腫瘤治療用高強度聚焦超聲換能器的研究現狀

劉剛, 尹軍剛

威海市婦女兒童醫院 醫療設備科,山東 威海 264200

腫瘤治療用高強度聚焦超聲換能器的研究現狀

劉剛, 尹軍剛

威海市婦女兒童醫院 醫療設備科,山東 威海 264200

高強度聚集超聲（High-intensity Focused Ultrasound，HIFU）作為一種非侵入性、無毒副作用、具有巨大潛力的腫瘤治療手段，近年來已經越來越受到國內外學者的廣泛關注。高強度聚焦超聲換能器是HIFU腫瘤治療設備的核心部件，直接影響治療的效果。因此，本文就其發展過程、治療機制及應用等相關問題做一綜述。

高強度聚焦超聲；換能器；腫瘤治療

0 引言

高強度聚集超聲被認為是20世紀末無創傷外科，特別是腫瘤治療技術的一項突破性進展，發展迅速[1-2]。HIFU腫瘤治療技術是指超聲換能器發出的超聲波在超聲聚焦裝置的作用下形成高強度超聲能的焦點區域，人體腫瘤組織吸收焦點區域的高強度超聲能量，短時間內使置于焦點靶區的腫瘤組織溫度升到60℃以上而致死靶區腫瘤組織的治療技術。聚焦超聲換能器是HIFU腫瘤治療設備的核心部件，目前國內外諸多學者都致力于對其的研究。

1 高強度聚焦超聲換能器的發展

高強度聚焦超聲換能器的歷史，可以追溯到20世紀40年代。1942年，美國哥倫比亞大學的I.G.Lynn.，首次采用單個X切石英單晶體凹球殼聚集換能器對活體動物的中樞神經系統進行實驗觀察。1955年美國依利諾大學的W.J.Fry等用四個X切石英圓形平板換能器，每個換能器前附加一平凹形塑性材料聲透鏡，4個換能器的波束預聚集于共同焦點，每個換能器可單獨調節相位，以達到焦域聲強的最大值，研究高強度超聲對動物神經組織的選擇性損傷作用。這時的換能器材料大多是石英材料，它的優點是壓電性能與諧振頻率的穩定性好，缺點是因其各向異性而需定向切割，阻抗高需要高壓激勵，材料來源少且尺寸難做大。

20世紀60年代石英換能器逐漸被壓電陶瓷多晶材料（如鋯鈦酸鉛PZT等）換能器所取代。到20世紀90年代，英國倫敦皇家馬斯頓醫院的G.ter Haar 和C.R.Hill等使用凹球殼壓電陶瓷換能器研制了供臨床應用的治療設備，在治療前列腺、肝和膀胱的良性及惡性腫瘤疾病方面，取得療效。這種單元凹球殼壓電陶瓷換能器結構簡單，轉換效率高，阻抗低，易與驅動電路匹配，但其焦點位置及焦域形狀固定，因而在治療較大病灶時，需借助精密而多維的機械調節裝置對治療部位進行掃描治療。而制作較大孔徑換能晶片所需材料燒結與制作工藝也要求較高[3]。多元電子相控陣換能器的出現，在上述這些方面具有極好的靈活性和巨大的潛力。Daum等人于1999年研制了在一個凹球面基體上安裝256個陣元組成的多元電子相控陣換能器。通過計算機和電路控制每個陣元發射聲束的相位與幅度，可在病灶區域方便地實現精確的焦點定位，逐點掃描，乃至多焦點同時治療。這種多元陣的制作工藝及陣元性能的一致性均要求甚高，所需控制電路復雜、造價高。另外，由于陣元波束之間的相互干涉。其聲場還存在不希望的柵瓣、旁瓣等問題。因此，多元電子相控陣換能器還需要進一步進行研究，優化其設計方案。目前，GE、西門子、日立等公司都已積極參與到這個領域[4]。

我國的HIFU治療技術的研究與臨床應用，近幾年取得突破性進展。在聚集換能器研制技術上，也具有自己的特色。重慶醫科大學采用單元大直徑換能器結構，配合有6自由度微機控制機械調整治療床，可實現對病灶的精確定位與掃描治療[3]。北京醫科大學與中科院聲學所合作，采用多元凹面換能器陣結構，也配有精確機械定位裝置，可對治療過程進行監視，兩家都在換能器中央部分安裝有B超探頭。西安交通大學萬明習等研制了256陣元相控換能器，其聲場的焦域形狀和聚焦聲強均達到了治療的要求，而且能夠減少肋骨上的聲功率累積，避免了正常組織受損[5-6]。上海交通大學陳亞珠等對多元電子相控聚焦陣進行模擬設計與計算仿真研究，提出了相控陣列的優化設計方法[7-8]。

