靶区血管与声轴成角对脉冲高强度聚焦超声表面消融的影响：实验研究

杨素英，邹建中，马大钊，王 琦，曾 涛，文 静

(重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室 重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound， HIFU)全覆盖消融，能量投放大、治疗时间长，尤其对大体积肿瘤，并发症或不良反应风险均有所增加[1]。恶性肿瘤边缘血供丰富、增殖活跃[2]，如能对其边缘进行完整消融，有望减少并发症。有学者[3-5]应用连续波HIFU对此进行了初步探讨。脉冲高强度聚焦超声(pulse high intensity focused ultrasound, PHIFU)以间歇性方式投放能量[6]，如能达到与HIFU相同的消融效果，可进一步减少能量投放，并发症也将更少。肿瘤血管的位置、直径和角度直接影响消融效果，因此消融过程中必须考虑到血管因素。本研究探讨PHIFU表面消融时靶区血管与声轴成角对边缘坏死隔离带封闭性的影响。

1 材料与方法

1.1 实验动物和材料 选取新西兰大白兔(重庆医科大学动物实验中心提供)30只，体质量约4 kg。按照文献[7]方法获取兔胸主动脉，长约3 cm。将血管固定于长方体模具(13.5 cm×8 cm×6 cm)中的预消融区域边缘，且与声轴夹角分别为0°(0°组)、45°(45°组)和90°(90°组，图1A)。另取无血管组作为空白对照，每组10个。称取37.8 g双丙烯酰胺(M7256，25 g，Sigma)、1.72 g丙烯酰胺(0341，500 g，Amresco)、180 ml甘油、72 ml脱气水和444 ml蛋清液，于1 000 ml烧杯内混合均匀，再加入0.2%过硫酸铵(0486，25 g，Amresco)34.4 ml，混匀分液，最后加入0.2%的TEMED(0761，100 ml，Amresco)17.2 ml，将体模液倒入上述模具中，置于氮气密闭环境中凝固。

1.2 仪器与方法

1.2.1 主要设备 JC200型聚焦超声肿瘤治疗系统(重庆海扶医疗科技股份有限公司)，由B超监控系统及HIFU治疗系统组成，超声换能器直径150～300 mm，焦距100～250 mm，频率0.5～2 MHz。XMZ数显温度巡回检测仪(余姚长江温度仪表厂)。Olympus BX51光学显微镜(日本奥林巴斯有限公司)。

1.2.2 表面消融方法 设定ROI为30 mm×30 mm×30 mm的立方体，整个靶区在z轴方向上分为互相平行的16个治疗深度，层间距为2 mm，治疗功率为300 W(顶层)、250 W(中间)、200 W(底层)。通过B超定位，在x、y、z三个方向上移动，先消融顶层，由浅至深，逐层消融直至底层(图1B)。顶层与底层全覆盖式消融，线间隔2 mm，中间层面仅消融边缘，边缘区域完整辐照后停止辐照。脉冲重复频率为100 Hz，占空比为50%，治疗头移动速度为3 mm/s。

1.2.3 测温 B超引导下，预先将测温针垂直插入血管消融面中心，水平偏移血管2 mm，且位于辐照体积内。血管后面及前面的测温针尖距体模顶面分别为7.5 mm和22.5 mm(图2)。对血管后面靶区进行消融时，同时对消融靶区(图2A)及血管前面非消融靶区(图2B)进行温度测量，设空白对照组，绘制温度-时间变化曲线图，观察各组温度最高值，并进行比较。

1.2.4 肉眼及超声观察 消融结束后，自预设靶区边缘开始逐层采集靶组织的声像图，观察靶区辐照边缘、内部未辐照区的超声表现。将体模以6 mm厚度平行于声轴切开，拍照后观察。

1.2.5 计算总坏死体积及测量血管直径 用HifuJupiterF图像软件(重庆海扶医疗科技股份有限公司)测量每块体模坏死带外缘长度和宽度，计算坏死带外缘以内体积：体积=长度×宽度×厚度，累加计算实际总体积(V1)和白色坏死带内缘以内总体积(V2)。计算总坏死体积(V)：V=V1-V2。测量各组无血管面凝固性坏死隔离带的宽度(D)，血管前面隔离带宽度为D1，血管后面为D2，以同样方法测量每组体模内血管直径(外径)。

图1 血管不同角度及表面消融方法示意图 A.血管不同角度(红色为血管，α为血管与声轴夹角)； B.表面消融方法 图2 测温针位置示意图(红色为血管，箭示测温点) A.血管后面(浅面)； B.血管前面(深面) 图3 辐照后各组整体肉眼观 A～D.分别为空白对照组和0°、45°、90°组，各组血管相邻面均形成白色封闭的坏死隔离带，0°、45°和90°组血管面均可见淡黄色未完全消融区域 图4 血管面中心切面观 A～D.分别为空白对照组和0°、45°、90°组，0°组血管周围及45°和90°组血管后面隔离带变窄； E～H.相应声像图示强回声带变窄，中心未消融区呈无回声表现(箭示声轴方向)

