高强度聚焦超声在肿瘤治疗中的应用研究

王维红

高强度聚焦超声在肿瘤治疗中的应用研究

王维红①

探讨高强度聚焦超声的结构与原理及其在治疗恶性肿瘤方面的价值及未来发展方向。高强度聚焦超声治疗是利用超声波的生物温热效应，将高强度的超声波聚焦于病灶组织，达到破坏病灶的目的。此种治疗方式无需采用侵入性手段即可破坏病灶，可极大减轻对机体正常组织的损伤，改善患者的生活质量。未来，随着高强度聚焦超声系统技术的发展、应用和普及，将更好地服务于人类的健康事业。

超声治疗；高强度聚焦超声；晶振单元；肿瘤

［First-author's address］ Equipment Department， The First Hospital of ZiBo， Zibo 255200，China.

恶性肿瘤是危害人类健康的严重疾病，其治疗主要靠手术、放射治疗及化疗三大手段，但这些手段均有其一定的局限性。高强度聚焦超声作为一种新兴的无创肿瘤治疗技术已经在国内外广泛开展，并取得了显著临床效果。利用多组超声波聚焦于一点来治疗肿瘤，其治疗方法主要是利用超声波的生物温热效应，将体外发射的多组低能量的超声波聚焦于肿瘤细胞组织，由于超声波在肿瘤组织的能量叠加，使得肿瘤组织内温度瞬间即可上升到65 ℃以上，从而达到破坏肿瘤细胞组织的目的［1］。该治疗方式的优点是无需采用侵入性手段即可破坏肿瘤细胞组织，属于无创治疗技术，可极大减轻对机体正常细胞组织不必要的损伤。

1　高强度聚焦超声治疗仪的主要结构

高强度聚焦超声肿瘤治疗系统主要由高强度聚焦超声换能器、功率放大单元、计算机控制系统、定位评估系统、运动控制系统以及水循环系统等组成，其工作原理如图1所示［2-5］。

图1　高强度聚焦超声热疗系统原理框图

1.1高强度聚焦超声换能器

晶振单元由压电晶片组成，压电晶片受电信号激发发射超声，进入人体组织，在人体组织内遇不同声阻界面产生反射与散射，压电晶片又接收反射信号，转换成电信号送入仪器。晶振单元是应用晶片的压电效应制作的，实现电能和机械能的相互转换［6］。

1.2超声热疗系统聚焦原理

超声热疗系统按聚焦原理可分为单元透镜聚焦系统、多元小平面几何聚焦系统和多元双重聚焦系统。

1.2.1单元透镜聚焦系统

单元透镜聚焦系统是根据声透镜聚焦的原理，将环形平面换能器发射出来的超声波汇聚于一点，其原理与光透镜聚焦类似，利用声波在弯曲界面上的折射来达到汇聚声波的目的［7-9］。单元透镜聚焦系统采取下探头方式，优点是结构简单，聚焦效果好。单元透镜聚焦系统缺点为：①效率低；②治疗时患者需要全身麻醉，皮肤浸在水中且不安全；③操作时监控困难。

1.2.2多元小平面几何聚焦系统

多元小平面几何聚焦系统的超声单元由上百个压电晶体分布在同一曲面上面成为几何聚焦，上百个压电晶体发出超声重合的区域即为焦点，其位置完全由几何曲面的曲半径决定，这种高强度聚焦超声热疗也是采取下探头方式［10］。多元小平面几何聚焦系统的缺点为：①发射功率小，聚焦性能差，不能转动；②治疗时患者皮肤浸在水中，容易感染；③监控难，治疗时间长；④晶振单元较多，损坏后维修较困难。

1.2.3多元阵双重聚焦系统

多元阵双重聚焦系统是将多个自聚焦晶振单元排列在凹球面上面再次聚焦，这种设计的优点是有利于在焦点处获得更大的声功率。凹球面聚焦晶振单元是将压电晶体磨成凹球面，然后经镀银、极化而制成。通常对于肿瘤的治疗，凹球面聚焦系统要比声透镜聚焦系统更有效［10-13］。多元阵双重高强度聚焦超声系统与其他高强度聚焦超声肿瘤热疗相比，具有如下特征：①多个（＞4个）双重聚焦晶振单元可以任意组合发射，方便灵活；②患者无须麻醉，治疗相对安全；③干式治疗，治疗时患者皮肤不与水接触，安全卫生；④B超图像实时监控并能分别调节多个换能器的输出功率，保证治疗过程安全；⑤患者治疗时可自由仰卧，相对舒服；⑥有多个治疗参数可供医生选择治疗剂量［14］。

1.3功率放大单元

超声功率放大单元提供频率在1～5 MHz的电功率用来激发超声换能器，使超声换能器产生高频机械振动向外辐射超声波。功率放大器由振荡器、分频器、前置放大器、耦合电路以及功率放大电路组成。

