HlFU治疗系统焦域温度的检测方法

【作 者】丁佳萍，张鞠成，王志康浙江大学医学院附属第二医院临床医学工程部，杭州市，310009

HlFU治疗系统焦域温度的检测方法

【作 者】丁佳萍，张鞠成，王志康
浙江大学医学院附属第二医院临床医学工程部，杭州市，310009

高强度聚焦超声（HIFU）是近年来迅速发展的肿瘤治疗技术，随着技术的不断成熟，临床应用也越来越广泛，其治疗原理是将高强度的超声能量聚焦在靶区肿瘤组织，焦点区域在极短的时间内产生高温，从而使肿瘤组织发生凝固性坏死,达到治疗目的。HIFU 作为一种热消融疗法，需要有良好的温度测量技术来保证治疗的安全和疗效。该文针对目前国内外已有的焦域温度检测方法做简单阐述。

高强度聚焦超声（HIFU）；肿瘤；焦域；温度检测

0 引言

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)是近年来迅速发展的一种非介入性肿瘤治疗技术，由于其无创或微创的特点，广泛应用于临床治疗。

HIFU系统的治疗原理主要是利用聚焦于生物组织中的高强度超声产生的热效应使靶区组织的温度瞬间上升至60～100oC，从而导致蛋白变性及组织细胞不可逆凝固性坏死，靶区以外组织无显著损伤，凝固坏死组织可逐渐被吸收或瘢痕化。通常把这个过程中超声定点照射时生物组织内形成的能量聚焦点称为焦域。

HIFU治疗系统的核心技术是能够在考虑到人体结构不均匀性的前提下对拟治疗的体内病灶实现精准定位，对HIFU系统的声输出实现精准的控制，对从正常体温到靶区组织变性临界温度的全过程进行全程实时监视和引导，对靶区组织发生凝固性坏死与否进行在线检测判断。靶区温度是判断凝固性坏死是否发生的一个重要参数，因而靶区温度的测量是HIFU治疗过程监测的关键。在治疗过程中，输入功率、照射时间和照射剂量等因素直接影响着治疗焦域的温度情况，温控问题解决不当很有可能导致靶区肿瘤组织残留、皮肤烫伤等临床问题的发生[1]，行之有效的温度检测方法对保证临床治疗的准确性、安全性和有效性十分重要。

目前国内外用于HIFU系统焦域测温的方法根据是否侵入人体可以简单分为两大类：有创测温及无创测温。有创测温大多通过在人体内置热电偶等侵入性方式测量焦域温度；而无创测温又可简单分为基于影像手段实现的测温方法（主要是超声和磁共振测温）、理论模拟仿真测温法、热敏相机测量法等。

1 热电偶有创测温

根据是否直接由热电偶所测温度得出焦域温度，又可将有创测温分为热电偶直接测温、利用热电偶反向热传导优化算法间接测温两种方法。

1.1 热电偶直接测温

利用热电偶直接测温是将热电偶探针直接插到待测部位的组织中，进行单点或多点的测量，其原理是根据“温差电现象”将热电偶温差转化成温差电流,再根据测得的温差电流大小及事先校准好的曲线与数据，就可以测出待测部位的温度。该方法的优点是经济节约、简单易行，缺点是超声束直接照射在热电偶上导致热电偶发热，因而实测温度高于组织仅吸收超声能量的温度，这一热效应可以通过求解Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov（KZK）方程得到。另外，超声束聚焦在热电偶上较易引入人为误差，会低估实测温度。而且测量结果容易受热电偶本身材质的影响，对所测温度存在一定的干扰。相比之下，新型薄膜热电偶不存在发热的问题，Morris等[2]将其与传统细线热电偶进行对比，利用二阶差分法得到了用传统细线热电偶测量温升中的误差。利用热电偶测温的另一个缺点是热电偶仅能测量特定点处的温度，而不能测量整个焦域的温度。

1.2 利用热电偶及反向热传导优化算法间接测温

与直接通过热电偶测温相比，利用反向热传导测量温度的方法无其他干扰，在定位HIFU超声束方向及预测靶区温度上升方面非常有效。它的原理是用热电偶记录组织温度变化数据，利用反向热传导优化算法确定超声束的精确位置，通过求解热传导方程获得组织温度变化，从而实现HIFU治疗系统的温度测量[3-4]。

该方法的主要优点有：

(1) 避免将超声束直接照射到热电偶上，减轻了热电偶发热对组织温度测量的影响，反向热传导算法的输入温度值由远离超声束的热电偶测得，从而提高了温度测量的精度；

(2) 利用热电偶阵列测量值得到超声束的位置，避免了人为误差，预测周围组织温度的算法精度高；

(3) 以超声束空间位置为已知信息的迭代优化算法可以进一步用于超声功率的测量。

由于有创测量法通常是用热电偶温度计插入肿瘤区，用其输出电位去调节声功率的发射，达到控温的目的，测温电偶插入复杂的肿瘤区技术麻烦，病人甚至医生会担心引起癌转移。因此相对来说无创测温显得更为安全、方便、有效。

