高强度聚焦超声壳式辐照离体牛肝组织的实验研究

银丽，邹建中，伍烽，卜锐，王琦，刘芳

（重庆医科大学生物医学工程学院，省部共建超声医学工程国家重点实验室，超声医学工程重庆市市级重点实验室，重庆 4 0 0 0 1 6）

高强度聚焦超声（high-intensity focused ultrasound，HIFU）治疗肿瘤常规采用“线—面—体”辐照方式，由深至浅逐层覆盖肿瘤组织，其疗效肯定［1］。但其治疗效率有待提升，特别是对于体积较大的肿瘤，要高剂量、长时间才能达到治疗目的，且产生并发症的风险随着投放剂量和辐照时间的增加而增大［2］。因此，寻找更为有效的HIFU辐照方式来提高治疗效率，是HIFU临床应用中急待解决的问题。本文探索一种新的辐照方式，即HIFU壳式辐照，通过辐照感兴趣区的周边而中心区域不进行辐照，使周边形成完整封闭的凝固性坏死带，将中心区域和靶区外周组织完全隔离，阻断中心区域血供，使之缺血、缺氧、坏死。本文通过比较壳式辐照与传统式辐照对离体牛肝组织的影响，探讨壳式辐照的优势，为HIFU壳式辐照治疗肿瘤提供基础实验资料。

1 材料与方法

1.1 实验材料及设备

屠宰后5 h内的新鲜离体牛肝脏，切成约120 mm×100 mm×50 mm大小的组织块，共30例，随机分为2组：壳式辐照组15例，进行壳式辐照；传统式辐照组15例，进行全覆盖式辐照。辐照前需将组织块浸泡在0.9%的生理盐水中、复温（室温20℃）、在-0.05~0.1 MPa压力下常规脱气40 min后备用。

JC200型聚焦超声肿瘤治疗系统，由重庆海扶医疗科技股份有限公司制造，治疗头焦距140 mm，频率1.0 MHz；日本Olympus BX51光学显微镜。

1.2 实验方法

实验前测定输出功率，修正开机误差。设定2组的感兴趣区体积均为40 mm×27 mm×24 mm的长方体区域。在X、Y、Z 3个方向移动治疗头，通过B超监控使HIFU的焦点可定位于组织中不同深度处，根据由深至浅的原则，将感兴趣区分为4个不同深度的区域进行辐照，分别为40、32、24和16 mm，相应深度的辐照声功率为350（24 880.57 W/cm2）、350、350 和 300 W（21 326.21 W/cm2），对应深度的治疗头移动速度为4、5、6和5 mm/s。每两条线的线间隔时间为5 min。

表1 两种辐照方式的辐照时间和E E F的比较T a b.1 C o mp a r i s o n o f e x p o s u r e t i me a n d E E F

1.2.1 HIFU壳式辐照：定义壳式辐照组的4个辐照层由深至浅分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。感兴趣区周边完整封闭地辐照一遍，而中心区域不进行辐照。Ⅰ和Ⅳ完全覆盖式辐照整个XY面，线间隔距离分别为3和5 mm；Ⅱ和Ⅲ辐照感兴趣区周边（图1A）。

1.2.2 HIFU传统式辐照：定义传统式辐照组由深至浅的4个辐照层为1、2、3、4。逐层全覆盖式辐照4个深度的XY面，每层的线间隔距离分别为3、4、4和 5 mm（图 1B）。

1.3 观察记录指标

1.3.1 辐照时间：记录各组的辐照时间。

1.3.2 总辐照能量和凝固性坏死体积：记录各组的总辐照能量和凝固性坏死体积，并根据二者分别计算各组的EEF值，EEF指损伤单位体积的肿瘤（组织）所需的超声能量。辐照后即刻先将牛肝组织沿靶体的6个面切开，再沿Z轴薄层切开靶体，每层层厚2~3 mm。观察辐照后的坏死组织呈灰白色［3］，未坏死组织呈红色。壳式辐照组通过测出灰白区外围和中心红色区的长、宽、高，以公式V=长×宽×高分别计算出两个区域的体积并相减，计算凝固性坏死的体积。如果红色中心区为不规则形，通过割补、剪切的方法将其转化为规则形，用面积×高的公式计算红色区域体积；传统式辐照组通过测量灰白区的长、宽、高，用同一公式计算出凝固性坏死体积。再以公式 EEF= η·P·t/V［4］计算能效因子，η 为 HIFU换能器聚焦系数，P（W）为声功率，t（s）为辐照时间，V（mm3）为凝固性坏死体积。

