肿瘤治疗用高强度聚焦超声换能器的研究现状

刘刚, 尹军刚

威海市妇女儿童医院 医疗设备科,山东 威海 264200

肿瘤治疗用高强度聚焦超声换能器的研究现状

刘刚, 尹军刚

威海市妇女儿童医院 医疗设备科,山东 威海 264200

高强度聚集超声（High-intensity Focused Ultrasound，HIFU）作为一种非侵入性、无毒副作用、具有巨大潜力的肿瘤治疗手段，近年来已经越来越受到国内外学者的广泛关注。高强度聚焦超声换能器是HIFU肿瘤治疗设备的核心部件，直接影响治疗的效果。因此，本文就其发展过程、治疗机制及应用等相关问题做一综述。

高强度聚焦超声；换能器；肿瘤治疗

0 引言

高强度聚集超声被认为是20世纪末无创伤外科，特别是肿瘤治疗技术的一项突破性进展，发展迅速[1-2]。HIFU肿瘤治疗技术是指超声换能器发出的超声波在超声聚焦装置的作用下形成高强度超声能的焦点区域，人体肿瘤组织吸收焦点区域的高强度超声能量，短时间内使置于焦点靶区的肿瘤组织温度升到60℃以上而致死靶区肿瘤组织的治疗技术。聚焦超声换能器是HIFU肿瘤治疗设备的核心部件，目前国内外诸多学者都致力于对其的研究。

1 高强度聚焦超声换能器的发展

高强度聚焦超声换能器的历史，可以追溯到20世纪40年代。1942年，美国哥伦比亚大学的I.G.Lynn.，首次采用单个X切石英单晶体凹球壳聚集换能器对活体动物的中枢神经系统进行实验观察。1955年美国依利诺大学的W.J.Fry等用四个X切石英圆形平板换能器，每个换能器前附加一平凹形塑性材料声透镜，4个换能器的波束预聚集于共同焦点，每个换能器可单独调节相位，以达到焦域声强的最大值，研究高强度超声对动物神经组织的选择性损伤作用。这时的换能器材料大多是石英材料，它的优点是压电性能与谐振频率的稳定性好，缺点是因其各向异性而需定向切割，阻抗高需要高压激励，材料来源少且尺寸难做大。

20世纪60年代石英换能器逐渐被压电陶瓷多晶材料（如锆钛酸铅PZT等）换能器所取代。到20世纪90年代，英国伦敦皇家马斯顿医院的G.ter Haar 和C.R.Hill等使用凹球壳压电陶瓷换能器研制了供临床应用的治疗设备，在治疗前列腺、肝和膀胱的良性及恶性肿瘤疾病方面，取得疗效。这种单元凹球壳压电陶瓷换能器结构简单，转换效率高，阻抗低，易与驱动电路匹配，但其焦点位置及焦域形状固定，因而在治疗较大病灶时，需借助精密而多维的机械调节装置对治疗部位进行扫描治疗。而制作较大孔径换能晶片所需材料烧结与制作工艺也要求较高[3]。多元电子相控阵换能器的出现，在上述这些方面具有极好的灵活性和巨大的潜力。Daum等人于1999年研制了在一个凹球面基体上安装256个阵元组成的多元电子相控阵换能器。通过计算机和电路控制每个阵元发射声束的相位与幅度，可在病灶区域方便地实现精确的焦点定位，逐点扫描，乃至多焦点同时治疗。这种多元阵的制作工艺及阵元性能的一致性均要求甚高，所需控制电路复杂、造价高。另外，由于阵元波束之间的相互干涉。其声场还存在不希望的栅瓣、旁瓣等问题。因此，多元电子相控阵换能器还需要进一步进行研究，优化其设计方案。目前，GE、西门子、日立等公司都已积极参与到这个领域[4]。

我国的HIFU治疗技术的研究与临床应用，近几年取得突破性进展。在聚集换能器研制技术上，也具有自己的特色。重庆医科大学采用单元大直径换能器结构，配合有6自由度微机控制机械调整治疗床，可实现对病灶的精确定位与扫描治疗[3]。北京医科大学与中科院声学所合作，采用多元凹面换能器阵结构，也配有精确机械定位装置，可对治疗过程进行监视，两家都在换能器中央部分安装有B超探头。西安交通大学万明习等研制了256阵元相控换能器，其声场的焦域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求，而且能够减少肋骨上的声功率累积，避免了正常组织受损[5-6]。上海交通大学陈亚珠等对多元电子相控聚焦阵进行模拟设计与计算仿真研究，提出了相控阵列的优化设计方法[7-8]。

2 高强度聚焦超声换能器的设计

2.1 HIFU杀灭肿瘤的机制

HIFU杀灭肿瘤的机制主要有热效应、空化效应和机械效应。热效应在HIFU肿瘤治疗中起重要作用，空化效应的作用也不可忽视，而机械效应在HIFU生物学效应中的作用不是很大，但机械压力本身可以通过引起空化效应进而对组织造成伤害。声强、辐照持续时间和组织的声学特征，除此之外，超声波的衰减、组织比热、血流状况对组织升温也有重要影响。在频率和组织吸收系数不变的情况下，声强越大，辐照时间越长，组织吸收的热量越多，组织温度上升越快，就越易使组织受损伤。因此，健康组织所受的辐照量要尽量少，满足治疗条件的情况下,要尽量降低发射源声强和减少健康组织受辐照的时间。