2 基于影像手段实现的测温方法

2.1 USgHIFU

目前，HIFU治疗系统的定位及实施评估系统主要借助于医疗成像手段，如超声成像、CT成像、MRI成像和PET成像等。考虑到肿瘤治疗过程中成像的基本要求和成本控制，国内商品化的HIFU治疗系统大多采用B超作为焦点定位和治疗效果实时评估和控制的手段[5]。利用计算机处理治疗后的靶区超声图像，自身对照灰阶值大于10 dB时表示治疗有效，但是人体组织的声学特性还受到高强度聚焦超声激发的微气泡和很多其他因素的影响，因此仅凭灰度改变无法判断焦域的实际温度和凝固性坏死发生的程度。此外，超声引导HIFU（USgHIFU）的治疗实时监测效果在很大程度上受到超声成像换能器接收HIFU散射信号的影响，且HIFU散射信号的幅度一般远大于超声成像换能器接收到的脉冲回波信号幅度，因而使得组织超声成像模糊[6]，对疗效评价存在误差。而且为了避免高强度超声对B超成像的影响，一般都采用间隔工作体制，即B超的工作时间与高强度聚焦超声换能器的工作时间分开，致使治疗过程中病人定位时间较长，疗效也会受到一定影响。

2.2 MRIgHIFU

随着MRI设备的逐渐普及和MRI快速成像技术的发展，近几年磁共振（Magnetic resonance imaging, MRI）引导定位的HIFU（MRIgHIFU）成为新的研究热点，越来越受到广泛关注。由于反应热生物学效应的基本物理量是温度和时间，磁共振成像测温是一种无创无电离辐射的测温方法，利用人体组织内与温度相关的一些参数，MRI 能提供 HIFU 治疗时的组织温度图，而随着MRI快速成像序列及无创测温技术的发展,加上它在软组织成像方面无法取代的优势，使得MRI在HIFU治疗中成为一种极具竞争力的监控手段[7]。其中, 基于水质子共振频率( PRF)化学位移的MRI测温法有很好的时间和空间分辨率，与温度之间呈较稳定的线性关系，不因组织类型的不同而改变，即使瘤体受热发生凝固性坏死对温度测量的影响也不大，是目前运用较为广泛的测温方法[8]。

1995年，Bohris等[9]将基于MRI测量得到的肌肉组织中的温度数据与光纤测量得到的数据进行对比，数据表明基于磁共振的温度测量精度小于1oC。Dasgupta 等[10]用3 T MRI系统与HIFU治疗系统结合，基于质子共振频率偏移测温法（Proton Resonance Frequency Shift, PRFS）实现组织测温，并可以通过磁共振成像对治疗进行实时监控。在进行HIFU治疗之前需利用热电偶对磁共振系统测温进行校准，受射频放大器等元件的影响，该方法计算得到的温度与实际测得的温度之间的误差约为10%。Viallon等[11]应用3 T西门子磁共振扫描仪，基于PRFS法进行组织测温，提出用多层胶状保护材料可以消除组织和空气界面的反射峰，使得HIFU的治疗更为安全。基于PRFS的MRI测温法有很好的时间和空间分辨率，与温度之间呈较稳定的线性关系，但是该方法对脂肪组织的温度变化不敏感，测量准确性受到较大的影响。

董洁等[12]利用磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统热消融南疆黄羊大腿正常肌组织，发现可以形成肉眼可见的组织损伤。由于MRI 可以实现无创实时监控HIFU 辐照全过程的动态温度变化，辐照结束即刻可以较准确地反映实际组织损伤的情况。从而得出MRI T－Map 能敏感的显示和评价 HIFU 辐照所致生物组织发生的凝固性坏死，将其用于 HIFU 热消融活体动物过程中的实时监控和疗效评价是可行的这个结论。

刘莉莉等[7]通过等效热剂量积分法研究了HIFU损伤组织的热剂量与实际凝固性坏死的关系，发现基于磁共振T-Map的等效热剂量积分法得到的凝固性坏死的面积值能很好的反应实际发生凝固性坏死的情况。王韶林[1]通过加入液晶感温膜的仿组织体模和离体牛肝、牛肌肉、猪肌肉组织实验，研究在不同输入功率、不同辐照时间和不同辐照深度等治疗剂量条件下可治疗焦域的温度分布、大小、形状、位置及其变化规律。