因每个换能器要接一个超声功率放大器，因此功率放大器要做到频率高、功率大及体积小。如SONOTHERMR 1000型在一个辐射头内含有多达4×4的多元阵超声换能器，则应配置16个独立的超声功率放大器。通常其输出高频电功率为50～100 W，若理想的功率放大器与超声换能器匹配得好，其效率可达50%，这样转变成超声时功率可达25～50 W。

以HIFUNIT 9 U00型肿瘤消融刀为例，超声功率转换系统由超声功率放大器和六元双聚焦超声换能器阵组成，每个换能器分别由一路功率放大器控制，这种设计可以避免由于同一频率下由不同换能器发射出来的超声相互干扰而造成对于声场的影响。每个功率放大器的最大输出电功率为100 W，并能在0～100 W的功率范围内连续可调。工作时，可以根据患者的实际情况调节到合适的大小，保证治疗的有效和安全［15］。

1.4计算机控制系统

计算机控制系统包括电脑中央控制系统、实时控制系统和监视定位系统3个部分。计算机控制系统是应用计算机技术实现治疗自动控制的核心系统。通过监视定位系统获得数据，由电脑中央控制系统的实时控制系统产生对机械运动和功率转换等其他系统运行的实时控制信号［16］。

监视控制与实时控制相结合是计算机控制系统的特色。这种方案将控制分为两个层次：即监视控制层和实时控制层。监视控制管理患者治疗信息、图像采集、制定治疗方案及计算治疗运动数据。实时监视治疗过程，对设备进行实时控制，实时监测故障，精确控制治疗换能器的机械运动。监视控制层和实时控制层并行协调工作，可极大提高控制效率。

B超诊断仪在高强度聚焦超声肿瘤机中完成治疗监视控制和肿瘤定位的双重功能。监控系统实时采集B超图像，可以实时监控治疗过程，根据所获得的B超图像，完成肿瘤定位的功能，同时B超图像也提供了肿瘤的位置及区域的信息，通过对这些信息的提取和处理，生成治疗数据。使用计算机直接控制超声功率放大器的功率调节和输出来达到治疗肿瘤的目的。多个换能器的功率可分别控制，灵活组合，避开一些关键部位，计算机控制系统还可以科学地管理患者治疗信息，供临床医师研究病例，同时还可以为医院管理信息系统提供接口，使相关的治疗信息融入到医院信息系统中。

1.5运动控制系统及水循环冷却装置

1.5.1运动控制系统

通过机械运动确定肿瘤的定位和治疗，包括换能器、治疗床和C形臂的运动驱动。治疗床有3个运动方向，能分别在上下方向做240 mm移动、横向240 mm移动和纵向1100 mm范围内移动。换能器整体能分别绕X轴做30o和Y轴20o的旋转，其扫描范围为100 mm×100 mm×100 mm，B超探头可以在0o～180o绕Z轴旋转，使得换能器焦点能移至人体的任何部位，而且治疗床的大范围运动也能保证患者轻松地调整到治疗位置。

1.5.2水循环装置

水处理循环系统是整个超声治疗系统的辅助系统，由其完成水介质的处理以达到疗效的目的。由于超声波的传播特性，声波在不同介质表面会产生强反射，致使超声波不能深入到病灶中去，所以在超声波诊断或治疗时都需要耦合介质。本治疗系统采用水作耦合剂，由于一般的水中溶解有大量的空气，在高强度聚焦超声发射过程中超声波会把水中的气体聚集成微小的气泡，这将严重影响超声的传播，降低了病灶处的能量聚焦治疗效果［19］。

2　高强度聚焦超声治疗系统的适用范围

高强度聚焦超声系统主要适用于实质脏器的肿瘤，对于超声图像显示良好的肿瘤，只要无其他禁忌均可以治疗，尤其是对于转移肿瘤的保守治疗能够发挥较大的作用。同时，高强度聚焦超声系统治疗后可刺激机体免疫系统，对人体免疫反应产生一定的促进作用［20］。

3　展望

高强度聚焦超声系统的出现为临床医师治疗肿瘤提供了一种无创治疗手段，其应用不仅仅限于恶性肿瘤的治疗，还可用于良性肿瘤和非肿瘤疾病的姑息治疗、外科止血等。高强度聚焦超声系统目前在临床上的应用还处于初级阶段，还有许多技术难题有待解决，尤其是超声计量学、无创温度控制及热剂量学等方面的技术有待突破。近年来的医学科学技术发展和医学实践表明，在未来的外科领域中，高强度聚焦超声系统的应用在肿瘤治疗中将起到举足轻重的作用，随着高强度聚焦超声系统技术的发展和应用的普及，相信高强度聚焦超声系统技术将更好地服务于人类健康事业。

［1］高百春，庄兴俊，叶勇，等.高强度聚焦超声治疗肝癌疗效分析［J］.中国医疗设备，2009，24（11）：87-88.

