王維紅

高強度聚焦超聲在腫瘤治療中的應用研究

王維紅①

探討高強度聚焦超聲的結(jié)構(gòu)與原理及其在治療惡性腫瘤方面的價值及未來發(fā)展方向。高強度聚焦超聲治療是利用超聲波的生物溫熱效應，將高強度的超聲波聚焦于病灶組織，達到破壞病灶的目的。此種治療方式無需采用侵入性手段即可破壞病灶，可極大減輕對機體正常組織的損傷，改善患者的生活質(zhì)量。未來，隨著高強度聚焦超聲系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展、應用和普及，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。高強度聚焦超聲作為一種新興的無創(chuàng)腫瘤治療技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外廣泛開展，并取得了顯著臨床效果。利用多組超聲波聚焦于一點來治療腫瘤，其治療方法主要是利用超聲波的生物溫熱效應，將體外發(fā)射的多組低能量的超聲波聚焦于腫瘤細胞組織，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，從而達到破壞腫瘤細胞組織的目的［1］。該治療方式的優(yōu)點是無需采用侵入性手段即可破壞腫瘤細胞組織，屬于無創(chuàng)治療技術(shù)，可極大減輕對機體正常細胞組織不必要的損傷。

1　高強度聚焦超聲治療儀的主要結(jié)構(gòu)

高強度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)主要由高強度聚焦超聲換能器、功率放大單元、計算機控制系統(tǒng)、定位評估系統(tǒng)、運動控制系統(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　高強度聚焦超聲熱療系統(tǒng)原理框圖

1.1高強度聚焦超聲換能器

晶振單元由壓電晶片組成，壓電晶片受電信號激發(fā)發(fā)射超聲，進入人體組織，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，轉(zhuǎn)換成電信號送入儀器。晶振單元是應用晶片的壓電效應制作的，實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(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)射出來的超聲波匯聚于一點，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達到匯聚聲波的目的［7-9］。單元透鏡聚焦系統(tǒng)采取下探頭方式，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，聚焦效果好。單元透鏡聚焦系統(tǒng)缺點為：①效率低；②治療時患者需要全身麻醉，皮膚浸在水中且不安全；③操作時監(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壓電晶體分布在同一曲面上面成為幾何聚焦，上百個壓電晶體發(fā)出超聲重合的區(qū)域即為焦點，其位置完全由幾何曲面的曲半徑?jīng)Q定，這種高強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)的缺點為：①發(fā)射功率小，聚焦性能差，不能轉(zhuǎn)動；②治療時患者皮膚浸在水中，容易感染；③監(jiān)控難，治療時間長；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)是將多個自聚焦晶振單元排列在凹球面上面再次聚焦，這種設(shè)計的優(yōu)點是有利于在焦點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］。多元陣雙重高強度聚焦超聲系統(tǒng)與其他高強度聚焦超聲腫瘤熱療相比，具有如下特征：①多個（＞4個）雙重聚焦晶振單元可以任意組合發(fā)射，方便靈活；②患者無須麻醉，治療相對安全；③干式治療，治療時患者皮膚不與水接觸，安全衛(wèi)生；④B超圖像實時監(jiān)控并能分別調(diào)節(jié)多個換能器的輸出功率，保證治療過程安全；⑤患者治療時可自由仰臥，相對舒服；⑥有多個治療參數(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的電功率用來激發(fā)超聲換能器，使超聲換能器產(chǎn)生高頻機械振動向外輻射超聲波。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。

因每個換能器要接一個超聲功率放大器，因此功率放大器要做到頻率高、功率大及體積小。如SONOTHERMR 1000型在一個輻射頭內(nèi)含有多達4×4的多元陣超聲換能器，則應配置16個獨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50%，這樣轉(zhuǎn)變成超聲時功率可達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，每個換能器分別由一路功率放大器控制，這種設(shè)計可以避免由于同一頻率下由不同換能器發(fā)射出來的超聲相互干擾而造成對于聲場的影響。每個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，可以根據(jù)患者的實際情況調(diào)節(jié)到合適的大小，保證治療的有效和安全［15］。

1.4計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)包括電腦中央控制系統(tǒng)、實時控制系統(tǒng)和監(jiān)視定位系統(tǒng)3個部分。計算機控制系統(tǒng)是應用計算機技術(shù)實現(xiàn)治療自動控制的核心系統(tǒng)。通過監(jiān)視定位系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，由電腦中央控制系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)產(chǎn)生對機械運動和功率轉(zhuǎn)換等其他系統(tǒng)運行的實時控制信號［16］。

