HIFU治疗肿瘤
高强度聚焦超声治疗学的基础研究，应包括工程技术和生物学效应基础研究两部分。本章将对重庆海扶（HIFU）技术有限公司多年来在不同生物组织/肿瘤对HIFU的反应即HIFU治疗肿瘤的生物学效应研究的成果进行回顾，在总结中同时结合国际上对这方面的研究成果，这是HIFU治疗肿瘤的可行性、有效性和安全性的基础。
一 超声波剂量
超声治疗学中，辐照剂量的确定是非常重要的。物理学超声剂量可由声强和辐照时间确定。高强度超声和低强度超声的界定，至今仍无一明确界限。如一般声强几瓦至几十瓦的超声，在有的文献中被称为高强度超声，而有的研究者却将其归入低强度超声范畴。由于声强的计量方法有ISATA、ISATP、ISPTA、ISPTP等，声波又可分为连续波和脉冲波，脉冲波又涉及脉冲频率、工作周期、频率等，因而明确一个值作为区分高强度超声和低强度超声的标准，在技术上也存在一定难度。所谓超声的强度高低应被视为一个相对概念，对用于肿瘤治疗的HIFU
2
技术，焦域区的声强可大于10000W/cm，瞬时致组织凝固性坏死，此时几瓦致几十瓦的超声可视为低强度，而HIFU则无疑应划入高强度范围。
体外剂量确定时，因无需考虑生物组织声学特性的相对含量，即使离体的生物组织的研究，考虑声学特性也较在体组织简单。生物组织是不均匀的介质，声学介面复杂，声波在生物组织中传播时，产生一系列反射、折射、散射等过程，声能衰减较大，这使得确定生物学辐照剂量时需考虑多种因素的影响。目前研究中普通采用的方案是“声强×辐照持续时间”，声强常用ISPTA、ISATA，国外学者在研究用超声转基因法入细胞时，以“ISATA×受辐照面积×辐照持续时间”计算净受辐照能量。不难看出，以上二种方法均未能很好地反映生物组织的声学特性。一个理想的声波剂量计量方法应能满足：
1. 反映声强和辐照持续时间；
2. 生物组织的声学特性，最好能较好反映声波辐照下的生物学效应； 3. 便于文献间相互比较。
二 HIFU辐照离体组织的研究
（一） 肝
HIFU辐照后，受辐照肝组织发生凝固性坏死，坏死灶大小与超声强度、辐照持续时间及换能器的声学焦域有关。一般认为，作治疗时理想的HIFU声学焦域应为长宽径比例合适。
2
采用最大声强为1109 W/cm，频率为0.8 MHz、1.6MHz，焦域为0.5 mm×0.5 mm×3.0mm的HIFU治疗系统，观察对离体猪肝组织的损伤。分别采用定点扫描和连续扫描方式，发现损伤的体积在连续扫描时，随辐照持续时间延长，而渐增大；采用定点扫描方式，初期也渐增大，但至一定时间后，再延长辐照时间，体积不能继续扩大；表现出平台现象，邻近最大值时，延长辐照时间却使损伤向表面扩散及靶区损伤程度加重，组织内可出现空化泡。
（二） 子宫
用HIFU定位损伤30例手术切除的人体子宫标本，其中内膜癌5例，内膜息肉6例，肌瘤19例，观察子宫损伤的特点。
1．形态学：受辐照组织表现为凝固性坏死，肉眼观为白色坏死灶，与周围组织分界清楚，2、3、5三苯基-2H-四唑盐酸盐染色不能着色。辐照区细胞核固缩，超微结构观细胞破
坏，琥珀酸脱氢酶和碱性磷酸酶组织化学染色阴性（图2-1）。
c
图2-1 HIFU定位损伤人体子宫标本
a 离体子宫，HIFU定点辐照20秒、25秒剖面观，辐照时间延长，生物学焦域增大。b 子宫内膜癌HIFU辐照后细
胞形态结构，靶区凝固性坏死，细胞核固缩。HE×400。c 焦域处SDH阴性，焦域周围组织SDH阳性。d 子宫内膜HIU辐照后ALP染色焦域组织ALP阴性，焦域周围组织ALP阳性。×40
a b
d
2．频率、辐照持续时间与损伤关系：损伤深度随着时间逐渐增加，起初呈明显线性关系，后增长减缓，达到一定程度后不再增加。损伤灶体积及面积与辐照时间关系表现出类似现象。在相同辐照条件下7.5MHz损伤深度大于10MHz之损伤深度。损伤体积在≥5s时，7.5MHz小于10MHz；而损伤体积在＜10s时无明显差异；＞10s时，7.5MHz小于10MHz（图2-2）。 3．温场分布：定点扫描时，随辐照时间延长，焦域中心温度上升，焦域外2.5mm组织温度无明显改变。辐照停止后，温度迅速下降，辐照时间愈长，恢复至初始温度所需时间愈长（图2-3）。 采用连续扫描方式损伤时，温度场分布与定点损伤相比，焦域内温度场分布较均匀（图2-4）。 4．声像图：辐照前组织为低回声或较低回声，辐照过程中组织回声增强。辐照结束后2s有降低，但仍然强于辐照前（图2-5）。
