高强度聚焦超声换能器

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,简称HIFU)被认为是20世纪末无创伤科,特别是肿瘤治疗技术的一项突破性进展。HIFU的基本概念是,通过一定形式的超声聚焦换能器(单元换能器或多元换能器阵列),将超声能量聚焦于小的空间焦域(或称焦斑)内(其线度一般为毫米量级)。焦域的声强高达每平方厘米几千乃至上万瓦,使置于焦域的病灶组织(如肿瘤、增生等),在短时间内(一般在0.1s～10s)迅速上升到65℃以上,发生凝固性坏死。而周围正常组织不受损作。从而达到无创伤治疗目的。 聚焦超声换能器是HIFU治疗设备的核心部件。本文就其发展过程及声场特性等相关问题做一简要评述。 1.高强度聚焦超声换能器发展简况     

聚焦超声换能器焦距与直径比值对高强度聚焦超声透过条状障碍物的生物学焦域的影响

目的探讨聚焦超声换能器的物理参数换能器焦距与直径的比值（f-number）对高强度聚焦超声（HIFU）透过条状障碍物的生物学焦域的影响。方法分别选用f-number为0．65（1．0—200—130）和f-number为0．85（1．0—200—170）型换能器在离体牛肝中进行HIFU辐照。将肋骨置于换能器与焦平面之间,HIFU声束轴线在B超的引导下,分别沿肋间隙正中聚焦、肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面3、6、9cm处。HIFU声束透过肋骨聚焦,在牛肝中的辐照深度为20mm,辐照功率250W,辐照时间10S;辐照方式采用定点辐照。辐照结束后切开牛肝,观察和记录生物学焦域的形成率与体积。结果在其他辐照参数相同的情况下,f-number为0．65透过肋骨后生物学焦域的形成率和体积均较f-number为0．85时大（除f-number为0．85正对肋骨聚焦,肋骨距焦平面3cm外）。结论聚焦超声换能器f-number不同,HIFU透过肋骨所形成的生物学焦域形成率与体积不同。     

高强度聚焦超声肝脏生物学焦域及超声监控

目的探讨在相同声强作用下,高强度聚焦超声经体外辐照肝脏形成的生物学焦域体积大小与辐照深度和辐照时间的关系.同时探讨超声显像法实时监控生物学焦域的图像变化规律.方法采用重庆医科大学医学超声工程研究所自主研制的JC-A型HIFU肿瘤治疗系统(1MHz,5500W*cm-2),对18只山羊的肝脏组织进行体外定点脉冲辐照,辐照深度为距皮肤3cm和4cm,辐照时间为5s、10s、15s和20s.辐照过程中系列测量靶区超声灰度和强回声区面积的变化.辐照后3～5天处死动物,剖腹观察并测量所形成的肝脏HIFU生物学焦域的体积.结果肝脏经体外HIFU辐照后即刻,靶区内出现明显的回声增强并随观测时间延长而逐渐降低.强回声区面积随辐照时间增加而增大.辐照时间为5s、10s、15s和20s,辐照深度为3cm时,形成的生物学焦域体积分别为(85±28.0)mm3、(274±55.0)mm3、(410±90.0)mm3和(694±131.0)mm3;而辐照深度为4cm时,肝脏HIFU生物学焦域体积则分别为(63±7.0)mm3、(167±25.0)mm3、(273±56.0)mm3和(472±104.0)mm3.结论在相同辐照声强作用下,肝脏HIFU生物学焦域体积随辐照时间的增加而增加,随辐照深度的增加而减小.     