監(jiān)視控制與實時控制相結(jié)合是計算機控制系統(tǒng)的特色。這種方案將控制分為兩個層次：即監(jiān)視控制層和實時控制層。監(jiān)視控制管理患者治療信息、圖像采集、制定治療方案及計算治療運動數(shù)據(jù)。實時監(jiān)視治療過程，對設(shè)備進行實時控制，實時監(jiān)測故障，精確控制治療換能器的機械運動。監(jiān)視控制層和實時控制層并行協(xié)調(diào)工作，可極大提高控制效率。

B超診斷儀在高強度聚焦超聲腫瘤機中完成治療監(jiān)視控制和腫瘤定位的雙重功能。監(jiān)控系統(tǒng)實時采集B超圖像，可以實時監(jiān)控治療過程，根據(jù)所獲得的B超圖像，完成腫瘤定位的功能，同時B超圖像也提供了腫瘤的位置及區(qū)域的信息，通過對這些信息的提取和處理，生成治療數(shù)據(jù)。使用計算機直接控制超聲功率放大器的功率調(diào)節(jié)和輸出來達到治療腫瘤的目的。多個換能器的功率可分別控制，靈活組合，避開一些關(guān)鍵部位，計算機控制系統(tǒng)還可以科學地管理患者治療信息，供臨床醫(yī)師研究病例，同時還可以為醫(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運動控制系統(tǒng)及水循環(huán)冷卻裝置

1.5.1運動控制系統(tǒng)

通過機械運動確定腫瘤的定位和治療，包括換能器、治療床和C形臂的運動驅(qū)動。治療床有3個運動方向，能分別在上下方向做240 mm移動、橫向240 mm移動和縱向1100 mm范圍內(nèi)移動。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)，使得換能器焦點能移至人體的任何部位，而且治療床的大范圍運動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)表面會產(chǎn)生強反射，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，在高強度聚焦超聲發(fā)射過程中超聲波會把水中的氣體聚集成微小的氣泡，這將嚴重影響超聲的傳播，降低了病灶處的能量聚焦治療效果［19］。

2　高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)的適用范圍

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

3　展望

高強度聚焦超聲系統(tǒng)的出現(xiàn)為臨床醫(yī)師治療腫瘤提供了一種無創(chuàng)治療手段，其應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。高強度聚焦超聲系統(tǒng)目前在臨床上的應用還處于初級階段，還有許多技術(shù)難題有待解決，尤其是超聲計量學、無創(chuàng)溫度控制及熱劑量學等方面的技術(shù)有待突破。近年來的醫(yī)學科學技術(shù)發(fā)展和醫(yī)學實踐表明，在未來的外科領(lǐng)域中，高強度聚焦超聲系統(tǒng)的應用在腫瘤治療中將起到舉足輕重的作用，隨著高強度聚焦超聲系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應用的普及，相信高強度聚焦超聲系統(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.高強度聚焦超聲治療肝癌療效分析［J］.中國醫(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體惡性腫瘤的臨床觀察［J］.湖南師范大學學報（醫(yī)學版），2009，6（4）：78-79，81.

［3］馮若，朱輝，李發(fā)琪，等.高強聚焦超聲（HIFU）無創(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，王國民，夏罕生，等.高強度聚焦超聲治療45例胰腺癌［J］.復旦大學學報（醫(yī)學版），2004，31（2）：135-137，141.

［5］陳志峰，陳萬青，陳建國，等.中國腫瘤登記地區(qū)人群骨腫瘤發(fā)病分析［J］.中國腫瘤臨床，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用及護理［J］.中華護理雜志，2001，36（4）：282-284.

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

［8］劉正，侯樹勛.惡性骨腫瘤的高強度聚焦超聲治療研究進展［J］.中國骨腫瘤骨病，2010，9（3）：259-262.

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

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

［11］胡文莉，焦玉冰，張浩，等.高強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］莊開顏，進克效，焦玉冰，等.高強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)學雜志，2010，35（4）：474-474.

［13］李仲全.高強度聚焦超聲治療骨肉瘤的臨床應用研究［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.高強度聚焦超聲治療骨腫瘤15例［J］.武警醫(yī)學，2006，17（9）：686-688.

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

［17］陳文直，王智彪，伍烽，等.高強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.高強度聚焦超聲治療骨肉瘤初步臨床觀察［J］.中國腫瘤臨床，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)合治療后影像學檢查的初步研究［J］.臨床放射學雜志，2000，19（7）：444-447.

［20］曾燕，羅小平，喻明憲，等.動脈灌注化療與高強度聚焦超聲聯(lián)合治療惡性骨腫瘤的血管造影變化［J］.重慶醫(yī)科大學學報，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］R454.1

A

王維紅，女，（1973- ），本科學歷，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