在实时测温的基础上，MRI系统计算得到HIFU照射在组织中沉积的热量，并与造成组织损伤的阈值进行比较，可以判断坏死组织的范围，从而实现靶区治疗的实时监测[4,13]。

3 其他的无创测温法

目前主要有理论模拟仿真测温法、超声背向散射温度成像、热敏相机测量法等。

3.1 理论模拟仿真测温法

由于超声在生物组织中传播时，在组织被加热发生膨胀的情况下，它的传播速度及衰减速度都会发生变化，因此可以通过测量这些参数值来监测整个加热过程和温度在组织中的分布，达到测量和控制温度的目的。Samanipour等[14]利用非线性全波分析计算压力场，通过求解Pennes生物传热方程得到焦域内的温度分布，通过仿真分析了不同超声频率和功率对焦域温度场分布的影响，研究发现超声频率在1～1.5 MHz范围内焦域的功率吸收最高。

李发琪等[13]通过有限差分 O'Neill 方程和 Pennes生物热传导方程进行线性仿真研究，Lee 和 Choi[15]基于线性声学理论对 HIFU 温度场进行仿真，计算等效热剂量；常诗卉等[16]采用Westervelt方程的近似式结合 Pennes 生物热传导方程，以猪肝肿瘤为例，基于实测离体猪肝组织声速和衰减系数随温度变化的数据，在考虑肝组织声学特性对 HIFU 温度场影响的条件下，通过时域有限差分法对 HIFU 治疗过程中肝组织声学特性对一定深度的肿瘤组织内可治疗焦域的影响，以及可治疗焦域随辐照声强、辐照时间的变化，进行了数值仿真研究。

3.2 超声背向散射温度成像

Civale等[17]在低功率HIFU照射情况下研究了回波应变与组织温升之间的关系，用Zonare超声扫描仪进行超声背向散射温度成像（Backscatter temperature imaging, BTI），初步探索了将超声背向散射温度成像用于制定HIFU治疗计划的可能性。研究发现回波应变与组织温升之间的关系是非线性的，且受组织的影响较大。目前来看，BTI由于对温升的估计误差较大还不能用于HIFU定量治疗计划，需要在较大温升的情况下继续研究回波应变与组织温升之间的关系。Jensen等[18]提出通过重建惯性空化气泡的辐射对HIFU治疗进行实时监测，该方法称为被动声学标测（Passive acoustic mapping），并在此基础上通过将组织的吸收峰值和空化气泡的辐射作为输入求解生物传热方程，得到了焦域温度场分布以及组织消融情况估计。

3.3 热敏相机测温

Hsiao等[19]将高分辨率热敏相机置于模拟组织上方，可以实时监测受HIFU照射组织的温度改变，相机可以检测的最小温差为0.018oC。根据监测的温度改变可以分辨HIFU治疗过程中的组织损伤、空泡形成和组织脱水过程。

4 结束语

作为一种日趋成熟的肿瘤治疗技术，近几年来高强度聚焦超声系统在临床上取得了令人欣慰的治疗效果。焦域温度的控制是保证疗效的关键，但因为影响焦域温度的因素极其复杂，还未有成熟可靠的技术可以准确测量出焦域温度，本文只是简单探讨了几种目前较为常见的焦域温度检测方法。这些测温方法各有利弊，总体来说无创测温有着更好的应用前景，其中基于超声和MRI的测温技术已经相对比较成熟，理论模拟测温法是一个重要研究方向，但由于仿真计算量大、仿真方法复杂等原因，距直接应用于仿真人体软组织内声波的非线性传播过程尚有一定距离，现在尚处于实验阶段。相信随着研究的进一步深入，无创测温技术必将会广泛应用于HIFU的临床治疗中，也将促进HIFU治疗技术的飞速发展。

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Detections of the Focal Regions Temperature for High lntensity Focused Ultrasound

【Writers】DING Jiaping, ZHANG Jucheng, WANG Zhikang
Department of Clinical Engineering, The Second Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou, 310009

As a tumor thermal ablation technology in cancer therapy, HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) has been developed rapidly in recent years. With the technology becoming more and more mature, it’s clinical application is becoming more and more widely. In HIFU therapy, the high-intensity ultrasound energy is focused in the target tumor tissue, generating heat within very short time, causing coagulation necrosis, so that the effect of the treatment is achieved. To ensure safe and therapeutic efficacy, HIFU therapy needs to be properly monitored by medical imaging, and temperature in the target has to be precisely measured, this article is based on the current domestic and foreign detection methods of the focal region temperature.

High Intensity Focused Ultrasound (HIFU), tumor, focal region, temperature measurement

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.011

1671-7104(2015)02-0118-04

2014-11-04

丁佳萍，E-mail: 1987djp1225@163.com