（2）空化效应。超声空化是生物组织及其液体中的微小气泡核在超声波的作用下泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。高强度超声场中，正负声压交替出现，在负压时泡核生长成空化泡，而在正声压时刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。在空化泡崩溃时常伴有声、发光、冲击波、高速射流等现象发生。当超声辐照强度超过一定值时，空化效应增强。如焦斑中出现小“孔”，这些孔是由空化效应或组织间液体的“暴沸”所引起。一旦空化产生，将会使焦斑扩散且扩散点位置难以预测，在高强度聚焦超声治疗过程中需要在对超声强度和超声辐射时间的选择上平衡考虑，尽量避免空化的发生。

（3）机械效应。超声波是一种机械波，当超声波在人体组织中传播时，不论其强度大小都产生机械振动。例如频率为1 MHz的超声，声强为2 W/cm2，作用于人体时，其质点振动速度为0.16 um/s。超声波的机械作用主要是辐射压强和超声压强所致。辐射压强能引起蛋白质变性、细胞、组织变形。当组织中存在辐射压差时引起液体流动，即冲流效应。辐射压可使溶剂和悬浮体获得不同的加速度，而产生内摩擦，该效应能使生物大分子解聚。超声在液体或人体组织内传播时，沿波动方向发生周期性变化的正压和负压，使受到超声作用的质点来回振动。这些振动可能使细胞产生平动、转动，细胞溶解、细胞功能改变。

2.2 高强度聚焦超声换能器的种类及聚焦方法

超声加热治疗肿瘤的最大特点是超声波可以聚焦，它可以把声能聚焦到2 mm×2 mm×10 mm的空间里，其体积小于一般的常见肿瘤，而此时的能量极大（声强I＞1000 W/cm2）,这是任何其他加热方法所不能做到的[10]。现有的HIFU聚焦换能器按聚焦原理主要可分为：球面自聚焦、超声透镜聚焦、相控阵聚焦三种。

（1）球面自聚焦：利用球面聚焦换能器直接聚焦，球面自聚焦换能器是将压电陶瓷片研磨成球冠状，或由几十个甚至几百个平面陶片胶合而成一个球冠状，其制作工艺和功放电路的性能要求比较高，且此换能器一般采用机械扫描方式，同时体积大、电声效率偏低，焦距不可调节。

（2）超声透镜聚焦：由超声通过透镜材料形成聚焦，透镜虽然加工容易，但难以找到耐高温、阻抗匹配、衰减小等性能兼顾的透镜材料，因为高强超声聚焦时，透镜本身吸声而产生高温会使透镜变形，另外，超声透镜的聚焦效果不仅与媒质有关，还与透镜材料有关，界面反射及声透镜衰减还会造成声能量损失，电声效率低，焦距不可调节。

（3）相控阵聚焦：相控阵换能器包含许多小的阵元，小阵元本身并不聚焦，通过控制阵元激励信号的相位，使声波阵面曲率和中心位置发生变化，实现一点或多点聚焦，同时可实现焦距调节和扫描。与球面自聚焦和超声透镜聚焦相比，相控阵列换能器具有更加灵活的聚焦方式，可以根据具体的治理区域形成不同的焦点强度和分布模式，形成单焦点或多焦点；声束路径控制更加灵活，避免声束穿越骨骼等障碍使正常组织免受损伤。因此，相控阵列聚焦对高强度聚焦超声从理论上讲是最为理想的设计结构。但相控阵列同时存在由于换能器阵列中阵元数目及其结构复杂庞大的技术难点，这大大制约了高强度聚焦超声相控阵列治疗系统的发展进程。

3 HIFU在肿瘤治疗中的应用

HIFU目前在临床上最广泛的应用是肿瘤治疗。在HIFU肿瘤治疗过程中，应根据肿瘤的分期、部位、与邻近器官的关系、超声通道条件等，尽可能对肿瘤实施完全的热消融[11-14]。由于HIFU是一种物理治疗手段，不像化疗那样对细胞的种类依赖性较强，只要符合一定的物理条件，超声波能够有效到达治疗部位，原则上该部位的肿瘤均可以采用HIFU治疗，因此HIFU的适应症在不断扩大。但由于受到高强度聚焦技术本身诸多不确定因素的限制及局部解剖结构的复杂性，加上临床应用时间尚短，因此，目前HIFU主要用于肿瘤的局部姑息治疗，主要用于无法手术根治切除的实体肿瘤，是肿瘤综合治疗的方法之一[15-16]。

各种高强度聚焦超声换能器的性能评价，归根到底取决于临床应用效果。应根据不同病灶及操作要求进行具体声学设计与制作，并结合声场特性测量加以验证与改进。已有的几种高强度聚焦超声换能器仍在不断的进行改进和提高，相信随着换能器制作技术的提高和医学应用的发展，各种形式的高强度聚焦超声换能器必将HIFU技术中发挥更大作用。

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Current Research Situation of High-intensity Focused Ultrasound Transducer for Oncotherapy

LIU Gang, YIN Jun-gang
Medical Equipment Department, Weihai Maternal and Child Hospital,Weihai Shandong 264200, China

As non-invasive technique with non-toxic side effects and great potential, high-intensity focused ultrasound(HIFU) has

widespread attention from scholars both at home and abroad in recent years. High-intensity focused ultrasound transducer is the core component of HIFU treatment equipment for oncotherapy, which chould affect the therapeutical result directly. Therefore, this paper summarizes some related issues of high-intensity focused ultrasound transducer, including its development, working principle, applications and so on.

high-intensity focused ultrasound; transducer; oncotherapy

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.022

1674-1633(2012)09-0086-03

2012-05-14

2012-07-09

作者邮箱：lluu521@sina.com