改变组织声环境增效高强度聚焦超声方法研究进展

唐瑞遥综述，陈锦云审校

（重庆医科大学生物医学工程学院/省部共建国家重点实验室培育基地——重庆市超声医学工程重点实验室/重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆400016）

改变组织声环境增效高强度聚焦超声方法研究进展

唐瑞遥综述，陈锦云审校

（重庆医科大学生物医学工程学院/省部共建国家重点实验室培育基地——重庆市超声医学工程重点实验室/重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆400016）

超声疗法； 羟基磷灰石； 高强度聚焦超声； 改变声环境； 能量沉积

自1927年Wood等[1]首次报道高强度超声波的生物效应以来，经多年发展，在对实体肿瘤及非肿瘤疾病的治疗方面的安全性及有效性已得到广泛认可[2-5]。但随着高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）组织内传播的距离越长其能量呈指数衰减，导致能到达靶治疗区域的能量明显减少；同时，靶治疗区域的血供越丰富，治疗时被循环血液带走的能量也越多[6]，所以，治疗位置较深或血供丰富的病灶就需要更多的HIFU能量沉积才能达到消融的目的。虽然，可通过提高升功率、延长辐照时间等方法增加HIFU能量沉积达到消融的目的，但会增加相应的治疗风险[7]。多年来许多学者就如何提高HIFU疗效做了大量工作，而改变组织声环境（changing acoustic environment in tissue，CAET）是一个重要方向。

组织声环境是指HIFU治疗时组织特有的结构、密度、血液供应及功能状态所表现出来的影响超声传播和能量沉积的因素。CAET则可理解为用某种方法改变组织结构、密度、血液供应和功能状态，从而改变组织固有的声学性质，以达到增加超声能量沉积的目的[8]。CAET能减少HIFU治疗剂量，降低并发症发生率。现将如何通过CAET提高HIFU能量沉积研究进展综述如下。

1 向靶组织内引入具有高声阻抗、高非线性参数物质

超声波在2种不同媒质的界面上会发生反射和透射，2种媒质的声阻抗差异决定了反射和透射能量分配，所以，若2种生物组织的声阻抗差异越大，二者间越易激发高温。靶组织内引入高声阻抗物质后可增加超声波反射面，有助于将声能转变为热能，进而有利于能量在靶组织内沉积。碘化油是较早被应用于增强HIFU能量沉积的高声阻抗物质[9]。1997年程树群等[10]通过碘化油联合HIFU损伤离体猪肝实验证实了碘化油对HIFU具有协同增效作用。Li等[11]进行了碘化油联合HIFU损伤离体子宫肌瘤的研究，将碘化油或生理盐水注入离体子宫肌瘤中心发现，给予相同参数HIFU辐照后碘化油组子宫肌瘤凝固性坏死体积及HIFU辐照后4 min超声灰度增强面积均较对照组明显增大，同样证实了碘化油对HIFU能量沉积的协同作用。除碘化油外，高声阻抗物质还有纳米磁性颗粒、高吸水性树脂及羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等。李全义等[12]将不同直径大小（80～90、200～300 nm）纳米磁性颗粒分别均匀分布在蛋白凝胶体模中，用同一种HIFU剂量辐照实验组及空白对照组，结果表明，含80～90 nm磁性颗粒实验组与空白对照组比较未见增效，而含200～300 nm磁性颗粒实验组与空白对照组比较损伤面积增大3倍多，差异有统计学意义（P＜0.01）。表明随着纳米磁性颗粒粒径的增大，增效作用逐渐增强；纳米磁性颗粒粒径为200 nm时随着纳米磁性颗粒密度增加，增效作用逐渐增强；能否提高疗效取决于纳米磁性颗粒密度和大小等固有参数。基于以上理念，Zhang等[13]对高吸水性树脂在离体棘球蚴原头节杀伤的HIFU增强作用研究同样验证了引入高声阻抗物质可增加能量沉积，增强HIFU热效应。

