高強度聚焦超聲殼式輻照離體牛肝組織的實驗研究

銀麗，鄒建中，伍烽，卜銳，王琦，劉芳

（重慶醫科大學生物醫學工程學院，省部共建超聲醫學工程國家重點實驗室，超聲醫學工程重慶市市級重點實驗室，重慶 4 0 0 0 1 6）

高強度聚焦超聲（high-intensity focused ultrasound，HIFU）治療腫瘤常規采用“線—面—體”輻照方式，由深至淺逐層覆蓋腫瘤組織，其療效肯定［1］。但其治療效率有待提升，特別是對于體積較大的腫瘤，要高劑量、長時間才能達到治療目的，且產生并發癥的風險隨著投放劑量和輻照時間的增加而增大［2］。因此，尋找更為有效的HIFU輻照方式來提高治療效率，是HIFU臨床應用中急待解決的問題。本文探索一種新的輻照方式，即HIFU殼式輻照，通過輻照感興趣區的周邊而中心區域不進行輻照，使周邊形成完整封閉的凝固性壞死帶，將中心區域和靶區外周組織完全隔離，阻斷中心區域血供，使之缺血、缺氧、壞死。本文通過比較殼式輻照與傳統式輻照對離體牛肝組織的影響，探討殼式輻照的優勢，為HIFU殼式輻照治療腫瘤提供基礎實驗資料。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及設備

屠宰后5 h內的新鮮離體牛肝臟，切成約120 mm×100 mm×50 mm大小的組織塊，共30例，隨機分為2組：殼式輻照組15例，進行殼式輻照；傳統式輻照組15例，進行全覆蓋式輻照。輻照前需將組織塊浸泡在0.9%的生理鹽水中、復溫（室溫20℃）、在-0.05~0.1 MPa壓力下常規脫氣40 min后備用。

JC200型聚焦超聲腫瘤治療系統，由重慶海扶醫療科技股份有限公司制造，治療頭焦距140 mm，頻率1.0 MHz；日本Olympus BX51光學顯微鏡。

1.2 實驗方法

實驗前測定輸出功率，修正開機誤差。設定2組的感興趣區體積均為40 mm×27 mm×24 mm的長方體區域。在X、Y、Z 3個方向移動治療頭，通過B超監控使HIFU的焦點可定位于組織中不同深度處，根據由深至淺的原則，將感興趣區分為4個不同深度的區域進行輻照，分別為40、32、24和16 mm，相應深度的輻照聲功率為350（24 880.57 W/cm2）、350、350 和 300 W（21 326.21 W/cm2），對應深度的治療頭移動速度為4、5、6和5 mm/s。每兩條線的線間隔時間為5 min。

表1 兩種輻照方式的輻照時間和E E F的比較T a b.1 C o mp a r i s o n o f e x p o s u r e t i me a n d E E F

1.2.1 HIFU殼式輻照：定義殼式輻照組的4個輻照層由深至淺分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。感興趣區周邊完整封閉地輻照一遍，而中心區域不進行輻照。Ⅰ和Ⅳ完全覆蓋式輻照整個XY面，線間隔距離分別為3和5 mm；Ⅱ和Ⅲ輻照感興趣區周邊（圖1A）。

1.2.2 HIFU傳統式輻照：定義傳統式輻照組由深至淺的4個輻照層為1、2、3、4。逐層全覆蓋式輻照4個深度的XY面，每層的線間隔距離分別為3、4、4和 5 mm（圖 1B）。

1.3 觀察記錄指標

1.3.1 輻照時間：記錄各組的輻照時間。

1.3.2 總輻照能量和凝固性壞死體積：記錄各組的總輻照能量和凝固性壞死體積，并根據二者分別計算各組的EEF值，EEF指損傷單位體積的腫瘤（組織）所需的超聲能量。輻照后即刻先將牛肝組織沿靶體的6個面切開，再沿Z軸薄層切開靶體，每層層厚2~3 mm。觀察輻照后的壞死組織呈灰白色［3］，未壞死組織呈紅色。殼式輻照組通過測出灰白區外圍和中心紅色區的長、寬、高，以公式V=長×寬×高分別計算出兩個區域的體積并相減，計算凝固性壞死的體積。如果紅色中心區為不規則形，通過割補、剪切的方法將其轉化為規則形，用面積×高的公式計算紅色區域體積；傳統式輻照組通過測量灰白區的長、寬、高，用同一公式計算出凝固性壞死體積。再以公式 EEF= η·P·t/V［4］計算能效因子，η 為 HIFU換能器聚焦系數，P（W）為聲功率，t（s）為輻照時間，V（mm3）為凝固性壞死體積。

1.3.3 病理組織學觀察：殼式輻照組取輻照區、中心未輻照區、輻照區與外周交界處牛肝組織，傳統式輻照組取輻照區、輻照區與外周交界處牛肝組織，將兩組所取牛肝組織常規HE染色、光鏡觀察。