聚焦超声换能器的频率和曲率半径对生物学焦域的影响

目的探讨聚焦超声换能器的物理参数——频率(f)、曲率半径(R)对生物学焦域的影响．为优化设计适合临床应用的聚焦超声换能器提供实验依据。方法运用JC-A型Haifu聚焦超声肿瘤治疗系统，使用3种聚焦超声换能器，以一定的超声剂量定点辐照新鲜离体牛肝脏．辐照结束后沿凝固性坏死最大面剖开，测量生物学焦域的长、短轴和体积。结果对于任一种聚焦超声换能器，辐照深度一定时。生物学焦域的体积随换能器辐射声功率、辐照时间的增大而增大。在一定的换能器辐射声功率和辐照时间下．辐照深度一定时，当聚焦超声换能器其他物理参数固定时．生物学焦域的体积随换能器频率的增大而增大，而生物学焦域的形态指数随频率的增大而减小；而当聚焦超声换能器的其他物理参数固定时．生物学焦域的体积和形态指数随透镜曲率半径的增大而增大。结论生物学焦域除了与声功率、辐照时间、辐照深度以及组织结构、功能状态有关外，还与聚焦超声换能器的物理参数如频率(f)、曲率半径(R)有关。在临床运用中，应根据临床方案优化设计适合临床应用的一定频率(f)和曲率半径(R)的聚焦超声换能器。     

高强度聚焦超声定位损伤离体牛肝的量效学研究

目的 探讨不同频率、不同治疗剂量的高强度聚焦超声(HIFU)定位损伤新鲜离体牛肝的量效关系。方法 采用治疗头频率分别为5．4MHz和7．4MHz的高强度聚焦超声治疗系统在不同的治疗功率40W和50W时，分5s、8s、10s、15s、20s的治疗时间定位损伤新鲜离体牛肝，记录并测量靶区的温度和生物学焦域体积。结果 HIFU辐照5～8s可迅速提高靶区温度至64～75℃，随着治疗时间增加，温度最高可达85℃；在治疗头频率和输出功率相同时，随着辐照时间的延长，HIFU辐照部位的生物学焦域体积增大，同一部位辐照时间越长(15～20s)，生物学焦域中心越易产生炭化和空洞现象；在治疗头频率和辐照时间相同时，输出功率增大，生物学焦域体积增大；在输出功率和辐照时间相同时，频率为7．4MHz的治疗头较频率为5．4MHz的治疗头所产生的生物学焦域体积大。结论 HIFU生物学焦域的形成与治疗头的工作频率、输出功率和治疗时间密切相关，在一定的参数条件下，生物学焦域可控制，这将有助于HIFU在肿瘤治疗领域的临床应用。     

超声对高强度聚焦超声生物学焦域的监控研究

目的　探讨高强度聚焦超声 (HIFU)治疗中超声监控的准确性和可靠性。方法　通过比较离体牛肝组织在HIFU不同声强和辐照时间辐照时 ,靶区辐照前后的超声声像图变化和灰度值变化 ,进而观测超声图像面积 (SUSI)与生物学焦域面积 (SBFR)的关系。结果　HIFU辐照后超声回声强度明显增强 ,灰度值增高 ;辐照结束后 1min的SUSI与SBFR几乎相等 (t =0 .30 8,P >0 .0 5)。结论　通过观察超声的灰度值变化 ,可以间接地指导制定治疗剂量和判断治疗效果     

高强度聚焦超声立体定向治疗并联机器人对离体猪肝脏组织的损伤效应

目的探讨自主研制的高强度聚焦超声立体定向治疗并联机器人在换能器摆动模式下对离体猪肝脏组织的损伤效应。方法离体猪肝脏组织分为换能器摆动组和换能器固定组,采用该装置在不同辐照时间和辐照深度下分别进行定点脉冲辐照,测量生物学焦域体积及其中心距组织表面距离,并取靶区组织进行病理学检查。比较两组间生物学焦域体积测值以及换能器摆动组生物学焦域中心距组织表面的距离与预设辐照深度间的差异,并分析辐照深度及辐照时间对生物学焦域的影响。结果辐照靶区形成凝固性坏死区,与周围组织分界清楚。在相同辐照剂量下,两组所产生的生物学焦域体积测值间差异无统计学意义(P>0.05)。生物学焦域中心距组织表面的距离与预设辐照深度间差异无统计学意义(P>0.05)。在相同辐照参数下,生物学焦域体积随辐照时间增加而增大,随辐照深度增加而减小。结论高强度聚焦超声立体定向治疗并联机器人在换能器摆动模式下对离体猪肝脏组织可产生有效、精确的损伤,生物学焦域与辐照时间和辐照深度有关。     