1.3.3 病理组织学观察：壳式辐照组取辐照区、中心未辐照区、辐照区与外周交界处牛肝组织，传统式辐照组取辐照区、辐照区与外周交界处牛肝组织，将两组所取牛肝组织常规HE染色、光镜观察。

1.4 统计学处理

结果均以x±s表示，采用SPSS 17.0统计软件进行处理。2组间均数比较采用独立样本t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两种辐照方式的辐照时间和EEF的比较

2组凝固性坏死体积的差异无统计学意义（P>0.05）；壳式辐照组的总辐照剂量、辐照时间和EEF较传统式辐照组都有所减少（P<0.05）。见表1。

2.2 肉眼及光镜观察

壳式辐照组肉眼观察可见辐照区形成完整封闭的凝固性坏死带，中心未辐照区呈现凝固性坏死，辐照区与外周组织界限清晰（图2A）。光镜下可见辐照区细胞结构消失，呈片状红染物；中心未辐照区域细胞膜连续性消失，细胞核固缩、碎裂、溶解，或见筛网状结构；辐照区与外周交界处可见清晰界限（图3）。

传统式辐照组肉眼观察可见辐照区全部发生凝固性坏死，辐照区与外周交界处界限较为清晰（图2B）。光镜下可见辐照区细胞核深染、固缩，甚至溶解、消失；辐照区与外周交界区界限清晰（图4）。

3 讨论

HIFU利用超声波的组织穿透性、方向性和聚焦性使超声能量聚焦于靶区，使靶区组织在0.5~1.0 s内迅速升温至60℃以上，导致蛋白质变性，靶区组织发生不可逆的凝固性坏死。它作为一种非侵入性局部治疗肿瘤的技术，具有定位准确、无放射性等优点，在临床应用中的疗效肯定。但受限于超声波本身的传播特性，声能在传播过程中会出现衰减［5］，辐照效率不高，为了达到治疗目的常需要高剂量和长时间辐照，随之产生的是并发症风险的增加、操作人员的过度疲劳。近年来，提高HIFU辐照效率的研究多集中在通过改变组织声环境以实现HIFU增效的方面，但存在一定的不安全性、外来物质的不稳定性、操作复杂等弊端［6~9］。所以，本实验探索一种新的HIFU辐照方式，即壳式辐照，通过减少辐照时间和投放的能量，达到提高治疗效率的目的。

壳式辐照方式通过不辐照中心区，第一，减少了总的辐照能量；第二，减少了辐照时间。并且感兴趣区的体积越大，壳式辐照的中心区体积也随之增大，减少辐照能量和时间的优势更加明显。实验中发现2组凝固性坏死体积无明显差异，而壳式辐照组投放的能量少于传统式辐照组，以致壳式辐照组的能效因子明显少于传统式辐照组，所以当形成相同体积的凝固性坏死组织时，壳式辐照较传统方式辐照所需要的能量更低。而产生这种现象的机制可能是：第一，靶组织在发生凝固性坏死的同时，周围组织也随凝固性坏死区的不断扩大和温度的不断增高发生变化，热传导作用使热能从焦域内的高温区向未辐照的中心低温区扩散；第二，由于凝固性坏死组织声衰减系数和声吸收系数比周围组织增大［10］，当声波在聚焦后继续传播过程中到达已发生凝固性坏死的界面时，容易在此界面处产生大幅度吸收，使声能大量积聚在未辐照的中心区域；第三，未辐照的中心区域位于聚焦声束途径上，辐照靶区的过程中超声能量在声束途径上被吸收，当能量积聚到一定程度时可使声束途径区域产生不同程度的损伤甚至发生凝固性坏死。

HIFU壳式辐照靶区为了形成完整封闭的凝固性坏死带，在尽量减少辐照剂量的前提下，需要调整不同深度的最佳声功率（声强）、治疗头移动速度、线间距离、层间距离和线间隔时间的组合。实验中不同深度的声功率和治疗头移动速度是根据每个深度形成的单条线状凝固性坏死的Z轴径线和Y轴径线来调整，使层间距离小于或等于Z轴径线，线间距离小于或等于Y轴径线，以达到凝固性带完全“封闭”的效果。而当线间隔时间减少时，由于热扩散和热积聚的影响增大，可适当增大层间距离和线间距离，也可达到“封闭”效果，但热量的扩散呈非线性规律，形态不规则，不易控制，可能造成感兴趣外周组织的损伤。

本实验为全新的HIFU辐照方式应用于临床提供了实验基础，展示了HIFU壳式辐照潜在临床应用价值。但壳式辐照毕竟是一种新的辐照方式，存在一定的问题，如实验资料建立在离体组织上，缺少活体生物血液循环、呼吸运动，声束聚焦途径复杂性等问题，以上问题都有待进一步探索。

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