2 改变靶组织本身声学特性

HA作为具有高声阻抗及非线性参数的物质，在短时间内引入靶组织后其协同HIFU能量沉积的原理大致与纳米磁性颗粒相同。但因其被证明有一定的细胞毒性，故其被引入靶组织一定时间后可引起细胞结构及功能产生变化，从而使HIFU对靶组织热效应明显增加。刘丽萍等[14]将纳米羟基磷灰石混悬液注入新西兰大白兔耳缘静脉，24 h后再对其肝脏进行HIFU辐照，结果显示，纳米羟基磷灰石组焦域处瞬时温度均较生理盐水组明显升高，且随着纳米羟基磷灰石用量增加，焦域处温升增加。不同纳米羟基磷灰石剂量组所形成的凝固性坏死灶体积均较相应的生理盐水组明显增大。随着纳米羟基磷灰石用量增加，组织凝固性坏死体积增大。表明HA可改变动物肝脏组织结构和生物特性，从而改变肝脏组织与声波的相互作用，增强HIFU对肝脏组织的作用效应。

无水乙醇是另一种可改变靶组织声学特性的物质，局部注射可使靶组织细胞蛋白质凝固，细胞变性、坏死、脱水固缩等，以此改变组织结构、生物状态及声学特性，从而有利于HIFU能量沉积。Chen等[15]在HIFU消融离体牛肝的研究中发现，注射无水乙醇组靶组织瞬间升温及产生空化效应所需的超声能量较对照组明显降低，与此同时，可使组织内产生更多的惰性空化核。

3 改变靶组织血液供应

随着靶组织血流供应的减少或中断，被血液流动带走而丢失的超声能量也会减少，超声能量更易在靶组织内沉积，减少了形成单位体积凝固性坏死所需要的HIFU治疗剂量。Huang等[16]应用计算机模拟技术研究血管直径及血流速度对热消融治疗的影响，结果表明，在热消融治疗中在总血液灌注量相同的前提下血管直径对靶组织温度无明显影响，但靶区域的血流灌注量越少对靶组织的温度影响也越小。陈锦云等[17]在HIFU消融子宫肌瘤的研究中发现，血液供应量与消融所需剂量呈正相关。目前，在 HIFU治疗中动脉栓塞（transcatheter arterial embolization，TAE）技术是减少靶组织血流灌注的重要方法之一。Wu等[18]在TAE联合HIFU治疗晚期肝癌的研究中发现，TAE术后再进行HIFU消融治疗可明显减少消融单位体积肿瘤所需的超声能量，并且治疗时间及辐照时间也显著缩短。

目前，在子宫肌瘤的HIFU消融治疗中缩宫素是最常用的增效剂[19]，有研究表明，缩宫素可有效减少病灶血液供应。Huang等[20]在HIFU治疗子宫肌瘤的研究中发现，缩宫素组单个靶点达到60℃所需能量、时间及升高1℃所需能量均较对照组低，从而证实，缩宫素能明显降低超声消融治疗子宫肌瘤所需能量，缩短治疗时间，从而提高疗效。Zhang等[21]将缩宫素用于子宫腺肌症HIFU治疗中亦证实其能明显降低治疗腺肌症病灶所需超声剂量，提高疗效。

4 引入空化核，增强HIFU空化效应损伤

热效应和空化效应是HIFU消融的2个主要机制[22]。微泡造影剂与靶组织之间有显著的声阻抗差，有利于HIFU能量沉积，增强HIFU热效应杀伤作用，与此同时，还可增加靶组织单位体积内空化核数量，增强空化起始效应，增强HIFU空化效应对靶组织的破坏作用。Yu等[23]对新西兰兔肾脏进行HIFU消融研究时发现，注射微泡造影剂组组织坏死率较对照组增加3倍多，从而证明微泡造影剂可提升HIFU疗效。Kaneko等[24]也通过研究发现，微泡造影剂——Levovist可使HIFU对兔肝脏组织所产生的坏死范围显著增大。但付丽媛等[25]在研究微泡造影剂对HIFU消融活体羊肝的增效效应时发现，虽然，微泡造影剂可协同增效HIFU，但使用过大剂量微泡造影剂会提高邻近组织脏器损伤的风险，其推测这可能与微泡击破产生大量自由基有关。因此，基于对安全性及可控性的考虑，目前，使用微泡造影剂增效HIFU消融并未得到广泛推广应用，仅在子宫肌瘤的HIFU消融治疗中有文献报道。虽然，微泡增效作用确切，但其明显增加了皮肤损伤等风险[26-27]。

