聲通道上的條狀障礙物對HIFU聲場和生物學焦域的影響研究.pdf

1、 高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）是近年來新興的一種體外無創(chuàng)治療腫瘤技術。治療的物理原理是：通過一定形式的超聲聚焦換能器，將超聲能量聚焦于靶組織，在1秒鐘內(nèi)使靶組織迅速升溫至65℃以上，導致蛋白變性，從而使靶組織發(fā)生不可逆的凝固性壞死，達到無創(chuàng)治療的目的。同時研究聚焦超聲換能器的f-number（即換能器焦距與直徑的比值）對HIFU透過肋骨后生物學焦域的影響，為臨床選

2、擇合適的換能器提供建議，對臨床應用HIFU治療受肋骨阻擋的肝癌提供建議，同時為應用HIFU在不切肋骨情況下治療肝癌提供理論基礎。 目的: 1.研究聲通道上的條狀障礙物對HIFU聲場的影響，對臨床應用HIFU治療有肋骨遮擋的肝癌提供理論基礎。 2.研究相同輸出聲功率下，聲通道上的條狀障礙物對HIFU生物學焦域位置、形態(tài)、體積的影響；研究提高輸出聲功率以補償條狀障礙物對聲能量的衰減，聲通道上的條狀障礙物對HIFU生物

3、學焦域的影響，以期對臨床應用HIFU治療有肋骨遮擋的肝癌提供建議。 3.研究聚焦超聲換能器的f-number（超聲換能器焦距與直徑比值）對HIFU透過條狀障礙物的生物學焦域的影響，為臨床選擇合適的換能器提供建議。 方法: 1.采用聲場測量系統(tǒng)（由重慶海扶（HIFU）技術有限公司研發(fā)）對聲場進行測量，該系統(tǒng)主要由水聽器、吸聲水槽、吸聲靶、吸聲材料、三維運動裝置、功率源、示波器、計算機組成。聚焦超聲換能器參數(shù)：頻率1

4、.0 MHz，直徑200mm，焦距130mm。本實驗采用聚苯乙烯（ρ=1.05g/c㎡，c=2340m/s，α=0.2dB/cm）來模擬肋骨。肋寬10mm，肋間隙20mm，厚度5mm。通過水聽器描點的方式，采用聲場測量系統(tǒng)進行聲場測量。測量前對水聽器進行校對，令水聽器的聲軸與聚焦換能器的主聲軸處于聲學共軸狀態(tài)，還要求該共同聲軸與水聽器移動的Z軸平行。將水聽器沿共同聲軸移動，找到被測系統(tǒng)的聲壓焦點位置，并且清除換能器和水聽器表面的污物，在

5、清水中浸泡30min，確保測量過程中其表面無氣泡，儀器預熱15min。首先測量HIFU聲通道上不引入肋骨時的聲場，然后將肋骨置于HIFU聲通道中，HIFU聲束分別沿肋間隙正中聚焦、沿肋骨邊緣聚焦和正對肋骨聚焦。在每種聚焦方式下，肋骨置于距焦平面分別為3cm、6cm、9cm處。然后通過水聽器描點的方式，采用聲場測量系統(tǒng)進行聲場測量。 2.采用JC型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)（由重慶海扶（HIFU）技術有限公司研發(fā)生產(chǎn)），該系統(tǒng)包括循環(huán)脫

6、氣水裝置、高頻功率發(fā)生器、組合治療頭、運動機構、計算機控制系統(tǒng)和超聲監(jiān)控系統(tǒng)。組合治療頭包括治療用聚焦超聲換能器和診斷用超聲探頭。聚焦超聲換能器頻率1.0MHz，發(fā)射治療超聲，用于消融目標組織；診斷超聲探頭用于引導和實時監(jiān)控。用輻射壓力法測量聲功率。離體新鮮牛肝臟，準備成厚度為60mm的實驗樣品，浸泡在0.9％的生理鹽水中、復溫（室溫20℃）、經(jīng)常規(guī)脫氣45min后備用。實驗中模擬肋骨由聚苯乙烯制成，其厚度為5mm，肋寬10mm，肋間隙

7、20mm。室溫20℃，將樣品支架放入盛滿脫氣水的治療床中，然后將準備好的牛肝放入樣品支架內(nèi)，樣品支架內(nèi)盛滿脫氣水并使牛肝浸在脫氣水中。將肋骨置于換能器與焦平面之間，HIFU聲束軸線在B超的引導下，分別沿肋間隙正中聚焦、沿肋骨邊緣聚焦和正對肋骨聚焦。在每種聚焦方式下，肋骨置于距焦平面分別為3cm、6cm、9cm處。HIFU聲束透過肋骨聚焦，在牛肝中的輻照深度為20mm。換能器的參數(shù)為：頻率1.0MHz，直徑200mm，焦距130mm。HI

8、FU輻照參數(shù)為：輻照功率250W，輻照時間10s，輻照方式采用定點輻照。 3.HIFU設備同上，提高HIFU輸出聲功率以補償肋骨對聲能量的衰減。將肋骨置于HIFU聲通道中，HIFU聲束分別沿肋間隙正中聚焦、沿肋骨邊緣聚焦和正對肋骨聚焦。在每種聚焦方式下，肋骨置于距焦平面分別為6cm、9cm處。輻射壓力計的聲吸收靶置于焦點下2cm，提高聲功率，使得壓力計示數(shù)與自由場下示數(shù)相同，此時肋骨對聲能量的衰減已通過提高輸出聲功率補償，然后進