高强度聚焦超声联用超声造影剂对治疗兔肝焦域效应的影响

目的探讨超声造影剂改变动物体内生物组织对入射超声的反应,以增强高强度聚焦超声(HIFU)治疗实体肿瘤的生物学效应.方法采用前瞻性配对方法,把32只新西兰纯种大白兔按体质量配对分为两组,每组16只,两组兔肝分别接受①单纯HIFU治疗;②增强HIFU治疗,即先静脉注射超声造影剂(白蛋白包裹的含全氟丙烷的气体微泡,全氟显),再接受HIFU治疗.两组治疗参数包括辐照时间、功率、频率、焦距相同.记录并比较两组肝在辐照前与辐照后20 s、2 min、5 min靶区的超声灰度值改变并在术后2 h、第2 d、第3 d和第7 d各解剖4只兔,对比两组肝脏的焦域体积大小及显微镜下肝组织的病理学改变.结果单纯HIFU组辐照前后的超声灰度改变值分别为 20.2± 12.4(20 s), 16.8± 9.3(2 min)和 15.1± 11.9(5 min);增强HIFU治疗组为 63.9± 29.4(20 s), 60.0± 25.9(2 min), 59.3± 28.7(5 min),两组差异有显著性意义(P< 0.05).两组肝的焦域体积分别为( 130.5± 200.2)mm3(单纯HIFU组)和( 1613.6± 2620.7)mm3(增强HIFU组,P< 0.05).两组在治疗当天光镜下靶区肝细胞即出现不可逆的变性坏死,1 d后出现明显的大片凝固性坏死,与周围组织分界清楚.结论超声造影剂可改变动物体内的声学环境,从而增强HIFU对兔肝的作用效应,可作为HIFU增效剂用于临床治疗实体肿瘤.     

生物学焦域的概念及在高强度聚焦超声切除组织中的作用

本实验研究和比较了高强度聚焦超声(HIFU)所致体内深部组织凝固性坏死灶的形状和大小.结果显示参照同样的治疗参数,HIFU所致凝固性坏死灶的大小和形状在体内和体外有较大的差异.体内体积与治疗参数、靶组织的结构、功能和运动有密切关系.与物理学焦域比较,凝固性坏死灶体积亦可能命名为HIFU的生物学焦域.     

高强度聚焦超声治疗恶性肿瘤并发症的防治探讨

高强度聚焦超声 (highintensityfocusedultrasound ,HIFU )是近年来兴起的无创性治疗恶性实体肿瘤的外科新技术 ,其临床应用愈来愈受到人们关注。本研究对我院自 2 0 0 1年 7月以来HIFU治疗恶性实体肿瘤的并发症防治进行探讨。资料与方法一、临床资料12 5例患者 ,男 82例 ,女 43例 ,年龄 9～ 74岁 ,平均 49岁。其中肝癌 80例 (原发性肝癌 5 4例 ,转移性肝癌 2 6例 ) ,软组织恶性肿瘤 2 0例 ,盆腔转移性肿瘤 5例 ,乳腺癌 4例 ,恶性骨肿瘤 13例 ,胰腺癌 3例。所有病例均经病理组织学检查证实或有可靠的肿瘤标记物及影像学表现明确诊断。二、仪器与方法采用重庆海扶 (HIFU )技术有限公司研制的JC型聚焦超声肿瘤治疗系统。主要治疗参数 :治疗频率 0 .8MHz、1.6MHz ;焦域直径 1.1mm、1.3mm ;焦域长度 9.8mm、10 .7mm ;焦距10 0～ 13 5mm ;治疗功率 10 0～ 2 40W ;扫描方式多采用直线扫描方式 ,偶用汇聚方式 ;治疗剂量 14 2 9s～ 2 10 0 6s。在全身麻醉或硬膜外麻醉下...     