1.4 統計學處理

結果均以x±s表示，采用SPSS 17.0統計軟件進行處理。2組間均數比較采用獨立樣本t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩種輻照方式的輻照時間和EEF的比較

2組凝固性壞死體積的差異無統計學意義（P>0.05）；殼式輻照組的總輻照劑量、輻照時間和EEF較傳統式輻照組都有所減少（P<0.05）。見表1。

2.2 肉眼及光鏡觀察

殼式輻照組肉眼觀察可見輻照區形成完整封閉的凝固性壞死帶，中心未輻照區呈現凝固性壞死，輻照區與外周組織界限清晰（圖2A）。光鏡下可見輻照區細胞結構消失，呈片狀紅染物；中心未輻照區域細胞膜連續性消失，細胞核固縮、碎裂、溶解，或見篩網狀結構；輻照區與外周交界處可見清晰界限（圖3）。

傳統式輻照組肉眼觀察可見輻照區全部發生凝固性壞死，輻照區與外周交界處界限較為清晰（圖2B）。光鏡下可見輻照區細胞核深染、固縮，甚至溶解、消失；輻照區與外周交界區界限清晰（圖4）。

3 討論

HIFU利用超聲波的組織穿透性、方向性和聚焦性使超聲能量聚焦于靶區，使靶區組織在0.5~1.0 s內迅速升溫至60℃以上，導致蛋白質變性，靶區組織發生不可逆的凝固性壞死。它作為一種非侵入性局部治療腫瘤的技術，具有定位準確、無放射性等優點，在臨床應用中的療效肯定。但受限于超聲波本身的傳播特性，聲能在傳播過程中會出現衰減［5］，輻照效率不高，為了達到治療目的常需要高劑量和長時間輻照，隨之產生的是并發癥風險的增加、操作人員的過度疲勞。近年來，提高HIFU輻照效率的研究多集中在通過改變組織聲環境以實現HIFU增效的方面，但存在一定的不安全性、外來物質的不穩定性、操作復雜等弊端［6~9］。所以，本實驗探索一種新的HIFU輻照方式，即殼式輻照，通過減少輻照時間和投放的能量，達到提高治療效率的目的。

殼式輻照方式通過不輻照中心區，第一，減少了總的輻照能量；第二，減少了輻照時間。并且感興趣區的體積越大，殼式輻照的中心區體積也隨之增大，減少輻照能量和時間的優勢更加明顯。實驗中發現2組凝固性壞死體積無明顯差異，而殼式輻照組投放的能量少于傳統式輻照組，以致殼式輻照組的能效因子明顯少于傳統式輻照組，所以當形成相同體積的凝固性壞死組織時，殼式輻照較傳統方式輻照所需要的能量更低。而產生這種現象的機制可能是：第一，靶組織在發生凝固性壞死的同時，周圍組織也隨凝固性壞死區的不斷擴大和溫度的不斷增高發生變化，熱傳導作用使熱能從焦域內的高溫區向未輻照的中心低溫區擴散；第二，由于凝固性壞死組織聲衰減系數和聲吸收系數比周圍組織增大［10］，當聲波在聚焦后繼續傳播過程中到達已發生凝固性壞死的界面時，容易在此界面處產生大幅度吸收，使聲能大量積聚在未輻照的中心區域；第三，未輻照的中心區域位于聚焦聲束途徑上，輻照靶區的過程中超聲能量在聲束途徑上被吸收，當能量積聚到一定程度時可使聲束途徑區域產生不同程度的損傷甚至發生凝固性壞死。

HIFU殼式輻照靶區為了形成完整封閉的凝固性壞死帶，在盡量減少輻照劑量的前提下，需要調整不同深度的最佳聲功率（聲強）、治療頭移動速度、線間距離、層間距離和線間隔時間的組合。實驗中不同深度的聲功率和治療頭移動速度是根據每個深度形成的單條線狀凝固性壞死的Z軸徑線和Y軸徑線來調整，使層間距離小于或等于Z軸徑線，線間距離小于或等于Y軸徑線，以達到凝固性帶完全“封閉”的效果。而當線間隔時間減少時，由于熱擴散和熱積聚的影響增大，可適當增大層間距離和線間距離，也可達到“封閉”效果，但熱量的擴散呈非線性規律，形態不規則，不易控制，可能造成感興趣外周組織的損傷。

本實驗為全新的HIFU輻照方式應用于臨床提供了實驗基礎，展示了HIFU殼式輻照潛在臨床應用價值。但殼式輻照畢竟是一種新的輻照方式，存在一定的問題，如實驗資料建立在離體組織上，缺少活體生物血液循環、呼吸運動，聲束聚焦途徑復雜性等問題，以上問題都有待進一步探索。

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