9、行生物學效應實驗。換能器的參數(shù)為：頻率1.0MHz，直徑200mm，焦距130mm。HIFU輻照參數(shù)為：輻照聲功率為補償肋骨衰減后的輸出聲功率，輻照時間10s，輻照方式采用定點輻照。輻照結束后沿凝固性壞死塊最大面剖開，直視下用Sony數(shù)碼相機拍攝凝固性壞死最大剖面，測量并記錄壞死灶的最大長度（L，mm）、寬度（W，mm）、厚度（D，mm）以及壞死距肝包膜的距離（F，mm）。用公式計算出凝固性壞死灶的體積V（mm3）：V=π/6×L×W×

10、D結果應用SPSS和Microsoft Excel軟件包作統(tǒng)計分析。 4.選用1.0-200-130（f-number為0.65）和1.0-200-170（f-number為0.85）型換能器進行生物學效應實驗，對比不同f-number對HIFU透過肋骨生物學焦域的影響。輻照方式、輻照時間均同前，兩種輻照功率。聲輸出功率為250W的情況下，將肋骨置于HIFU聲通道中，HIFU聲束分別沿肋間隙正中聚焦、沿肋骨邊緣聚焦和正對肋骨聚焦

11、。 結果: 1.軸向聲壓分布：在3種障礙物分布下（即HIFU聲束分別沿肋間隙正中聚焦、沿肋骨邊緣聚焦和正對肋骨聚焦），聲通道上由于肋骨的存在.聲壓幅值較自由場下降了60％-80％，可見肋骨對聲能量的衰減較大。當障礙物距焦平面距離較近時（3cm），相對于另外2種情況，肋間隙聚焦方式透過的聲能量較大，但相對于自由場，其峰值還是下降了60％。而當障礙物距焦平面較遠時（6cm、9cm），3種障礙物分布下，透過肋骨后的聲壓幅值大小

12、接近。在3種障礙物分布情況下，相對于自由場，-6dB焦域的尺寸增大0.5mm-1.5mm。焦點的位置相對于自由場，也發(fā)生了前移，焦點向換能器方向靠近0.1-2.3mm。 2.徑向聲壓分布：在3種障礙物分布情況下，當肋骨距焦平面3cm、6cm時，聲壓的分布出現(xiàn)多峰的現(xiàn)象，相對于自由場，聲壓幅值降低。當肋骨距焦平面9cm時，在經(jīng)過了肋骨之后，波束基本上還是保持了原來的形狀，聲壓分布與自由場接近，但聲壓幅值較自由場下降。 3.

13、凝固性壞死形成率：當肋骨距焦平面較近時，聲束軸線從肋間隙正中聚焦時凝固性壞死形成率最大，與自由場下形成率同為100％，而聲束軸線從肋緣和正對肋骨聚焦的兩種情況下，形成率急劇降低，分別為25％、8％。當肋骨距焦平面中等距離或較遠時，形成率均在50％以上。 4.當肋骨置于遠離焦平面的位置時，無論肋骨與聲束軸線的關系如何，在形成凝固性壞死的同時，不會對肋骨表面形成損傷。當肋骨置于接近焦平面的位置時，在形成凝固性壞死的同時，觀察到肋骨表

14、面發(fā)生了燙傷。 5.凝固性壞死體積：肋骨與聲束軸線的關系對凝固性壞死體積有影響。當聲束軸線從肋間隙正中聚焦時，無論肋骨置于距焦平面位置較近或較遠位置，與另外2種情況相比，所形成的壞死體積較大。肋骨距焦平面的距離不同，所形成的壞死體積也不同。肋骨與聲束軸線的關系以及肋骨距焦平面的距離不同，生物學焦域的長度、寬度、形態(tài)也不同。 6.當肋骨置于遠離焦平面的位置時，提高聲功率，補償肋骨對聲能量的衰減，然后進行生物學效應實驗，結果

15、發(fā)現(xiàn)生物學焦域體積與形成率顯著增加，同時肋骨表面正常。 7.不同f-number聚焦換能器對HIFU透過肋骨對生物學焦域的影響不同。其他輻照參數(shù)同，聲功率250W，f-number為0.65（1.0-200-130）透過肋骨后生物學焦域的體積和形成率都較f-number為0.85（1.0-200-170）大。提高聲功率，補償肋骨對聲能量的衰減，結果同前。 結論: 1.聲通道上存在肋骨時HIFU焦域的聲壓幅值明顯降

16、低，聲壓幅值的降低與聲束軸線與肋骨的相對位置以及肋骨距焦平面的距離有關。 2.聲通道上存在肋骨時對HIFU聚焦性（聲焦域）有很大影響，-6dB焦域尺寸增加0.5mm-1.5mm，其中，肋骨距離焦平面越近，這種影響就越明顯。所以，在進行HIFU治療的過程中要充分考慮這個問題。 3.聲通道上的肋骨與聲束軸線的相對位置以及肋骨距焦平面的距離均對生物學焦域的體積和形態(tài)有影響，較好的情況是聲束透過肋間隙正中聚焦，且聲通道上的肋骨距

17、焦平面中長距離，此時損傷形態(tài)較為規(guī)則，易于控制。所以我們在HIFU治療的過程中要充分利用這個通道。 4.聲通道上的肋骨距離焦平面越近，在形成凝固性壞死的同時，要留心肋骨表面可能造成的不可預測的損傷。聲通道上的肋骨距離焦平面越遠，在形成凝固性壞死的同時，不會對肋骨表面形成損傷，因此，在治療有肋骨阻擋的深部腫瘤時，可以通過提高輸出聲功率來補償聲通道上的肋骨對HIFU治療中能量的衰減。 5.不同f-number聚焦超聲換能器，