a
b
c
图2-2 超声辐照时间与深度、面积、体积的关系
a 超声辐照时间与损伤深度的关系。b 超声辐照时间与损伤面积的关系。c 声辐照时间与损伤体积的关系。
a b c
图2-3 定点扫描的温场分布曲线
a 定点损伤5秒，温场分布情况。b 定点损伤20秒，温场分布情况。c 定点损伤25秒，温场分布情况
a
b
c
图2-4 连续扫描的温场分布曲线
a 扫描损伤45秒温场分布情况。b 扫描损伤50秒温场分布情况。c 扫描损伤60秒温场分布情况
图2-5 HIFU辐照前后的声像图比较：左图为辐照前，右图为辐照后焦域回声增强
（三）乳腺癌
取手术切除的乳腺癌标本16例，其中浸润性导管癌5例，浸润性小叶癌4例，腺癌3
2
例，粉刺样癌2例，混合性癌2例。HIFU采用1.6MHz、5800W/cm、1.8mm×1.8mm×4mm大的物理学焦域定位损伤。发现受辐照后癌组织可见凝固性坏死灶或损伤灶，呈灰白色，边界
清楚，直径约10mm×10mm，最大切面积为104.500±18.206mm。组织学检查可见癌巢与间质的间隙显著扩大，与未损伤区分界清楚，癌细胞胞浆内有较多的空泡样结构，部分细胞界限不清，多数细胞出现核固缩，部分可见核碎片，病理学变化均提示恶性组织已发生不可逆性损伤。
声像图可见辐照区组织回声增强，测量强回声区的大小与直接测量的数据无明显差异，显示超声可作为HIFU治疗时有效的监测手段。
3
三 测量温度
在研究HIFU对离体、在生物体组织损伤实验中，均涉及对被辐照组织的温度测量。目前测温手段主要在组织内插入热电极（热敏探针或热偶探针）来实现。勿容置疑，测量损伤区的温度变化对 HIFU技术的完善和实验研究具有重要意义，但也存在着不同的看法。 一般认为，超声辐照致组织温度上升主要决定于二种热，bulk热和粘滞热（viscious）。前者致组织温度升高可用下式描述：
2?I0a24KtTb?ln[1?20]?0c04K0a其中，Tb为温度上升值，c0为比热，ρ0为密度，I0、ISPTA为振辐衰减系数，a为声流
22
的Gaussian位，由Icr7=I0 exp (r/a)确定。
测温时由于需植入热电极，其植入后由于围绕其声波发生反射、折射及散射，对声场必然造成影响，随热电极直径增大，这种影响将更加明显。热电极自身也可能因为超声辐照而升温。围绕热电极后声波反射、折射等而产生粘滞热、其致组织温度改变可描述为：
UTv?2?dv?0c0exp(?d2/4k0t)?04?kt[1?(4k0t1/a2)]1/2dtt其中，Uv为粘滞热产热过程中在测量计表面产热的最大率，以单位长度的功率表示，d为估计的声热半径，与热电极半径相等。
超声辐照致组织温度改变由以上二者共同决定。不难看出，Tv的产生正是由于测温这一操作过程。另外，为了尽可能真实地反映温度变化，要求热电极要非常灵敏，响应时间应足够短。这当然会增加技术上的难度，而从理论上讲，不影响声场几乎难以实现，虽然有可能使其直径足够小，而把影响降低到趋近于零。
由于侵入性测温技术的自身弱点，国外有学者开始研究非侵入性的测温技术。使其既不影响声场，又能较真实地反映受辐照组织的温度变化。MRI是其中较成功的手段之一，由于其测温原理是基于组织升温后的自身变化，不需在组织中留置材料，从而可避免对声场的影响。Hynynen等应用MRI来引导HIFU治疗子宫肌瘤，同时监控靶区温升和组织变化。 高强度聚焦超声治疗学的基础研究，应包括工程技术和生物学效应基础研究两部分。本章将对重庆海扶（Haifu）技术有限公司多年来在不同生物组织/肿瘤对HIFU的反应即HIFU治疗肿瘤的生物学效应研究的成果进行回顾，在总结中同时结合国际上对这方面的研究成果，这是HIFU治疗肿瘤的可行性、有效性和安全性的基础。
超声治疗学中，辐照剂量的确定是非常重要的。物理学超声剂量可由声强和辐照时间确定。高强度超声和低强度超声的界定，至今仍无一明确界限。如一般声强几瓦至几十瓦的超声，在有的文献中被称为高强度超声，而有的研究者却将其归入低强度超声范畴。由于声强的计量方法有ISATA、ISATP、ISPTA、ISPTP等，声波又可分为连续波和脉冲波，脉冲波又涉及脉冲