死灶的体积V(mm3):结果应用SPSS和Microsoft Excel软件包作统计分析。4.选用1.0-200-130(f-number为0.65)和1.0-200-170(f-number为0.85)型换能器进行生物学效应实验,对比不同f-number对HIFU透过肋骨生物学焦域的影响。辐照方式、辐照时间均同前,两种辐照功率。声输出功率为250W的情况下,将肋骨置于HIFU声通道中,HIFU声束分别沿肋间隙正中聚焦、沿肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面分别为3cm、6cm、9cm。然后进行HIFU辐照,观察生物学焦域的形成率、体积、形态和位置。提高输出声功率,补偿肋骨对声能量的衰减,其他过程同上。结果应用SPSS和Microsoft Excel软件包作统计分析。结果1.轴向声压分布:在3种障碍物分布下(即HIFU声束分别沿肋间隙正中聚焦、沿肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦),声通道上由于肋骨的存在,声压幅值较自由场下降了60%-80%,可见肋骨对声能量的衰减较大。当障碍物距焦平面距离较近时(3cm),相对于另外2种情况,肋间隙聚焦方式透过的声能量较大,但相对于自由场,其峰值还是下降了60%。而当障碍物距焦平面较远时(6cm、9cm),3种障碍物分布下,透过肋骨后的声压幅值大小接近。在3种障碍物分布情况下,相对于自由场, -6dB焦域的尺寸增大0.5mm-1.5mm。焦点的位置相对于自由场,也发生了前移,焦点向换能器方向靠近0.1-2.3mm。2.径向声压分布:在3种障碍物分布情况下,当肋骨距焦平面3cm、6cm时,声压的分布出现多峰的现象,相对于自由场,声压幅值降低。当肋骨距焦平面9cm时,在经过了肋骨之后,波束基本上还是保持了原来的形状,声压分布与自由场接近,但声压幅值较自由场下降。3.凝固性坏死形成率:当肋骨距焦平面较近时,声束轴线从肋间隙正中聚焦时凝固性坏死形成率最大,与自由场下形成率同为100%,而声束轴线从肋缘和正对肋骨聚焦的两种情况下,形成率急剧降低,分别为25%、8%。当肋骨距焦平面中等距离或较远时,形成率均在50%以上。4.当肋骨置于远离焦平面的位置时,无论肋骨与声束轴线的关系如何,在形成凝固性坏死的同时,不会对肋骨表面形成损伤。当肋骨置于接近焦平面的位置时,在形成凝固性坏死的同时,观察到肋骨表面发生了烫伤。5.凝固性坏死体积:肋骨与声束轴线的关系对凝固性坏死体积有影响。当声束轴线从肋间隙正中聚焦时,无论肋骨置于距焦平面位置较近或较远位置,与另外2种情况相比,所形成的坏死体积较大。肋骨距焦平面的距离不同,所形成的坏死体积也不同。肋骨与声束轴线的关系以及肋骨距焦平面的距离不同,生物学焦域的长度、宽度、形态也不同。6.当肋骨置于远离焦平面的位置时,提高声功率,补偿肋骨对声能量的衰减,然后进行生物学效应实验,结果发现生物学焦域体积与形成率显著增加,同时肋骨表面正常。7.不同f-number聚焦换能器对HIFU透过肋骨对生物学焦域的影响不同。其他辐照参数同,声功率250W,f-number为0.65(1.0-200-130)透过肋骨后生物学焦域的体积和形成率都较f-number为0.85(1.0-200-170)大。提高声功率,补偿肋骨对声能量的衰减,结果同前。结论1.声通道上存在肋骨时HIFU焦域的声压幅值明显降低,声压幅值的降低与声束轴线与肋骨的相对位置以及肋骨距焦平面的距离有关。2.声通道上存在肋骨时对HIFU聚焦性(声焦域)有很大影响,-6dB焦域尺寸增加0.5mm-1.5mm,其中,肋骨距离焦平面越近,这种影响就越明显。所以,在进行HIFU治疗的过程中要充分考虑这个问题。3.声通道上的肋骨与声束轴线的相对位置以及肋骨距焦平面的距离均对生物学焦域的体积和形态有影响,较好的情况是声束透过肋间隙正中聚焦,且声通道上的肋骨距焦平面中长距离,此时损伤形态较为规则,易于控制。所以我们在HIFU治疗的过程中要充分利用这个通道。4.声通道上的肋骨距离焦平面越近,在形成凝固性坏死的同时,要留心肋骨表面可能造成的不可预测的损伤。声通道上的肋骨距离焦平面越远,在形成凝固性坏死的同时,不会对肋骨表面形成损伤,因此,在治疗有肋骨阻挡的深部肿瘤时,可以通过提高输出声功率来补偿声通道上的肋骨对HIFU治疗中能量的衰减。5.不同f-number聚焦超声换能器,在治疗有肋骨遮挡的肝癌时,f-number小的换能器更适合。即相同频率、相同直径,不同焦距换能器,短焦距的更适合治疗有肋骨遮挡的肝癌。