超声对高强度聚焦超声治疗的实时监控研究

目的　探讨在高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中,实时监控超声的图像变化与HIFU辐照产生的凝固性坏死灶大小之间的相关性。方法　观测在相同声强和辐照时间、治疗深度等指标情况下,HIFU定点辐照家兔肝脏,靶区辐照前及治疗结束后即刻、2min、5min、10min后的超声声像图变化和灰度值变化,进而观测超声声像图面积与生物学焦域面积的关系。结果　HIFU辐照后靶区超声回声强度明显增强,灰度值增高,但随着时间延长,灰度则逐渐减弱,声像图面积也随时间逐渐减小,但在 2min时趋于稳定。而损伤的凝固性坏死灶最大切面面积与不同时间的声像图面积比较,介于 2min和 5min的声像图面积之间,与两者比较,差异均无显著性意义(P>0. 05)。结论　通过观察HIFU活体治疗时的灰度值和声像图变化,可间接指导HFIU治疗剂量的选择和判断治疗的效果,为临床HIFU实时监控治疗提供理论和实验基础。     

高强度聚焦超声应用于兔眼角膜矫正老视的初步研究

目的 初步研究不同剂量高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)对离体兔眼角膜组织形态及角膜曲率的影响,为HIFU矫正老视提供实验基础.方法 HIFU在相同治疗时间(6 s)下以不同功率4、3、2、1W定位辐照离体兔眼角膜基质,分别制作直径8、9、10 mm的圆环状焦域,辐照完后行角膜组织学观察及角膜曲率变化的检测.结果 光镜下见角膜基质焦域内纤维排列规则、发生融合,边界纤维收缩,焦域长、短径随HIFU辐照功率和焦域环直径的不同而发生变化,各实验组比较差异有统计学意义(P＜0.05).电镜观察3 W/9 mm组基质焦域内细胞及纤维改变显著,而1 W/9 mm组仅纤维轻度改变.自动验光仪检测HIFU辐照后角膜曲率半径减小、曲率增加(P＜0.05).结论 HIFU定位辐照离体兔眼角膜基质,能使角膜曲率增加,产生角膜前凸效应.     

高强度聚焦超声破坏深部组织超声图像变化

为阐明高强度聚焦超声(HIFU)对体内肝组织的生物学效应,本研究用超声图像定量分析方法观察小型香猪肝脏受损组织的形态学变化.用超声定位的HIFU体外断层切除肝脏靶区.并用定量分析系统检测靶区,发现HIFU治疗前后超声图像有明显差异.结果提示:超声图像定量分析可用于监测HIFU治疗后受损组织的形态学变化.     

辐照深度对高强度聚焦超声生物学焦域的影响

目的：探讨HIFU生物学焦域在不同深度的牛肝组织中与治疗剂量的定量关系。方法：探头频率为1.0MHz在相同治疗剂量时，定位损伤不同深度的新鲜离体牛肝，测量并比较损伤灶的体积。结果：生物学焦域的体积随治疗深度的增加而减小，结论：HIFU生物学焦域体积随治疗深度的增加呈指数规律递减，VBFR=1738.2e^-0.3948D。     

高强度聚焦超声辐照靶区回声强度与温度的相关性实验研究

目的 观察高强度聚焦超声(HIFU)辐照靶区的回声增强与(生物学焦域中心)温度之间的关系.方法 采用定点点打方式辐照牛肝组织,辐照声功率为65.44～196.32W,分为9级,每级相差16.36w,对应每级声功率辐照时间分别为1～20s;同一声功率和辐照时间下重复实验三次.辐照过程中,测温系统自动记录靶区中心温度;在辐照结束后采集靶区声像图,灰度定量软件自动读取感兴趣区灰度值.取靶区灰白色区域与正常组织交界处组织送病理检查(HE染色).结果 靶区温度低于65℃时,即使发生凝固性坏死,回声也不增强;而回声增强时对应焦域中心温度高于65℃.结论 超声监控靶区回声增强与HIFU辐照靶区温度密切相关.     

