高強聚焦超切除腫瘤的物理機制及最新進展＊

康永香 孔繁之

（濟寧醫學院醫學信息工程學院，山東 日照276826）

1 高強聚焦超聲（High intensity focused ultrasound，HIFU）“切除”腫瘤技術的興起

當前，HIFU正以對人體的無創治療特點悄然地成為了腫瘤治療領域的最主要技術之一。該療法是將一定強度的超聲束在體外加以聚焦，使焦點處的高能量定位于患者體內的腫瘤上，然后進行一定時間的照射，通過能量的轉化使腫瘤組織溫度升高至蛋白質變性，蛋白質凝固性壞死；由于超聲波方向性好的特性，這種療法既不會傷及腫瘤周圍的正常組織，最終又能達到無創治療腫瘤的目的。自20世紀90年代到今天，國際和國內均掀起了HIFU理論和臨床實驗的研究熱潮。近年來我國若干高等學校及研究所在這一領域也進行了理論和相關的臨床研究，取得了一系列的成果［1－3］。

HIFU技術最核心的特點就是無創地進行腫瘤的“切除”，從而使患者無須再忍受外科手術的痛苦。這一技術的實現源于超聲波在人體內部傳播時和人體組織的相互作用，這些相互作用我們稱之為物理機制。

2 HIFU“切除”腫瘤的物理機制

HIFU主要是利用超聲波良好的組織穿透性和方向性，通過體外聚焦，在機體組織內的腫瘤處形成高強度的聲場，通過超聲場對人體腫瘤組織一定的作用來實現的。這些物理機制通常包括機械機制、熱機制和空化機制。3種作用機制介紹如下。

2.1 機械機制

超聲波是頻率大于2萬赫茲的機械波。當在人體組織或液體中傳播時，人體組織內部會產生機械振動，即在超聲波線前進方向會發生周期性變化的正壓和負壓，使受到超聲作用的組織質點來回振動。當聲強達到一定取值時，強烈變化的力學作用可以破壞細胞膜及其支持結構；在膜性結構破壞的瞬間，其溫度可高達幾千度，導致腫瘤區內細胞受損，引起腫瘤區內細胞溶解、細胞功能改變、DNA大分子降解及蛋白質變性，并可造成細胞間黏滯系數降低，細胞分離脫落等。

2.2 熱機制

在線性聲學理論基礎上，由于生物組織的聲吸收特性，由于人體組織的黏滯性、熱傳導和分子弛豫過程的存在，當超聲波在人體組織內傳播時，超聲的一部分能量將會被轉化為人體組織的內能，從而造成人體組織溫度的升高。當溫度達到人體組織蛋白質變性的時候，就可以形成腫瘤細胞的凝固性壞死，從而達到切除腫瘤的目的。但是，Maxim AS等［4］研究發現當超聲被高強度聚焦并在人體組織中傳播時，常會伴有非線性效應產生，它所激發的熱效應往往比線性的超聲波所激發的熱效應更大。

2.3 空化機制

空化機制是當超聲波在液態物質中傳播時，液體中內源性或外源性微氣泡（空化核）發生振蕩、收縮、膨脹、內爆等一系列的動力學過程。空化包括穩態空化和瞬態空化。穩態空化指微泡在超聲作用下沿著平衡半徑左右多次振蕩，在每一個振動微泡周圍的不均一環狀區域將產生直徑較小的穩定、均勻的血流束即微流，在此過程中沒有微泡的破裂。隨著聲強的增大，空化核將隨著超聲周期相而膨脹、收縮及爆破，最后在瞬間內爆階段，微泡釋放出泡內聚集的巨大能量，并伴有強大沖擊波、高速微射流和自由基的產生，此為瞬態空化。國外研究表明［5］，在瞬態空化下，細胞和組織受到生物學損傷的危險性較高，高強度的壓力波會使細胞損傷、破裂、DNA斷裂以及溶血、組織損傷、出血等。

超聲空化的研究始于1894年，Reyrolds首次觀察到了空泡現象；1919年，他提出超聲空化泡理論模型。此后人們對超聲空化泡的運動狀態及其基本效應展開了廣泛的研究，證明空化機制增加了熱效應和HIFU治療體積，有利于HIFU治療腫瘤。Canney MS等［6］通過有限幅值聲波傳播模型數值模擬與實驗研究HIFU在PAA凝膠體模中損傷形成的機制，在聲功率為32W時，空化和非線性加速了損傷初期形成。Farny CH等［7］對HIFU治療中空化泡的存在對熱效應和空化機制的促進作用進行了研究，聲場中振動的空化泡對熱的擴散和空化機制中能量的轉換具有重要的作用。Tamura Y等［8］提出HIFU空化的數值模擬，給臨床治療提供了一定的數據參考。王琦等［9］研究了血管中的微泡一定程度上增強了HIFU的治療效果。Zhu Y等［10］分析了穩態空化和瞬態空化發生的條件，指出空化加速熱量在組織內的聚集，并得到實驗數據的證實。Collin J等［11］實現了對臨床HIFU系統中空化效應的三維實時探測。

綜上所述，HIFU治療腫瘤是機械機制、熱機制和空化機制共同作用的結果，而熱機制和空化機制是最重要的機制。

3 最新進展

近幾年以來，隨著HIFU技術的進步和逐漸成熟，越來越多的腫瘤疾病已經納入到了治療范圍。Li P等［12］討論了運用HIFU治療不可切除的胰腺癌腫瘤患者的存活時間及并發癥等問題；Cheung TT等［13］分析了HIFU治療肝癌的有效性；張濤等［14］探討HIFU對晚期胰腺癌患者治療的效果和安全性；Zhou YF［15］的文獻中認為HIFU是一種很有前途的用于乳腺癌治療的方法。但Shehatal IA［16］卻指出，運用HIFU治療腫瘤不是對所有腫瘤類型都適用，須慎重選擇合適的病例。人們用HIFU進行癌癥治療的同時也開始關注治療后所引起的一系列臨床反應。Wu F［17］探討HIFU治療癌癥及其該療法所激發的抗癌免疫反應。當前，越來越多的基于HIFU的延伸應用也層出不窮。Wu CY等［18］提出了脈沖高強聚焦超聲對病灶藥物聚集的促進作用；Lee ES等［19］用脈沖高強聚焦超聲聯合吉西他濱治療胰腺癌可提高細胞凋亡率和降低腫瘤的生長；Saedi N等［20］發現HIFU可以應用于肥胖人群進行減肥，并且取得了明顯的瘦身效果。

4 結論

從高強聚焦超聲“切除”腫瘤的3個物理機制的描述和大量實驗的結果可以看出，熱機制和空化機制是HIFU治療腫瘤最主要的機制。當前階段，HIFU已經不僅僅是治療癌癥的一種高級的技術手段，基于HIFU“切除”腫瘤的物理機制及超聲生物效應的其它方面特性，越來越多的其它實際應用已經初步的呈現出來，相信HIFU將來會有越來越廣闊的應用空間和應用前景。

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