高强度超声聚焦焦域大小的剂量学研究

黄汉年 江剑晖 王 蕊 赵玲伶 牛 牧

◇医学基础与药学研究◇

高强度超声聚焦焦域大小的剂量学研究

黄汉年 江剑晖 王 蕊 赵玲伶 牛 牧

目的：体外体模辐照实验研究高强度聚焦超声(HIFU)不同辐照剂量下焦域形成规律，为临床提供参考。方法：运用PRO2008型聚焦超声子宫肌瘤治疗系统，超声换能器频率为1.3MHz、焦距130mm,设置声强5×103W/cm2、辐照深度19mm，采用脉冲波辐照仿组织体模，通过改变辐照功率及时间，测量焦域的长短轴，同时，在辐照功率恒定时，改变单点打击时间和次数，测量焦域长短轴。结果：随辐照功率和时间的增加，HIFU形成的焦域长轴和短轴长度均增加，但其比值减小，当辐照功率恒定时，HIFU生物学焦域的长轴和短轴长度均随单点打击时间和打击次数增加而增加。结论：辐照剂量影响HIFU焦域形态，HIFU辐照体模所形成的焦域大小呈剂量依赖型。

高强度超声聚焦 生物学焦域 剂量

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)是近年发展起来无创治疗新技术。该技术通过将体外低强度的超声波聚焦，在生物组织内汇聚形成高强度区域，通过热效应、空化效应和机械效应杀死肿瘤细胞。生物学焦域（biological focused region，BFR)是HIFU毁损式消融肿瘤的基本单元，指HIFU单次辐照声焦域与生物组织相互作用所产生的可控的不可逆的凝固性坏死区域，将声学与生物学组织联系起来，使HIFU技术的治疗剂量有了依据[1]。BFR是衡量整个治疗的关键，其检测和控制研究显得尤为重要。目前国外关于HIFU治疗剂量学报道较少，国内应用HIFU辐照离体组织和仿组织体模对HIFU的剂量学研究较多也较早[2～4]，但所使用系统均为JC型超声聚焦肿瘤治疗系统，仅研究辐照功率及辐照时间对BFR的影响，并未研究辐照时脉冲时间及定点打击次数对BFR的影响，本研究拟使用PRO2008型超声聚焦子宫肌瘤治疗系统，通过HIFU辐照仿组织体模，研究在不同治疗剂量-辐照功率、辐照时间、单点打击时间及单点打击次数下，BFR的形成规律，为临床提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料 本研究所研制的记忆型仿组织体模，以异丙基丙烯酰胺为单体，牛血清白蛋白作为温度指示剂，过硫酸铵作为引发剂，N,N,N',N'-四甲基乙二胺作为交联剂，偏重亚硫酸钠为加速剂，并加入柠檬酸调节pH，脱气去离子水作为溶剂（以上试剂均购自上海源叶生物）。

1.2 实验设备 深圳普罗惠仁医学科技有限公司研制的PRO2008型超声聚焦子宫肌瘤治疗系统。该系统包括:循环脱气水装置、高频功率发生器、组合治疗头、治疗床、计算机控制系统和B 超监控系统。其中组合治疗头直径13cm，焦距130mm，工作频率1.3MHz，中心为一诊断扇扫超声探头，确定超声焦点的位置。通过自聚焦的方式，形成聚焦超声波。

1.3 实验方法 使用治疗系统循环脱气设备制备脱气水，注入有机玻璃材质的水槽，置于聚焦超声子宫肌瘤治疗系统的治疗床体上，将记忆型体模放入水槽内直接与脱气水接触，并在体模下方放置吸声橡胶。在诊断B超的引导下，将HIFU焦点定位在记忆型体模内19mm的深度。使用不同发射功率210～300W，辐照时间2～7s，单点打击时间0.1～0.35s，打击次数为10～60次分别进行定点辐照，每个剂量下重复打击3次，辐照后，体模内出现白色变化区域（焦斑），使用游标卡尺测量并记录体模中焦斑的长轴及短轴长度。

1.4 统计学方法 所有数据采用SPSS 19.0统计软件进行分析，结果均采用均数±标准差表示，多组间比较采用多因素方差分析，P＜0．05为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 不同辐照功率及辐照时间对焦域长短轴的影响 实验结果发现，随着辐照功率和辐照时间的增加，焦斑长轴和短轴均变长（图1），差异具有统计学意义（P＜0.05）。进一步对长轴和短轴长度变化趋势进行分析，结果显示，随着辐照功率和辐照时间的增加，长轴长度/短轴长度的比值显著下降，并且辐照时间和辐照功率对其均有影响（图2），差异具有统计学意义（P＜0.05），表明焦斑短轴长度的增长幅度大于长轴长度的增长幅度，但焦域形状随着辐照时间的延长仍然向声源方向发展。

