从超声波到高强度聚焦超声消融技术

刘红 孙涛 赵立强 刘艳 北京物资学院物流学院,北京 101149

从超声波到高强度聚焦超声消融技术

刘红 孙涛 赵立强 刘艳 北京物资学院物流学院,北京 101149

本文介绍了从超声波的发现到用以超声波为主角的无创手术，一种没有创伤，没有放射性，没有化学伤害，在治疗时不输血，减少麻醉，手术后减少广谱抗生素用量的医疗技术，中国人首创，10年临床经验。

超声波；超声消融

科学以神奇的力量改变着我们的生活，本文的写作是处于一个偶然的原因，无意接触到HIFU，通过整理前后资料，将与每个人健康有关系的大事介绍清楚，因为这里有许多物理术语，读到术语，每个人并不一定能理解，有时甚至会误解，所以通过学物理人的解读，有助于理解，达到爽心悦目的效果。

1 超声波的发现

超声波是一种波，顾名思义，超过声音频率，是我们听不见的一种波，我们耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。频率高于20000赫兹的声波，其每秒的振动次数（频率）较高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），所以叫超声波，虽然听不见，但超声波是一种机械波，不含放射线，对人体无任何伤害。虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有感觉到它的本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。比如蝙蝠能发出2万～10万赫兹的超声波，利用这种“声呐”判断飞行前方是昆虫，还是障碍物，如同一座活动的“雷达站”。

人类在第一次世界大战时开始利用超声波，利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等，此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。在医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了超声技术的新篇章。国内超声治疗起步于20世纪50年代初，从1950年开始，用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，到了70年代有了各型国产超声治疗仪，40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和丰富的临床经验。特别是80年代出现的超声体外机械波碎石术和超声外科等技术。

2 高强度聚焦超声消融技术

能不能有一种从体外照射，就能把身体内部的病治好的技术呢？听上去似乎天方夜谭，但这种技术已经存在，而且是由中国人首创的，不出国，在家门口就能体验到无创手术的神奇。近10年来，外科手术已经发生了巨大的变化，从用刀切开伤口的巨创手术，到从身体打洞把腹腔镜放入体内的微创手术，再到用高强度超声聚焦的无创手术，病人可以对自己的治病方案做出选择，了解现代外科手术的发展现状和先进的医疗设备所在地，对病人提出了高要求。不同医院不同科室的医生往往会根据自己科室现有的设备，提供一个治疗方案，而对更好的方案只字不提，甚至假装不了解或真的不了解，比如在北京第二炮兵总医院妇产科大夫就不知道在同家医院的肝胆外科可以无创治疗子宫肌瘤这件事，说那是治疗癌症的，她们用留疤的射频技术，病人这时如要不清醒，很可能误上手术台，造成终生不育的后果。病人在就医之前就要做好功课，了解最新技术，要具体到哪家医院和哪个科室，甚至那个大夫，做一个高级病人，不能随便把自己交代给一个不了解的医生。一般级别越高的医院设备越好，医院的宣传对病人也是很重要的。

在理想声场中，低能量的超声波通过聚焦可在焦点处形成一个强度相对较高的区域，超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，人们把焦点附近声强大于空间峰值声强50%的空间范围叫做海扶的声焦域，海扶，英文HIFU（High Intensity Focused Ultrasound的缩写），即高强度聚焦超声也就是超声聚焦消融，像看到B超这两个字一样，看到HIFU就明白是特指这个技术，其原理与太阳光经放大镜聚焦后点燃在焦点处的纸片的原理相似，利用超声波可通过人体组织，并聚焦在特定靶区，将能量聚集到足够的强度，使焦点区域达到瞬间高温，破坏靶区组织，在组织病理学上表现为凝固性坏死，也叫消融，达到破坏病变区域的目的，而病变区域外的组织没有损伤，超声波是透过非治疗区进入治疗区，治疗区与非治疗区的边界只有6到10个细胞的宽度。理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大，超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