5 HIFU二次辐照增效

目前，国内外研究最多的是将碘化油、微泡造影剂、纳米羟基磷灰石等外界物质引入靶组织内，从而达到CAET的目的。但上述物质引入操作不便及其本身的不良反应等因素限制了其应用与发展。有研究发现，低剂量超声辐照能对靶组织造成一定损伤，从而达到改变靶组织自身声环境增效HIFU消融的目的。张奕等[28]通过对HIFU二次辐照兔肝VX2移植瘤的研究证明，二次辐照能达到与一次性消融相同的疗效，预辐照组与对照组总治疗时间相当，但每次辐照时间与剂量大大减少，提高了HIFU损伤效率，降低了并发症发生率。邹海蓉等[29]通过进一步研究发现，经低剂量HIFU辐照1 d后靶组织发生了一系列病理损伤改变，如不明“空泡”增多、出现病理脂滴及包膜缺损等，其推测这些病理性损伤能改变靶组织声环境；同时，他们还发现，随着首次辐照功率的增加，增效作用越明显。但并不是首次辐照功率越大越好，而随着首次辐照功率增大，安全性会受到威胁。

综上所述，CAET是目前增加HIFU能量沉积、提高HIFU效率的重要方向，而CAET方法及措施繁多，每种方法均有明显缺点及不足，限制了其临床推广应用。碘化油及无水乙醇多用于恶性实体肿瘤的消融治疗，但其给药操作复杂且有创；HA容易沉淀，且在组织中不能均匀分布，导致其给药途径受到限制；缩宫素在子宫肌瘤及子宫腺肌病HIFU治疗中应用效果较好、安全性高，但其应用范围局限；虽然，微泡造影剂增效的效果明显，但因其稳定性及可控性差，且不可持续给药限制了其应用；低剂量HIFU二次辐照增效研究起步较晚，其具体增效机制尚不明确，相对其他方法尚需进行大量的相关研究。

[1]Wood RW，Loomis AL.The physical and biological effects of high-frequency sound waves of great intensity[J].J Franklin Inst，1928，205（1）：151-153.

[2]Geiger D，Napoli A，Conchiglia A，et al.MR-guided focused ultrasound（MRgFUS）ablation for the treatment of nonspinal osteoid osteoma：a prospective multicenter evaluation[J].J Bone Joint Surg Am，2014，96（9）：743-751.

[3]Xiao J，Zhang S，Wang F，et al.Cesarean scar pregnancy：noninvasive and effective treatment with high-intensity focused ultrasound[J].Am J Obstet Gynecol，2014，211（4）：356.

[4]Froeling V，Meckelburg K，Schreiter NF，et al.Outcome of uterine artery embolization versus MR-guided high-intensity focused ultrasound treatment for uterine fibroids：long-term results[J].Eur J Radiol，2013，82（12）：2265-2269.

[5]Baumunk D，Andersen C，Heile U，et al.High-intensity focussed ultrasound in low-risk prostate cancer-oncological outcome and postinterventional quality of life of an inexperienced therapy centre in comparison with an experienced therapy centre[J].Aktuelle Urol，2013，44（4）：285-292.

[6]Zhou P，He W，Wang LH，et al.The influence of blood supply on high intensity focused ultrasound a preliminary study on rabbit hepatic VX2 tumors of different ages[J].Acad Radiol，2012，19（1）：40-47.

[7]黎建军，徐国良，罗广裕，等.原发性肝癌经高强度聚焦超声治疗后并发症分析[J].中华超声影像学杂志，2006，15（9）：668.

[8]郎景和，石一复，王智彪.子宫肌瘤[M].北京：人民卫生出版社，2014：231.

[9]梁志刚，陈小辉，肖雁冰，等.碘化油在离体子宫肌瘤声学显影特性的实验研究[J].临床超声医学杂志，2012，14（3）：149-151.

[10]程树群，周信达，汤钊猷，等.碘化油与高功率聚焦超声破坏肝组织的协同升温效应研究[J].中国超声医学杂声，1997，13（4）：1-4.

[11]Li Q，Xiao YB，Liang ZG，et al.Ablation of leiomyomas using a combination of HIFU and iodized oil in vitro[J].Ultrasound Med Biol，2012，38（9）：1576-1581.