2 高強度聚焦超聲換能器的設計

2.1 HIFU殺滅腫瘤的機制

HIFU殺滅腫瘤的機制主要有熱效應、空化效應和機械效應。熱效應在HIFU腫瘤治療中起重要作用，空化效應的作用也不可忽視，而機械效應在HIFU生物學效應中的作用不是很大，但機械壓力本身可以通過引起空化效應進而對組織造成傷害。聲強、輻照持續時間和組織的聲學特征，除此之外，超聲波的衰減、組織比熱、血流狀況對組織升溫也有重要影響。在頻率和組織吸收系數不變的情況下，聲強越大，輻照時間越長，組織吸收的熱量越多，組織溫度上升越快，就越易使組織受損傷。因此，健康組織所受的輻照量要盡量少，滿足治療條件的情況下,要盡量降低發射源聲強和減少健康組織受輻照的時間。

（2）空化效應。超聲空化是生物組織及其液體中的微小氣泡核在超聲波的作用下泡核的振蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動力學過程。高強度超聲場中，正負聲壓交替出現，在負壓時泡核生長成空化泡，而在正聲壓時剛剛形成的空化泡壓縮而使之崩潰。在空化泡崩潰時常伴有聲、發光、沖擊波、高速射流等現象發生。當超聲輻照強度超過一定值時，空化效應增強。如焦斑中出現小“孔”，這些孔是由空化效應或組織間液體的“暴沸”所引起。一旦空化產生，將會使焦斑擴散且擴散點位置難以預測，在高強度聚焦超聲治療過程中需要在對超聲強度和超聲輻射時間的選擇上平衡考慮，盡量避免空化的發生。

（3）機械效應。超聲波是一種機械波，當超聲波在人體組織中傳播時，不論其強度大小都產生機械振動。例如頻率為1 MHz的超聲，聲強為2 W/cm2，作用于人體時，其質點振動速度為0.16 um/s。超聲波的機械作用主要是輻射壓強和超聲壓強所致。輻射壓強能引起蛋白質變性、細胞、組織變形。當組織中存在輻射壓差時引起液體流動，即沖流效應。輻射壓可使溶劑和懸浮體獲得不同的加速度，而產生內摩擦，該效應能使生物大分子解聚。超聲在液體或人體組織內傳播時，沿波動方向發生周期性變化的正壓和負壓，使受到超聲作用的質點來回振動。這些振動可能使細胞產生平動、轉動，細胞溶解、細胞功能改變。

2.2 高強度聚焦超聲換能器的種類及聚焦方法

超聲加熱治療腫瘤的最大特點是超聲波可以聚焦，它可以把聲能聚焦到2 mm×2 mm×10 mm的空間里，其體積小于一般的常見腫瘤，而此時的能量極大（聲強I＞1000 W/cm2）,這是任何其他加熱方法所不能做到的[10]。現有的HIFU聚焦換能器按聚焦原理主要可分為：球面自聚焦、超聲透鏡聚焦、相控陣聚焦三種。

（1）球面自聚焦：利用球面聚焦換能器直接聚焦，球面自聚焦換能器是將壓電陶瓷片研磨成球冠狀，或由幾十個甚至幾百個平面陶片膠合而成一個球冠狀，其制作工藝和功放電路的性能要求比較高，且此換能器一般采用機械掃描方式，同時體積大、電聲效率偏低，焦距不可調節。

（2）超聲透鏡聚焦：由超聲通過透鏡材料形成聚焦，透鏡雖然加工容易，但難以找到耐高溫、阻抗匹配、衰減小等性能兼顧的透鏡材料，因為高強超聲聚焦時，透鏡本身吸聲而產生高溫會使透鏡變形，另外，超聲透鏡的聚焦效果不僅與媒質有關，還與透鏡材料有關，界面反射及聲透鏡衰減還會造成聲能量損失，電聲效率低，焦距不可調節。

（3）相控陣聚焦：相控陣換能器包含許多小的陣元，小陣元本身并不聚焦，通過控制陣元激勵信號的相位，使聲波陣面曲率和中心位置發生變化，實現一點或多點聚焦，同時可實現焦距調節和掃描。與球面自聚焦和超聲透鏡聚焦相比，相控陣列換能器具有更加靈活的聚焦方式，可以根據具體的治理區域形成不同的焦點強度和分布模式，形成單焦點或多焦點；聲束路徑控制更加靈活，避免聲束穿越骨骼等障礙使正常組織免受損傷。因此，相控陣列聚焦對高強度聚焦超聲從理論上講是最為理想的設計結構。但相控陣列同時存在由于換能器陣列中陣元數目及其結構復雜龐大的技術難點，這大大制約了高強度聚焦超聲相控陣列治療系統的發展進程。

