高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人對(duì)組織損傷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲(highintensityfocusedultrasound，HIFU)是一種有效且潛力巨大的非侵入性治療腫瘤的技術(shù)。HIFU的原理是利用超聲波具有生物組織內(nèi)可穿透性及能量可聚集性的特點(diǎn)，將較低強(qiáng)度超聲波從體外聚焦于生物體內(nèi)的靶區(qū)內(nèi)，形成一個(gè)高強(qiáng)度超聲波匯聚的焦域區(qū)，高強(qiáng)度超聲產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)(主要包括高溫?zé)嵝?yīng)、空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等)致使焦域區(qū)組織細(xì)胞傾刻變性壞死(此凝固性壞死區(qū)域稱為生物學(xué)焦域)，焦域區(qū)周圍組織無顯著

2、損傷。近年來，隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，HIFU在腫瘤治療領(lǐng)域里的應(yīng)用受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注；同時(shí)，HIFU治療設(shè)備的性能也在為適應(yīng)臨床需要而不斷改進(jìn)。 本研究采用的是自主開發(fā)的高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人(3D-guidedHIFUTreatmentParallelConnectiontoRobot，3D-HIFU-TPCR)。與傳統(tǒng)治療儀相比，其具有結(jié)構(gòu)輕巧、制造成本低、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)勢(shì)。此外，傳統(tǒng)HIFU

3、治療儀的聲波能量經(jīng)固定的路徑進(jìn)入目標(biāo)區(qū)聚焦，治療時(shí)超聲能量集中分布在聲束所通過的組織路徑上，易對(duì)聲波所通過路徑上的機(jī)體組織產(chǎn)生損傷。自主開發(fā)的治療儀其超聲波換能器能夠按照控制指令要求，進(jìn)行圓錐形擺動(dòng)，可最大程度地將所經(jīng)路徑上的聲波能量分布在盡可能大的組織面積上，從而在保證聚焦區(qū)治療效果的情況下，大大降低聲波在進(jìn)出途徑上對(duì)正常組織的損傷，顯著減少了治療的副作用。這一設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度聚焦超聲在腫瘤治療方面的臨床應(yīng)用提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。

4、 本課題采用自主開發(fā)的3D-HIFU-TPCR對(duì)動(dòng)物離體和活體組織分別進(jìn)行定點(diǎn)脈沖輻照，旨在探討該治療儀所產(chǎn)生損傷效應(yīng)的精確性、有效性以及影響因素，并初步評(píng)價(jià)了超聲的監(jiān)控作用，為其隨后的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本研究分三部分展開： 第一部分高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人對(duì)離體肝臟組織損傷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 探討自主研制的3D-HIFH-TPCR在換能器擺動(dòng)治療模式下對(duì)離體豬肝組織的定位損傷效應(yīng)及影響因素。在輻照聲強(qiáng)為

5、2000W/cm2時(shí)，采用該裝置對(duì)換能器擺動(dòng)組和換能器固定組的離體豬肝組織分別進(jìn)行定點(diǎn)脈沖輻照，輻照深度分別定位于豬肝組織表面下10mm和20mm，輻照時(shí)間分別為5s、10s、15s和20s。測(cè)量凝固性壞死區(qū)體積及其中心距組織表面距離。取靶區(qū)組織進(jìn)行組織病理學(xué)檢查。比較換能器擺動(dòng)治療組和換能器固定治療組對(duì)靶組織的損傷效果，并分析輻照深度及輻照時(shí)間對(duì)生物學(xué)焦域的影響。 結(jié)果顯示：(1)3D-HIFH-TPCR輻照靶區(qū)形成凝固性壞死

6、區(qū)，與周圍組織分界清楚。(2)在相同輻照劑量下，換能器擺動(dòng)組與換能器固定組所產(chǎn)生的凝固性壞死區(qū)體積大小間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(3)凝固性壞死區(qū)中心距組織表面的距離與預(yù)設(shè)輻照深度間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(4)在相同輻照聲強(qiáng)及輻照深度下，凝固性壞死區(qū)體積的測(cè)值隨輻照時(shí)間增加而增大，體積測(cè)值間差異有顯著性意義(P＜0.05)；在相同輻照聲強(qiáng)及輻照時(shí)間下，凝固性壞死區(qū)體積的測(cè)值隨輻照深度增加而減小，體積測(cè)值間差異有顯著