1.3 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件，正态分布的计量资料±s表示，多组间比较行单因素方差分析，两组间比较采用LSD检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肉眼及超声观察结果 空白对照组及0°、45°、90°各组血管相邻面均可见完整白色坏死隔离面，而0°、45°和90°组血管面存在淡黄色未完全消融区(图3)，且相应隔离带宽度变窄(图4)。超声示相应强回声带变窄，中心未消融区呈无回声表现(图4)。超声回声表现与肉眼观察结果一致。见表1。

2.2 总坏死体积及直径比较 各组空白面带宽D比较：45°组与其余3组比较差异均有统计学意义(P均<0.05)，其余各组两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。空白对照组：D、D1、D2两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。0°组：D与D1、D2比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。45°组和90°组：D2与D、D1比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。总坏死体积比较：空白对照组数值最大，与0°组比较差异无统计学意义(P>0.05)。各组血管直径：0°组(4.46±0.28)mm，45°组(4.23±0.33)mm，90°组(4.20±0.13)mm，组间两两比较差异均无统计学意义(P均<0.05)。

2.3 温度比较 当消融血管后面靶区时，各组均呈“双峰”型(图5红色曲线)。各组最高温度：空白对照组为(98.60±5.76)℃，0°组为(98.90±7.09)℃，45°组为(71.10±13.85)℃，90°组为(70.20±9.14)℃，空白对照组与45°、90°组比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。血管前面温度曲线(图5蓝色曲线)示起始点较陡峭，45°组和90°组曲线双峰均呈不规则锯齿状，90°组更明显。最高温度值：空白对照组为(50.9±3.48)℃，0°组为(74.3±4.60)℃，45°组为(88.6±8.62)℃，90°组为(80.1±6.01)℃，组间两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。

2.4 辐照区血管组织学检查 空白对照组血管壁连续且致密(图6)。0°组血管侧壁及45°组、90°组血管前壁连续性中断，中膜排列疏松且部分纤维断裂，45°和90°组可见碎裂的细胞核。空白对照组、0°组、45°组和90°组细胞核破坏率分别为0、0、17%±8%、16%±6%，其中45°组与90°组比较差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 表面消融后各组直径和总体积比较(±s)

表1 表面消融后各组直径和总体积比较(±s)

组别D1(mm)D2(mm)D(mm)总坏死体积(mm3)0°组5．48±0．785．20±1．126．41±0．5340029．02±3580．1745°组5．41±0．704．45±0．685．53±0．7134562．59±3883．2690°组7．02±1．025．25±1．476．31±0．9436737．01±3278．68空白对照组6．71±0．526．10±0．876．30±0．7840709．70±3193．31

图5 各组血管后面(消融靶区)及前面(非消融靶区)温度-时间曲线图 A～D.分别为空白对照组和0°、45°、90°组 图6 辐照区血管病理学检查(HE，×200) A.空白对照组，管壁连续且排列致密(箭)； B～D.分别为0°、45°和90°组，均显示管壁排列疏松且部分纤维断裂(B，箭)，45°和90°组可见碎裂的细胞核(C、D，箭)

3 讨论

超声波传播过程中，超声能量的沉积与血管和声束间的夹角有关[8]。本文就此夹角对消融体积、温度、血管病理的影响进行讨论。

3.1 血管角度对消融体积的影响 通过测量各组无血管面凝固性坏死隔离带宽度(D)，可与自身血管面带宽进行对照，减少不同体模间差异的影响。本研究结果显示，PHIFU可实现无血管组织边缘的完整消融，与马大钊等[5-6]的研究结果相符。既往研究[9-10]表明，HIFU焦域长轴受血管影响较大。血管与声束间的夹角不同，到达靶区的实际能量也不同。本研究结果显示，当血管与声轴夹角为0°时，其影响最小。

3.2 血管角度对温度的影响 温度的变化与能量大小有关，了解血管周围温度的变化，可为HIFU投放能量提供参考。本研究中，当消融45°组和90°组血管后面时，血管前面温度也相应升高，且温度曲线双峰呈不规则锯齿状，表明由于血管将部分能量反射至其前面区域，致靶区消融不完全。

3.3 血管角度对辐照区血管组织学的影响 滋养血管损伤直接影响肿瘤的转移与复发[11]，了解血管损伤程度，可为HIFU治疗提供参考。本研究发现，血管损伤部位毗邻凝固性坏死明显面，与Jiang等[12]的研究相符。本研究中PHIFU占空比为50%，考虑主要为热效应损伤[13]；结合温度-时间曲线图可知，血管夹角越大，可能其反射作用越强，但45°组和90°组细胞核破坏率无差异(P>0.05)，可能与本组样本量较小有关。

总之，当血管与声束夹角为0°时，对靶区能量沉积影响最小，夹角为45°、90°时对血管壁的破坏作用越强，其作用机制可能与血管壁对超声波的反射、折射等作用有关。

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