3 HIFU在腫瘤治療中的應用

HIFU目前在臨床上最廣泛的應用是腫瘤治療。在HIFU腫瘤治療過程中，應根據腫瘤的分期、部位、與鄰近器官的關系、超聲通道條件等，盡可能對腫瘤實施完全的熱消融[11-14]。由于HIFU是一種物理治療手段，不像化療那樣對細胞的種類依賴性較強，只要符合一定的物理條件，超聲波能夠有效到達治療部位，原則上該部位的腫瘤均可以采用HIFU治療，因此HIFU的適應癥在不斷擴大。但由于受到高強度聚焦技術本身諸多不確定因素的限制及局部解剖結構的復雜性，加上臨床應用時間尚短，因此，目前HIFU主要用于腫瘤的局部姑息治療，主要用于無法手術根治切除的實體腫瘤，是腫瘤綜合治療的方法之一[15-16]。

各種高強度聚焦超聲換能器的性能評價，歸根到底取決于臨床應用效果。應根據不同病灶及操作要求進行具體聲學設計與制作，并結合聲場特性測量加以驗證與改進。已有的幾種高強度聚焦超聲換能器仍在不斷的進行改進和提高，相信隨著換能器制作技術的提高和醫學應用的發展，各種形式的高強度聚焦超聲換能器必將HIFU技術中發揮更大作用。

[1] Dubinsky TJ,Cuevas C,Dighe MK.High-intensity focused ultrasound:current potential and oncologic applications [J].AJR, 2008,190(1):191-199.

[2] Ji YH,Li QL,Yang Y,et al.Newly progress and application of high intensity focused ultrasound in medical[J].Chinese Journal of Medical Physics,2008,25(4):759-780.

[3] 劉東順,菅喜岐.高強度聚焦超聲治療的現狀及其展望[J].生物醫學工程與臨床,2006,(6):395-398.

[4] 張濤,張舒音.高強度聚焦超聲腫瘤治療系統的安全應用[J].中國醫療設備,2012,27(2):111-113.

[5] Wang XD,Wang JL,Li P.Development of phased array high intensity focused ultrasound[J].Physics,2007,30(10):758-763.

[6] 徐豐,萬明習,陸明珠.遺傳算法在256陣元相控陣高強度聚焦超聲治療系統多焦點控制中的應用[J].生物醫學工程學雜志. 2008,25(5):1093-1097.

[7] Li GW,Li Q,Chen YZ.Optimization for High Intensity Focused Ultrasound Phased Array Design[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2007,30(10):758-763.

[8] 孟赟,白景峰,陳亞珠.雙層組織中相控聚焦超聲聲場分布的建模與計[J].中國醫學物理學雜志,2011,28(2):2567-2570.

[9] 朱元光,張平,張曉靜,等.高強度聚焦超聲換能器聲場的數值仿真與實驗測量[J].國際生物醫學工程雜志,2011, 34(2):78-81.

[10] 陳曉瑞,王韶林,李智華,等.高強度聚焦超聲可治療區域的仿真研究[J].生物物理學報,2012,28(1):73-80.

[11] 張瑋,揚婷婷,胡令軍.高強度聚焦超聲技術治療213例子宮肌瘤及子宮腺肌瘤的療效分析[J].中華中西醫雜志, 2007,8(9):809-810.

[12] Rebillard X,Gelet A,Davin JL,et al.Transrectal highintensity focused ultrasound in the treatment of localized prostate cancer[J].Journal of Endourology, 2005,19(6):693-701.

[13] Hubert P,David M,Apoutou N,et al.High-intensity focused ultrasound ablation for the treatment of colorectal liver metastases during an open procedure:study on the pig[J].Ann Surg,2009,249(1): 129-136.

[14] Guan LM,Wang ZB,Wu F,et al.The effect of high intensity focused ultrasound on breast cancer tissues and carcinoma vascularities[J].Clinical Medical Journal of China,2006,13(4):675-677.

[15] 金成兵,冉立峰,楊煒,等.高強度聚焦超聲治療放療后殘留肝癌的初步臨床觀察[J].中華超聲影像學雜志,2011,20 (1):22-25.

[16] 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].中國醫療設備,2009,(11):87-88.

Current Research Situation of High-intensity Focused Ultrasound Transducer for Oncotherapy

LIU Gang, YIN Jun-gang
Medical Equipment Department, Weihai Maternal and Child Hospital,Weihai Shandong 264200, China

As non-invasive technique with non-toxic side effects and great potential, high-intensity focused ultrasound(HIFU) has

widespread attention from scholars both at home and abroad in recent years. High-intensity focused ultrasound transducer is the core component of HIFU treatment equipment for oncotherapy, which chould affect the therapeutical result directly. Therefore, this paper summarizes some related issues of high-intensity focused ultrasound transducer, including its development, working principle, applications and so on.

high-intensity focused ultrasound; transducer; oncotherapy

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.022

1674-1633(2012)09-0086-03

2012-05-14

2012-07-09

作者郵箱：lluu521@sina.com