高强度聚焦超声治疗浅表部位恶性肿瘤临床观察

目的评价高强度聚焦超声(HIFU)对浅表部位恶性肿瘤的治疗效果和副作用。方法31例原发灶已经切除,在身体浅层发生转移或复发的肿瘤,予以HIFU治疗,超声发射电功率为1000～2000W,频率为1.04MHz,焦域大小为6mm×6mm×10mm。结果完全缓解(CR)1例,部分缓解(PR)19例,稳定(SD)9例,恶化(PD)2例,有效率93.5%;随访5～31个月,3例失访,患者的中位生存期16.7个月,2年生存率为39.3%。副作用皮肤深II度烫伤2例,浅II度烫伤5例,无其它不良反应。结论HIFU对浅表部位恶性肿瘤有明显的治疗作用,其副作用轻微,可以作为手术后肿瘤复发或转移的补救措施。     

层状生物组织中的HIFU声焦域研究

目的研究不同治疗深度以及不同辐照强度情况下，生物组织中高强度聚焦超声（HIFU）声焦域形状和重心位置的变化规律。 方法基于Khokhlov Zabolotkaya Kuznetsov（KZK）方程描述聚焦声波在层状生物组织中的传播过程，并采用时域数值方法进行模拟计算。 结果模拟分析表明，随着辐照强度增强，声焦域重心向着换能器方向前移，焦域增长变粗，且形状逐渐变化为“头胖尾细”。而随着治疗深度增大，焦域形状缩短变细，甚至消失。 结论辐照强度和治疗深度对HIFU治疗时声焦域的位置和形状都有影响。在HIFU的临床应用中，必须综合考虑辐照强度及治疗深度对声焦域的影响，以实现损伤区域的精确定位，达到有效的临床治疗效果。     

声通道上的条状障碍物对高强度聚焦超声声场的影响

目的 研究高强度聚焦超声(HIFU)透过用条状障碍物模拟的肋骨后的声场分布.方法 引导HIFU声束透过肋间隙、肋缘及正对肋骨,在每种情况下将肋骨分别置于距焦平面3、6、9 cm处,采用水听器描绘出了每种情况下声场的分布.结果 轴向声压分布:在3种障碍物分布情况下,声通道上由于肋骨的存在,声压幅值较自由场下降了60%～80%,相对于自由场,-6 dB焦域的尺寸增大0.5～1.5 mm.焦点的位置相对于自由场,也发生了前移,焦点向换能器方向靠近0.1～2.3 mm.径向声压分布:在3种障碍物分布情况下,当肋骨距焦平面3、6 cm时,声压的分布出现多峰的现象,相对于自由场,声压幅值降低.当肋骨距焦平面9 cm时,在经过了肋骨之后,波束基本上还是保持了原来的形状,声压分布与自由场接近.结论 声通道上存在肋骨时HIFU焦域的声压幅值明显降低,声压幅值的降低与声束轴线与肋骨的相对位置以及肋骨距焦平面的距离有关.声通道上存在肋骨时对HIFU声焦域有影响,-6 dB焦域尺寸增加.     

2002年7～12期中国超声医学杂志刊出论文受国家自然科学基金等资助项目

一、国家自然科学基金资助项目 (Ｎｏ . 30 0 70 2 171)1 张樯　李发琪　冯若等　　　　高强度聚焦超声“切除”肿瘤的剂量学研究 (Ｎｏ . 19934 0 0 1) 8:5 612 潘敏　邓又斌　常青等　超声成像方式和造影剂剂量对造影剂微气泡后散射强度的影响 (Ｎｏ . 39970 30 8) 12 :893　　　　　二、家自然科学基金项目 (Ｎｏ . 30 0 70 2 17)和国家自然科学基金重点项目 (Ｎｏ . 39630 34 0 )资助1 刘宝琴　熊树华　李发琪等　　辐照深度对高强度聚焦超声生物学焦域的影响 8:5 652 李发琪　张樯　马平等　环状聚焦超声换能器的物理参数对生物学焦…     

高强度聚焦超声治疗肿瘤监控技术研究现状

高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound,HIFU）是把在生物组织中传播的超声聚焦,形成一个高声强的焦域,在焦域处产生一个边界明确的凝固性坏死,而对声通道和周围正常组织不损伤。20世纪40年代国外专家首次提出用HIFU从体外对患者进行无创性手术治疗的设想,继而有专家将HIFU应用于治疗中枢神经系统性疾病的实验研究;由于当时缺乏有效的监控手段,临床应用受到限制。随后的几年内就HIFU对组织的效应进行了大量动物实验研究,多采用辐照后解剖动物肉眼及组织学染色观察损伤区的改变。