利用超声波极强的穿透力，通过超声发射器发射的数百束高能超声波（相当于5 万台普通 B 超机），像聚集太阳能一样使焦点汇集在肿瘤组织上，利用高能超声空化作用使肿瘤组织细胞膜破裂，同时高能超声波释放出巨大能量迅速转化为热能，瞬间焦点处肿瘤组织的温度达 65 ℃-100 ℃，通过高温来破坏肿瘤组织，导致蛋白变性，使靶组织发生不可逆的凝固性坏死，有效地杀死瘤细胞，同时能选择性破坏直径2毫米以内的小肿瘤血管，对更大的血管几乎无损伤。比如子宫肌瘤手术，通过阻断肌瘤血液供应，不开刀、不流血、不切除子宫，以点线面体的方式一次性治疗体积较大、形态各异的肌瘤。治疗时一方面肌瘤细胞发生凝固性坏死；另一方面其自身的供血血管也处于闭塞凝固状态，使肌瘤细胞失去营养，两方面因素协同作用，最终导致肌瘤细胞死亡，在代谢过程中脱落或被吸收甚至消失，使病变结构功能恢复正常。

超声波用于治疗始于1942年，Lynn将超声波聚焦于活体动物脑部，并提出了用高强度聚焦超声从体外对体内进行无创性手术的设想。1958年Fry等在去颅骨的情况下，将聚焦超声用于治疗帕金森病等神经系统性疾病。由于超声消融的复杂性，特别是超声波进入生物组织后致凝固性坏死的不可预测性，以及如何监控靶点，使超声消融治疗肿瘤成为一个多因素复杂问题。上世纪50年代，美国科学家Fry兄弟首次提出将聚焦超声用于治疗肿瘤的构想，并进行了初步探索。这一构想主要是利用超声波具有组织穿透性和能量沉积性的特点，将体外发生的超声波聚焦到体内病变组织，利用聚焦点的高温直接“烧死”病变细胞。1993年Sibille 等用“高温（40～45℃）”的超声作用于组织后发现，这一温度不能引起组织的即刻损害，但这一效应可以作为强化放疗、化疗的辅助治疗手段。超声聚焦在组织内形成损伤。主要机制是热，当有空化效应发生时，损伤形态和大小发生改变，控制损伤的形态、大小是当时的研究难题。Adams等认为换能器发出的超声波要损伤组织，除了焦距、组织特征的影响外，还与超声能量和组织的相互作用有关。Ter Haar等认为聚焦超声用于临床使用需要对超声在组织内的作用有足够的了解。Goldberg等认为Pennes生物热方程已经考虑了影响凝固性坏死的主要因素。简单地说，对一个组织凝固性坏死的热剂量等于能量沉积乘以局部组织的吸收系数减去致热损害前的热丢失。1988年，王智彪萌发了用高强度聚焦超声，从体外对体内肿瘤进行非侵入切除的灵感。在之后的10年中，他和他的团队在该领域提出了，“生物学焦域”即HIFU单次辐照后，超声能量在生物组织中沉积所形成的点状凝固性坏死；“超声治疗剂量学” 即每切除1 mm3需要的焦耳超声能量，并得到了在动物不同组织中能效因子的数据；“组织声环境”即探讨引起组织声环境变化的因素和规律，并用物理或化学方法改变组织声环境，可大大提高治疗效率，增加超声治疗的有效性和安全性，建立标准化治疗模式等概念。在实时超声监控、治疗系统优化、远程医疗系统、临床方案等方面，积累了很多临床病例，在该领域的设备研制、临床应用及若干基础研究方面走在世界前列。

在九十年代中期，超声专家就开始聚焦超声对香猪子宫的凝固性坏死进行研究。从肌肉对超声是否敏感，到详细的剂量问题，即多少的剂量可以将病灶彻底消融，超声治疗专家做了几百头香猪实验，之后开始着手于猴子实验。把在香猪试验中筛选的剂量，应用在猴子身上，因为灵长类的子宫，跟人的相对比较接近，让猴子的子宫增大，增大以后用超声聚焦进去，将它消融一大块。消融以后，将猴子养起来，让凝固性坏死组织慢慢吸收，吸收以后，还让猴子受孕，怀孕了以后再观察是不是能生育，修复的子宫是不是能够承受胎儿的长大，妊娠以及分娩的收缩，在猴子身上完整的做了这个过程，结果都很好，经过超声消融治疗后，猴子卵巢功能和其他的脏器没有影响。在大量的动物实验基础上，通过国家的准许，超声专家开始做临床试验，北京301医院的汪伟教授，在2002年发表了首篇采用超声消融技术治疗子宫肌瘤的文章。子宫肌瘤是个良性疾病，在8～9年前，要让组织内焦点形成凝固坏死，病人疼痛感还是很明显的，开始的治疗是需要全身麻醉，最近几年年，可以不用全身麻醉而只是在镇静阵痛。100多年前，子宫肌瘤的经典治疗方法是子宫切除术，这个手术挽救了许多因为子宫肌瘤引起的严重失血患者的生命。后来小切口的子宫切除术、筋膜内子宫切除术、阴式子宫切除术；腹腔镜技术更是延伸了医师的手，推动了微创外科的发展。而高强度聚焦超声消融技术治疗子宫肌瘤的方法，则改变了侵入性治疗模式，完全无器械进入人体，应用磁共振成像（MRI）监控的HIFU肿瘤治疗系统，可以实时反映治疗靶区的平均温升，反馈调节治疗剂量，最后看到血供完全被切断，宣布手术成功。因为切断血供会疼痛，在手术时用一些麻醉药，术后一天疼痛会缓解，因为没有伤口，不需要长时间输液，根据情况，口服三天消炎药。