［2］郑曼萍，曾外，王帅.多元双聚焦高能超声治疗腹腔和盆腔实体恶性肿瘤的临床观察［J］.湖南师范大学学报（医学版），2009，6（4）：78-79，81.

［3］冯若，朱辉，李发琪，等.高强聚焦超声（HIFU）无创治疗肿瘤技术的崛起［J］.中华肝胆外科杂志，2011，17（1）：77-78.

［4］顾勇主，王国民，夏罕生，等.高强度聚焦超声治疗45例胰腺癌［J］.复旦大学学报（医学版），2004，31（2）：135-137，141.

［5］陈志峰，陈万青，陈建国，等.中国肿瘤登记地区人群骨肿瘤发病分析［J］.中国肿瘤临床，2012，39（20）：1509-1513.

［6］邓健，徐廷惠，李成林.高能聚焦超声刀在骨肿瘤保留肢体治疗中的应用及护理［J］.中华护理杂志，2001，36（4）：282-284.

［7］徐叶青，王国民，顾勇主，等.高强度聚焦超声治疗晚期胰腺癌中的止痛作用［J］.中国临床医学，2003，10（3）：322-323.

［8］刘正，侯树勋.恶性骨肿瘤的高强度聚焦超声治疗研究进展［J］.中国骨肿瘤骨病，2010，9（3）：259-262.

［9］李仲全.高强度聚焦超声治疗骨肉瘤的临床应用研究［J］.中外医疗，2013，32（29）：56-57.

［10］徐梅华，蔡克银.高强度聚焦超声治疗老年骨转移癌的近期疗效［J］.中国老年学杂志，2012，32（20）：4542-4543.

［11］胡文莉，焦玉冰，张浩，等.高强度聚焦超声治疗骶骨肿瘤19例分析［J］.人民军医，2012，55（2）：161-162.

［12］庄开颜，进克效，焦玉冰，等.高强度聚焦超声治疗骶髂部骨肿瘤的初步临床观察［J］.解放军医学杂志，2010，35（4）：474-474.

［13］李仲全.高强度聚焦超声治疗骨肉瘤的临床应用研究［J］.中外医疗，2013，32（29）：56-57.

［14］李静，盖绿华，杨武威，等.低功率聚焦超声对骨/软组织肿瘤化疗增敏作用的临床观察［J］.山东医药，2008，48（37）：53-54.

［15］寇海燕，孙鲲，张宏，等.高强度聚焦超声治疗骨肿瘤15例［J］.武警医学，2006，17（9）：686-688.

［16］李伟兵，章明，白向君，等.恶性骨肿瘤的高强度聚焦超声无创治疗［J］.中国骨肿瘤骨病，2003，2（5）：301-304，317.

［17］陈文直，王智彪，伍烽，等.高强度聚焦超声治疗原发恶性骨肿瘤的初步临床研究［J］.中华肿瘤杂志，2002，24（6）：612-615.

［18］陈文直，伍烽，朱辉，等.高强度聚焦超声治疗骨肉瘤初步临床观察［J］.中国肿瘤临床，2001，28（7）：489-491.

［19］曾燕，罗小平，淦伟，等.恶性骨肿瘤超声聚焦刀与介入联合治疗后影像学检查的初步研究［J］.临床放射学杂志，2000，19（7）：444-447.

［20］曾燕，罗小平，喻明宪，等.动脉灌注化疗与高强度聚焦超声联合治疗恶性骨肿瘤的血管造影变化［J］.重庆医科大学学报，2000，25（4）：411-413.

The application research of high intensity focused ultrasound in tumor treatment/

WANG Wei-hong//
China Medical Equipment，2016，13（8）：133-135.

The purpose is to introduce the structure and principle of the high intensity focused ultrasound and to discuss its value and future development in tumor. The high intensity focused ultrasound uses the biological heat effect which focuses the high intensity ultrasound on the lesions to destroy them. It is non-invasive means to destroy the lesions， reduce the damage of the normal tissues greatly， improve the quality of life..With the development， application and popularization of the technology on high intensity focused ultrasound， it will serve the human health career better.

Ultrasonic treatment； High intensity focused ultrasound； Transducer unit； Tumor

1672-8270（2016）08-0133-03 ［中图分类号］R454.1

A

王维红，女，（1973- ），本科学历，工程师。淄博市第一医院设备科，从事医疗设备的管理和维修工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.042

①淄博市第一医院设备科 山东 淄博 255200

2016-04-07