高強度聚焦超聲的原理和設備及臨床應用

賀洋洋

甘肅醫學院 (甘肅平涼 744000)

高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)是利用發射脈沖超聲在其聚焦處形成很高的聲強，使焦區腫瘤組織的溫度在幾秒內達到60 ℃以上，形成損傷區，通過步進電機帶動聚焦換能器在腫瘤區域全覆蓋掃描面積，灼燒細胞治療腫瘤，然后依靠自身修復吸收，使病灶消失[1]。HIFU設備主要由換能器、功率控制單元和計算機控制系統等組成，治療的關鍵是能夠快速提升溫度，殺死腫瘤細胞，且不影響周圍正常細胞和血管系統[2]，原理如圖1。HIFU治療前先利用計算機制定治療計劃，進行數值模擬計算，研究單個組織特性參數變化對HIFU加熱和所有動態組織特性參數的影響，因此，在腫瘤的治療中，超聲密集消融技術比較安全。

圖1 HIFU利用微泡灼燒血管腫瘤細胞原理

1 HIFU的原理

2009年，牛鳳岐等[3]的研究指出，按照Haar及其他權威人士的論述，當焦點閾溫度超過56 ℃閾值，且維持1 s或更長時，即會導致組織瞬間凝固壞死，原理如圖2，此為國外同行理解的HIFU。在國內，對HIFU原理的理解有兩種觀點：(1)靶區溫度應達到65～100 ℃，采用較高的聲強和較長的輻照時間，使腫瘤一次性消融；(2)對于難以一次性消融的腫瘤，采用相對較低的聲強，控制溫度在相對較低的50～70 ℃，在無須麻醉的條件下重復治療一次或多次。

圖2 HIFU的原理

2 HIFU的設備

臨床應用的HIFU設備分為外置式和介入式兩類，主要由大功率發生器、治療頭、B超儀器、行程定位機構、操作控制等組成[4]。治療頭的超聲聚焦換能器有3種方式，具體如下。(1)球面自聚焦：換能器的形狀為凹球面(圖3a)，聲波通過凹球面直接匯聚在焦點上，形成聚焦。(2)聲透鏡聚焦：同凹面鏡可以聚焦光線的原理，當超聲波穿透聲凹面鏡后，將原本不聚焦的聲波匯聚在我們想要的目標位置，形狀如圖3b。(3)相控陣聚焦：多個壓電振子按照一定的規律分布排列，控制單元按照規定時間同時記錄每個振子，所有振子發出的聲波形成一個整體波面，形狀如圖3c。

a

b

c

3 HIFU的臨床應用

3.1 在肝臟腫瘤中的應用

肝癌是全球常見惡性腫瘤之一，治療以手術為主，但患者5年生存率僅有25%～30%。吳陽等[5]對接受HIFU治療的118例肝臟腫瘤患者的近期療效進行觀察，結果發現，HIFU對原發性和轉移性肝內惡性腫瘤的治療效果均較好。李荔霞等[6]采用HIFU對18例肝臟轉移瘤患者進行治療，并通過超聲造影檢查病變血流信號判斷消融效果，結果發現，治療前所有病灶呈不同程度的增強，治療后15個病灶動脈期無增強區域。

3.2 在乳腺腫瘤中的應用

乳腺癌是發生在乳腺上皮組織的惡性腫瘤。據2018年國家發布的統計報告稱，我國每年新增27.9萬乳腺癌病例，死亡6.6萬例。衛剛和戚曉東[7]選取經穿刺病理確診為乳腺癌的26例患者，分為HIFU組(13例)和手術組(13例)，結果發現，HIFU組治療后腫瘤回聲增強，局部皮膚無灼燒、壞死表現；手術組治療后經電鏡、還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)-黃遞酶活性檢測11例靶區細胞死亡，2例未見改變。

3.3 在前列腺腫瘤中的應用

前列腺癌是指發生在前列腺的上皮性惡性腫瘤，常見于老年男性。目前，臨床上將HIFU應用于前列腺癌的治療主要分為單獨HIFU治療和聯合治療，單獨HIFU主要適用于治療年齡>70歲、Gleason評分≤7分、早期局限性前列腺癌患者；聯合治療包括HIFU聯合放射治療、HIFU聯合內分泌治療、HIFU聯合經尿道前列腺電切術治療，其中聯合放射治療主要適用于較晚期的前列腺癌患者，但容易對直腸造成放射性損傷，聯合內分泌治療主要適用于局部進展和轉移性前列腺癌患者，聯合經尿道前列腺電切術治療主要適用于體積較大(>50 cm3)的前列腺癌患者。

3.4 在腎臟腫瘤中的應用

臨床對腎臟腫瘤的HIFU治療仍處于研究的早期階段。朱輝等[8]分析了HIFU治療12例晚期腎細胞癌和1例大腸癌腎轉移患者的效果，結果發現，8例有血尿癥狀的患者經治療7例血尿消失，10例有腎區疼痛癥狀的患者經治療9例腎區疼痛消失，隨訪14.1個月后，13例患者中7例死亡。據相關研究報道，HIFU治療腎下極腫瘤的效果甚好，但對于腎上極腫瘤，受肋骨能量吸收的影響，治療效果欠佳[9]。

3.5 在子宮腫瘤中的應用

子宮肌瘤是育齡期女性常見的良性腫瘤，主要是由子宮平滑肌細胞增生形成，育齡期女性的發病率為20%～40%，一旦患病，將嚴重影響患者的身心健康。潘文秋等[10]收集了2016年5月至2019年1月經HIFU治療的110例子宮肌瘤患者的臨床資料，觀察HIFU治療的效果，結果發現，消融率越高、直徑越大的子宮肌瘤治療效果越好。郭靜等[11]比較了磁共振引導的HIFU與促性腺激素釋放激素激動劑(gonadotropin-releasing hormone agonist，GnRH-a)聯合左炔諾孕酮宮內緩釋系統(levonorgestrel-releasing intrauterine system，LNG-IUS)治療子宮腺肌病患者的臨床療效，結果發現，磁共振引導的HIFU作為一種新型治療手段，其解剖定位精準，且可實時監控溫度，與傳統治療方法比較，具有安全有效等優點。

4 HIFU的應用前景

HIFU為腫瘤治療提供了一種微創方法，可以最大限度地減少患者的不適感，縮短住院時間，整體而言，其是安全有效的。但是，HIFU仍處于臨床研究的初級階段，臨床有必要對其治療領域、治療設備、技術推廣及長期應用效果作進一步研究，尤其是在腫瘤學和大腦領域。隨著研究的逐步深入及高強度聚焦技術的改進，其應用范圍會逐步擴大，對靶細胞的定位會更加精確。