[12]李全义，李发琪，秦艳.纳米磁性颗粒增强HIFU治疗效率的研究[J].重庆医科大学学报，2009，34（1）：63-65.

[13]Zhang J，Ye B，Kong J，et al.In vitro protoscolicidal effects of high intensity focused ultrasound enhanced by a superabsorbent polymer[J].Parasitol Res，2013，112（1）：385-391.

[14]刘丽萍，肖子文，肖雁冰，等．纳米羟基磷灰石联合聚焦超声对家兔肝脏作用焦域效应的研究[J].第三军医大学学报，2006，28（18）：1843-1845．

[15]Chen C，Liu Y，Maruvada S，et al.Effect of ethanol injection on cavitation and heating of tissues exposed to high-intensity focused ultrasound[J]. Phys Med Biol，2012，57（4）：937-961.

[16]Huang HW，Shih TC，Liauh CT.Predicting effects of blood flow rate and size of vessels in a vasculature on hyperthermia treatments using computer simulation[J].Biomed Eng Online，2010，9：18.

[17]陈锦云，陈文直，朱丽，等.子宫肌瘤的血液供应特征对超声消融治疗剂量的影响[J].中华妇产科杂志，2011，46（6）：403-406.

[18]Wu F，Wang ZB，Chen WZ，et al.Advanced hepatocellular carcinoma：treatment with high intensity focused ultrasound ablation combined with transcatheter arterial embolization[J].Radiology，2005，235（2）：659-667.

[19]熊燃，邹建中.缩宫素在高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤中的应用现状[J].临床超声医学杂志，2014，16（9）：619-621.

[20]Huang X，He M，Liu YJ，et al.Effect of oxytocin on uterine fibroids treated by ultrasound ablation[J].Zhonghua Fu Chan Ke Za Zhi，2011，46（6）：412-415.

[21]Zhang X，Zou M，Zhang C，et al.Effects of oxytocin on high intensity focused ultrasound（HIFU）ablation of adenomysis：a prospective study[J]. Eur J Radiol，2014，83（9）：1607-1611.

[22]冯桂英，柳建华.超声空化消融治疗术的研究进展[J].中华生物医学工程杂志，2014，20（2）：176-178.

[23]Yu T，Wang G，Hu K，et al.A microbubble agent improves the therapeutic efficiency of high intensity focused ultrasound：a rabbit kidney study[J]. Urol Res，2004，32（1）：14-19.

[24]Kaneko Y，Maruyama T，Takegami K，et al.Use of a microbubble agent to increase the effects of high intensity focused ultrasound on liver tissue[J]. Eur Radiol，2005，15（7）：1415-1420.

[25]付丽媛，李发琪，陈首名，等.不同剂量微泡造影剂在高强度聚焦超声消融活体羊肝组织中的增效效应[J]．中华超声影像学杂志，2009，18（4）：343-345.

[26]Peng S，Xiong Y，Li K，et al.Clinical utility of a microbubble-enhancing contrast（"SonoVue"）in treatment of uterine fibroids with high intensity focused ultrasound：a retrospective study[J].Eur J Radiol，2012，81（12）：3832-3838.

[27]蒋红，罗爽，何敏，等.HIFU联合超声微泡增效剂SonoVue治疗盆腔手术史子宫肌瘤患者研究[J].昆明医科大学学报，2013，34（9）：58-62.

[28]张奕，陈菲，邹建中，等.高强度聚焦超声二次辐照兔肝VX2移植瘤的实验研究[J].中国超声医学杂志，2010，26（5）：400-403.

[29]邹海蓉，邹建中，欧霞，等.首次低剂量超声辐照对HIFU消融兔肝VX2瘤的影响[J].第三军医大学学报，2011，33（2）：116-118.

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.11.013

：A

：1009-5519（2015）11-1635-03

2015-03-16）

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2011CB707900）。

唐瑞遥（1987-），男，湖南宁远人，硕士研究生，主要从事高强度聚焦超声治疗良性肿瘤疾病方面的研究；E-mail：tangruiyao@hotmail.com。

陈锦云（E-mail：chenjinyun2006@126.com）。