高强度聚焦超声新技术的探索与研究

　　高强度聚焦超声技术(high intensityfocused ultra-sound,HIFU)是继激光、C刀和V刀之后的一种新的、应用前景更为广泛的治疗肿瘤的一种真正无创、无害、安全、有效而又能保全组织的治疗方法,在医学临床应用中倍受青睐。

　　HIFU技术的基本原理为:通过一定聚焦方式,将超声能量聚焦于人体深部组织,从而形成一个声强较高(可达几千,甚至上万W/cm²)的区域—焦区。焦区处的超声波进行声热转化,产生瞬态高温效应,形成超高温(在1~3s升温到65°C以上)。致使组织形成不可逆的凝固性坏死,而又不伤及周围的正常组织。基本原理如图1所示。

　　1 HIFU技术的发展概况

　　最先在1942年J.G.Lynn等就首次报道了HIFU具有破坏组织的效应。1955年Fry等人将这项技术用于治疗神经系统疾病的试验研究,较为成功地用高强超声完成了人脑外科手术。1961年Hickey等应用HIFU对5例晚期乳腺癌患者进行脑垂体破坏,作为晚期乳腺癌的辅助治疗。然而,由于当时缺乏高精度的成像和定位技术,HIFU并未得到广泛的应用与发展。

　　直至80年代末,随着成像技术、计算机自动化技术以及超声治疗技术的发展,HIFU外科技术逐渐发展起来,并被尝试用于肿瘤治疗中,该技术又一次成为世界范围的工程技术人员和医务工作者关注的热点。目前,许多国家都介入了该技术的开发和研究,并取得了许多重要研究成果。1995年马德斯巴其成功地将高强度聚焦超声波用于临床治疗前列腺癌。我国对HIFU技术的研究起步较晚,但发展速度很快。例如上海交通大学陈亚珠教授等研制出计算机辅助体外HIFU无创外科治疗设备,重庆医科大学声学研究所研制出了JC型高强度聚焦超声肿瘤治疗机,北京医科大学应用碎石研究所研制出FEP-BY01高强度聚焦超声肿瘤治疗机,等等。

　　2 HIFU技术的作用机制

　　2.1 热机制

　　当超声波在生物组织内传播时,由于组织的内摩擦粘滞损耗、热传导损耗以及一些分子驰豫过程,不断地把一部分有序的声波振动能量转化成为无序的分子热运动能量,从而使自身温度升高。

　　当声强为I(W/cm²)的简单的平面声波在声吸收系数为α(cm^-1)的组织中传播时,单位体积内超声作用t秒产生的热量ρ可表示为:

　　组织的声吸收系数α是声波频率f(MHz)的函数,一般近似表示为:

　　如果取组织的密度ρ=1000kg/m³,比热Cm=4.14J/(cm³ge),且产生的热量不失散,那么辐照t秒后组织的温升为:

　　如果f=1MHz,t=1s,I=3000W/cm³,则ΔT=36°C。表明,对于体内靶点组织,当用声强大于等于3000W/cm²频率为1MHz的超声照射1s时,即可产生36°C的温升。也就是说,体内靶点的温度从36°C的体温提高到72°C,达到蛋白热固化的温度。若考虑非线性效应,则温升更明显。