超声消融技术也有局限，比如对癌肿的切除，只是切除，并不是针对癌变发生的病因、病理进行阻击。手术对病人要筛选，超声消融技术的非侵入性特点，需要病人满足声通道安全和靶点能量快速而足够的沉积以及消融后吸收的要求。超声消融是通过“刀尖”对组织的热切除，当聚焦效果不好或“刀尖”漂移对非计划治疗组织也有造成损伤的可能，甚至损伤后需要外科手术治疗。因此，超声消融治疗仍然要在微创、无创外科理念下，最大限度地破坏病灶、最大限度地保护正常组织。目前超声消融的适应证有：肝脏肿瘤：肝脏良、恶性肿瘤；骨肿瘤：除颅骨和脊柱以外的原发性和转移性骨肿瘤；乳腺肿瘤：乳腺良、恶性肿瘤；胰腺癌：无黄疸的胰腺癌或经过减黄治疗后的胰腺癌；肾脏肿瘤：肾脏良、恶性肿瘤（有肾静脉和下腔静脉癌栓者除外）；软组织肿瘤：软组织良、恶性肿瘤；子宫肌瘤；良性前列腺增生和前列腺癌；具有良好超声通道的腹膜后或腹盆腔实体肿瘤。禁忌证：含气空腔脏器的肿瘤；中枢神经系统的肿瘤；治疗相关区域存在皮肤破溃或感染时；治疗相关区域皮肤接受过45Gy以上放疗时；超声治疗的通道中存在腔静脉系统栓子时；超声治疗的通道中存在显著钙化的动脉血管壁时；有重要脏器功能衰竭的患者；有严重凝血功能障碍的患者；不能耐受相应麻醉的患者；机载定位影像系统不能清晰显示的肿瘤。

除中国学者报告的超声消融技术临床应用成果外，各国学者在利用超声消融技术治疗胰腺癌、肾癌等也取得成果。高强度聚焦超声技术为主体的无创治疗将成为世界医疗的新趋势。如果超声波能穿越人体内气泡、骨骼等天然障碍物，颅脑肿瘤将不再是超声消融手术的禁区。目前治疗癌症还是超声消融技术的主要目标，但在将来，它将得到更大范围的应用，就像科幻片《星球大战》里演的一样，患者被推到仪器下面扫描一下，得到一个整体的影像，据此就能告诉病人身体里面发生了什么异常，然后直接从体外处理一下，疾病就消除了，这就是超声消融设备要做的事情。米兰大学放射学奥尔西教授说，海扶超声聚焦刀具有一个手术治疗没有的优势，就是对早期极其微小的癌细胞的消除，对于这些极其微小的早期肿瘤，手术治疗是不可能的，在这个阶段用传统手术治疗也是没有道理，而超声消融将在攻克这一难题上有着令人振奋的前景。超声波为主角的无创手术，能实现一种没有创伤，没有放射性，没有化学伤害，在治疗时不输血，减少麻醉，手术后减少广谱抗生素用量的医疗技术。

[1]王智彪.发展超声消融技术 推动微创外科进步.中华妇产科杂志.2011（6）

[2]李发琪.高强度聚焦超声(HIFU)肿瘤热消融技术的关键问题简析.中华肝胆外科杂志.2011（2）175～176

[3]高强度聚焦超声肿瘤治疗系统临床应用指南（试行）.中华医学杂志NATIONAL MEDICAL JOURNAL OF CHINA.2005年第12期

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.014

刘红（1966-），女，湖北省鄂州人，博士，副教授，主要从事基础物理学的教学。