文档介绍：上海交通大学硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
高强度聚焦超声
高强度聚焦超声技术初始于上世纪50年代。
等人利用石英晶体材质的凹球壳聚焦换能器产生高强度聚焦超声束,将其作为辅助设
备,对活体动物(猫和狗)脑部中枢神经系统进行试验[1],实验结果发现:聚焦超声
能定位损伤神经组织,破坏病变组织,并且对周围组织损伤小;1956年Burov首次将
HIFU应用于治疗肿瘤[2],并且提出:治疗癌症时,短时间高强度的超声辐照比长时
间低强度的超声辐照治疗效果更好;1958年,Fry利用HIFU技术治疗人类Parkinson病
[3], 局部麻醉后进行颅骨切开术,使得聚焦超声能够穿过暴露的脑膜辐射至豆状核袢,
手术结果令人雀跃:病人的病症得到基本消除。可惜的是,在当时缺乏精确的检测和
定位系统,这使得HIFU技术在相当长的一段时间内发展停滞。90 年代以后,医学影
像技术的飞速进步和人类对微创和无创医疗的强烈追求,使得术前准确定位病灶和术
中实时监控成为可能,图像引导的HIFU,作为一种非侵入式的恶性肿瘤治疗手段,
也走上了高速发展的道路。
1993年,印地安那大学Foster等人经FDA许可,在大量动物实验的基础上,将HIFU
技术应用于临床,进行了15例前列腺癌的试验治疗[4],治疗前后前列腺均显示了不均
匀坏死灶。HIFU的医学应用在我国也有了可喜的进展。1997年,重庆医科大学医学
超声研究所研制了JC型HIFU肿瘤治疗系统,从此以后,成千上万的肿瘤患者获得了
治疗。重庆医科大学还将HIFU应用于早孕终止[5]。2004年,伍烽、王智彪等人总结
经HIFU治疗的1038例恶性实体瘤的临床试验并发表报道[6],1038例临床病例包括乳
腺癌、原发性肝癌、转移性肝癌、恶性骨肿瘤、腹部和盆腔恶性肿瘤、良性乳腺肿瘤、
软组织肉瘤及其他实体肿瘤。
高强度聚焦超声热疗技术在肿瘤温热疗法基础上发展而来,是一门由医学和物理
学相互交叉而产生的高新技术。与外科手术、放疗、化疗等传统肿瘤治疗手段相比,
高强度聚焦超声热疗属于非开放性治疗手段,其优点在于:避免脏器粘连、感染、出
血;降低肿瘤细胞发生转移的可能性。这样减轻了病患的痛苦,并提高了病患的生活
质量。HIFU 的基本原理[7]是:在体外采用换能器阵或声透镜,将大功率超声聚焦,
使焦点处强度达 103~104W/cm2、同时焦域控制在毫米级范围内。聚焦点位于体内某
一靶区,使靶区内的肿瘤组织温度在 ~2s 内骤升至 70℃~120℃,细胞蛋白质在
如此的高温下发生变性凝固坏死,而周围的正常组织免受损伤。HIFU 治疗致组织损
伤机制主要有两点:热效应和空化效应[8]。超声在人体组织中传播,其能量主要以吸
收和散射的方式衰减。人体组织吸收超声能量并转变为热能,使得组织温度升高。
第 1 页
上海交通大学硕士学位论文第一章绪论
HIFU 技术将超声汇聚在焦点靶区位置,焦域处能量达到传播路径上超声能量的数百
倍,声强数量级达千瓦每平方厘米以上。在此强度下,焦域组织吸收超声能量并转变
为热能,温度快速上升。当温度上升至足够高时,细胞蛋白质发生变性凝固,组织坏
死,从而达到治疗目的。空化效应几乎和加热同时产生,但是却比较难准确预测。生
物组织及组织液体中的微小气泡核在声场作用下发生一系列动力学过程。超声正负压
的交替作用使得气泡核产生周期性的振荡、膨胀、收缩,以至内爆。负压作用期间,
气体被抽取出来形成气泡并迅速扩大;在正压作用下气泡突然收缩崩溃,在微环境中
释放局部能量,产生 2000-5000K 的温升,使组织受损坏死。
HIFU 技术在焦点区聚焦形成高能量以达到杀死肿瘤细胞治疗疾病的目的。若焦
点区偏离病灶区,不仅损伤正常组织,治疗效果也会不尽如人意。所以有效控制超声
波在人体内聚焦形成的焦点区域的大小、位置等是 HIFU 技术的关键。同时,焦点区
最高温度和温度分布是影响治疗效果的直接因素[9]。所以,准确地测量和控制焦点区
域温度是取得良好疗效的关键。目前,常用测温方法包括:有损测温、无损测温和理
论模拟计算测温。插入热电偶针有损测温方法现在临床应用最为广泛[10],测量精度
达 ℃。但此方法测温患者不仅感到痛苦,而且极易引起癌细胞转移,与 HIFU 技
术的无创理念相悖。理论模拟计算测温方法通过建立模型,通过不同的计算方法得到
组织内温度场分布。
HIFU 设备主要部件包括:超声发生系统、扫描机构(机械或电子)、成像系统、
水处理系统及计算机控制系统。近年来,MRI 作为继 B 超、CT 之后,HIFU 治疗