7、性意義(P＜0.05)。 第二部分高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人活體肝臟組織損傷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 本研究采用自主研制的3D-HIFH-TPCR，在輻照聲強(qiáng)為2000W/cm2時(shí)對(duì)14只實(shí)驗(yàn)犬的肝實(shí)質(zhì)進(jìn)行體外定點(diǎn)脈沖輻照，輻照深度分別為皮下3cm和4cm，輻照時(shí)間分別為6min，8min和10min，系列測(cè)量輻照后即刻、2min和5min時(shí)超聲所示靶區(qū)強(qiáng)回聲區(qū)面積，隨后解剖觀察并測(cè)量凝固性壞死區(qū)體積及實(shí)際最大剖面面積。

8、取凝固性壞死區(qū)內(nèi)及其與周邊正常組織交界區(qū)組織進(jìn)行組織學(xué)檢查。以探討該裝置對(duì)活體肝臟組織的定位損傷效應(yīng)和影響因素，并初步評(píng)價(jià)了超聲在3D-HIFU-TPCR治療過程中的監(jiān)控作用。 結(jié)果顯示：(1)3D-HIFH-TPCR輻照活體肝臟組織后超聲示靶區(qū)回聲明顯增加，呈強(qiáng)回聲改變且其面積隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在相同輻照劑量下，輻照后即刻超聲所測(cè)強(qiáng)回聲面積大于實(shí)際最大剖面面積，兩者間差異有顯著性意義(P＜0.05)，2分鐘及5分鐘時(shí)超聲

9、所測(cè)強(qiáng)回聲面積與實(shí)際最大剖面面積間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(2)3D-HIFH-TPCR輻照活體肝臟組織后靶區(qū)內(nèi)形成灰白色凝固性壞死區(qū)，周邊包繞暗紅色充血帶，與周圍正常組織分界清楚。(3)3D-HIFH-TPCR定點(diǎn)輻照離體組織，在相同輻照聲強(qiáng)及輻照深度下，生物學(xué)焦域體積的測(cè)值隨輻照時(shí)間的增加而增大，體積測(cè)值間差異有顯著性意義(P＜0.05)；在相同輻照聲強(qiáng)及輻照時(shí)間下，生物學(xué)焦域體積的測(cè)值隨輻照深度的增加而變小，體積測(cè)值間差

10、異亦有顯著性意義(P＜0.05)。 第三部分高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人對(duì)活體不同組織損傷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究 采用自主研制的3D-HIFH-TPCR，對(duì)活體犬的腎臟和肌肉組織在輻照聲強(qiáng)為2000W/cm2、輻照時(shí)間為6min和輻照深度為皮下3cm時(shí)分別進(jìn)行定點(diǎn)脈沖輻照，結(jié)合第二部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測(cè)量和比較輻照后肝臟、腎臟和肌肉3種組織超聲聲像圖中強(qiáng)回聲區(qū)面積及生物學(xué)焦域體積的大小。輻照結(jié)束后分別取凝固性壞死區(qū)內(nèi)及其與周邊

11、正常組織交界區(qū)組織進(jìn)行組織學(xué)檢查。比較在相同參數(shù)下3D-HIFH-TPCR定位輻照活體不同組織所產(chǎn)生損傷效應(yīng)。 結(jié)果顯示：在輻照聲強(qiáng)為2000W/cm2、輻照時(shí)間為6min和輻照深度為皮下3cm時(shí)，活體犬肝臟，腎臟以及肌肉組織超聲聲像圖中強(qiáng)回聲區(qū)面積分別為(471.40±56.20)mm2、(117.16±16.89)mm2、(881.82±32.54)mm2，生物學(xué)焦域體積分別為(3243.49±243.79)mm3、(608

12、.28±73.55)mm3、(7886.82±165.64)mm3；3種組織間強(qiáng)回聲面積及生物學(xué)焦域大小的差異均有顯著性意義(P＜0.05)，由大到小依次為肌肉、肝臟和腎臟。 結(jié)論 (1)高強(qiáng)度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機(jī)器人在換能器擺動(dòng)模式下對(duì)組織可產(chǎn)生精確有效的損傷。 (2)生物學(xué)焦域與輻照劑量及組織生物學(xué)特性有關(guān)。 (3)超聲可以準(zhǔn)確的反映3D-HIFH-TPCR在生物組織中形成的損傷效應(yīng)，是一種方便