论文部分内容阅读
研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)治疗是一种正在兴起的无创性治疗良恶性实体肿瘤的新方法。其机制是将体外低能量的超声波束聚焦在体内靶区,通过焦域处高能量超声波产生的热效应、空化效应及机械效应等,使焦域内温度瞬时升高到60℃以上,导致焦区细胞不可逆损伤、组织凝固性坏死和蛋白质变性,而位于声通道上的组织及焦域周围的组织不受损伤。目前,临床上普遍采用二维超声成像和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)进行HIFU术中监控和实时疗效评价。其中,二维超声成像依据靶区治疗前后灰度的变化来判断疗效,但超声图像中监控到的靶区灰度变化与空化效应或汽化产生的气泡有关,而不伴随气泡产生的组织凝固性坏死引起的灰度变化很小,不易观察,所以通过二维超声成像进行疗效评价存在一定的局限性;MRI温度监控仅仅通过温度来判断组织的坏死情况,而未考虑到时间的积累效应,不能真实反映由热量沉积产生的坏死范围。HIFU技术已成为国际超声治疗学领域的一个热点,但目前HIFU技术还面临许多挑战,其中HIFU治疗的剂量学是一个重要的问题。反应热生物学效应的基本物理量是温度和时间。磁共振成像测温是一种无创无电离辐射的测温方法,利用人体组织内与温度相关的一些参数,MRI能提供HIFU治疗时的组织温度图。本研究使用磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统(MR Imaging guided HIFU,MRIgHIFU)进行离体和活体实验,基于磁共振温度图(Temperature-Map, T-Map)通过等效热剂量积分法探讨HIFU损伤离体牛肝标本组织和活体兔大腿肌肉组织的热剂量,并筛选出组织发生凝固性坏死的热剂量阈值。目的1.在单一辐照声功率和时间下,以实际凝固性坏死面积为参考,寻找离体牛肝组织/兔大腿肌肉组织发生凝固性坏死的热剂量值,取该值为参考热剂量阈值,计算出各辐照声功率和时间下每个辐照点热剂量坏死区域的边界和面积,并与实际凝固性坏死面积进行比较,探讨HIFU辐照过程中的热剂量与组织凝固性坏死之间的关系。2.选取不同的温度阈值,计算出各辐照声功率和时间下离体牛肝组织/兔大腿肌肉组织每个辐照点的温度阈值损伤面积,并与实际凝固性坏死面积进行比较,探讨HIFU辐照过程中的温度与实际凝固性坏死之间的关系。方法1.离体实验1.1实验仪器:重庆海扶(HIFU)技术有限公司和西门子联合开发制造的MRIgHIFU治疗系统,治疗头频率1.0MHz,焦距150mm。1.2实验对象:新鲜离体牛肝组织。1.3实验方法:采用定点辐照方式。辐照参数设置为:辐照深度20mm,声功率分别为150W、200W、250W,辐照时间分别为5s、10s、15s ,每组辐照12个样本点; HIFU辐照过程中用磁共振的GRE_TMap_sag_phasediff测温序列采集各体素随时间变化的温度值并计算各体素的等效热剂量值,比较计算结果与发生凝固性坏死的热剂量参考阈值的大小,判断该体素是否发生坏死;其中磁共振T-Map采样间隔为1s,图中温度值以不同的颜色编码来表示(蓝色30℃～37℃,绿色37℃～45℃,黄色45℃～55℃,红色55℃～100℃)。辐照结束后观察T1、T2和质子加权(PD)图像中靶区信号变化。然后选取不同的温度阈值,分析温度图中各体素的温度数据,计算各辐照点的温度阈值坏死面积。比较热剂量坏死面积、温度阈值坏死面积与实际凝固性坏死面积之间的关系,结果应用SPSS12.0统计软件包和Microsoft Excel软件进行分析。2.活体实验2.1实验仪器:同离体实验部分。2.2实验对象:新西兰大白兔。2.3实验方法:选择兔大腿肌肉组织为靶区进行定点辐照。辐照声功率200W,辐照时间10s;HIFU辐照过程中用磁共振的测温序列采集各体素随时间变化的温度值并计算各体素的等效热剂量值,比较计算结果与发生凝固性坏死的热剂量参考阈值,判断该体素是否发生坏死;其中磁共振T-map采样间隔为1s,图中温度值的颜色编码为:蓝色45℃～50℃,绿色50℃～55℃,黄色55℃～60℃,红色60℃～100℃。选取不同的温度阈值,分析温度图中的各体素的温度数据,计算各辐照点的温度阈值坏死面积。比较热剂量坏死面积、温度阈值坏死面积与实际凝固性坏死面积之间的关系,结果应用SPSS12.0统计软件包和Microsoft Excel软件进行分析。结果1. HIFU辐照离体牛肝组织过程中,焦点温度随着辐照时间的增加而升高,辐照结束后温度快速下降;热剂量则在温度上升到一定值后急速上升,并在温度下降前期保持上升趋势。2. HIFU辐照离体牛肝组织过程中,靶区温度高于55℃的范围随着辐照时间的增加而变大,辐照结束后开始减小;热剂量坏死区域范围亦随辐照时间的增加而变大,并在辐照结束后一段时间内继续变大。3.采用9组不同辐照参数对离体牛肝组织进行定点HIFU辐照,共108个样本点,均出现类椭圆形灰白色凝固性坏死灶,边界清晰,且坏死的面积随着辐照功率和辐照时间的增加而变大;通过计算得到的热剂量坏死面积亦随着辐照功率和辐照时间的增加变大。4. HIFU辐照离体牛肝组织实验中,单一辐照参数下计算得到的热剂量损伤阈值为59.6min,以此作为热剂量参考阈值计算得到的9组热剂量坏死面积与实际凝固性坏死面积均无统计学差异;温度阈值法中当温度阈值选为52℃时,9组辐照点中有7组的温度阈值坏死面积和组织实际凝固性坏死面积无统计学差异,当温度阈值选为56℃时,9组辐照点中只有1组统计结果无差异,且56℃时计算得到的温度阈值坏死面积均值均小于实际凝固性坏死面积。5. HIFU辐照活体兔大腿肌肉组织实验中,当热剂量参考阈值取133.8min、温度参考阈值取56℃时,所得的热剂量坏死面积和温度阈值参考面积与组织的解剖图坏死面积无统计学差异;而当热剂量参考阈值从59.6min变化到240min时,计算得到对应的热剂量坏死面积从29.9±5.8mm2变化到20.7±4.4mm2;当温度参考阈值从52℃变化到60℃时,对应的温度阈值坏死面积则从33.7±10.2mm2变化到12.3±7.4mm2。结论1. MRI引导HIFU辐照过程中采集的温度图能清楚的反映靶区温度的变化情况,HIFU辐照结束后的温度下降过程仍对热剂量的积累有贡献作用。2.基于磁共振T-Map,采用等效热剂量积分法计算得到的热剂量坏死面积能很好的反应组织实际的坏死情况,离体牛肝组织和活体兔肌肉组织热剂量损伤阈值有差异,前者为59.6min,后者为133.8min,这种差异与活体实验时动物的体液循环带走靶区部分热量,影响热剂量的积累有关。3.温度可以作为判断凝固性坏死是否发生的一个重要参数,但是要准确的判断组织发生凝固性坏死的范围,需要同时考虑温度的时间积累效应。