注：图1：不同功率及辐照时间下焦斑长、短轴长度变化；图2：焦斑长轴长度/短轴长度随辐照功率和辐照时间的变化；图3:单点打击时间及打击次数对焦域长、短轴长度的影响（A1、A2、B1、B2，分别为辐照功率240W、300W时，焦斑长轴及短轴长度变化）。

2.2 不同打击次数和单点打击时间对焦斑长短轴的影响 当功率恒定时，通过改变决定辐照时间的两个因素：单点打击时间和打击次数研究焦域长、短轴变化规律，设定功率为240W和300W，采用不同的单点打击时间（0.1s、0.15s、0.20s和0.3s）和单点打击次数（10次、20次、30次、40次、50次和60次）进行辐照。结果显示，在功率一定时，焦域的长、短轴均随随单点打击时间和打击次数的增加而增大，而且在两个功率条件下均表现同样的变化趋势，这与上述得到的焦斑长短轴长度随辐照时间增加的趋势是一致的。并且在不同的剂量组合下，焦斑的大小是不同的，表明焦域的大小是剂量依赖型。

3 讨 论

HIFU治疗肿瘤技术是利用超声波良好的方向性、组织内穿透性、聚焦性等达到无创治疗目的。HIFU技术治疗肿瘤的关键是首先要在组织内形成单个凝固性坏死,即“生物学焦域”，再靠体外治疗头（即超声聚焦换能器）的适形扫描带动体内BFR的移动, 达到完整切除肿瘤块[5]，因此BFR决定了HIFU的聚焦性能，这直接关系到HIFU治疗肿瘤的有效性、安全性和可靠性。BFR的形态和大小主要取决于两个方面: 一是生物组织本身的生物学特性, 二是 H I FU 的治疗剂量, 即输出声功率和辐照时间。因此研究HIFU的治疗剂量对BRF形态和大小的影响具有重要意义。

本研究结果表明，当声强一定时，随着辐照功率和辐照时间的增加，HIFU生物学焦域的长短轴均增长，但是长轴比短轴的比值减小，最大为10.8∶1，最小为5.0∶1，表明焦域形态向椭球形发展。当辐照功率一定时，随着影响辐照时间的两个因素—单点打击时间和单点打击次数的增加，焦域长短轴也呈现增长的趋势，这与白晋[2，6]等的报道（当声强一定，随着辐照时间和辐照功率增加，焦域长短轴及其比值变化规律）一致。可能是由于随着辐照功率和辐照时间的增加，靶组织吸收的声能越多，能量聚集更明显的原故。本研究证实，不同的剂量，其形成的焦域大小是不同的，证明BFR的大小和形状是剂量依赖型。本研究首次使用深圳普罗惠仁PRO2008超声聚焦子宫肌瘤治疗系统在自主研发的记忆型体模上研究HIFU辐照形成的焦域剂量学效应，并首次对脉冲超声的单点打击时间和单点打击次数进行研究，总结出了生物学焦域大小变化规律，提供了HIFU体外生物学焦域的剂量学关系，为临床应用提供了理论基础。

[1] Tempany,C.M.Focused ultrasound surgery in oncology:overview and principles. Radiology, 2011，259(1):39～56.

[2] 王韶林.高强度聚焦超声焦域的实验研究[D].天津医科大学,2012.

[3] 冯若,张樯,李发琪,等.高强聚焦超声治疗肿瘤的剂量学研究[J].南京大学学报：自然科学,2011,47(2): 561～564.

[4] 李捷.高强度聚焦超声(HIFU)治疗肝癌的剂量学研究及联合氩氦刀治疗的临床研究[D].郑州大学, 2014.

[5] Wang Z,Bai J,Li F,et al.Study of a“biological focal region”of high-intensity focused ultrasound. [J]. Ultrasound in Medicine & Biology,2003,29(5): 749～754.

[6] 白晋,李发琪,杜永洪,等.高强度聚焦超声形成生物学焦域的剂量学研究[J].第三军医大学学报,2004, 26(15):1378～1380.

Study on the dosimetry of high intensity focused ultrasoundon to produce the biological focal region

PRO biomedical institute of ultrasound technology,Shenzhen 518000，Guangdong
HUANG Han-nian,JIANG Jian-hui,WANG Rui,et al

Objective:To explore the dosimetry effect on the size of biological focal region (BFR) of high intensity focused ultrasound (HIFU) and provide clue to clinical use.Methods:PRO2008 Focused Ultrasound uterine fibroids Therapeutic System ( transducer:1.6 MHz,focal length:130 mm) was used in this study. Pulsed focused ultrasound was used to irradiate freshly made transparent tissue-mimicking phantom at a fixed ultrasound intensity of 5000W/cm2 and a fixed depth of 19mm.By changing the output power and irradiation time, different dosage were used to irradiate the phantom. After the exposure, the long and short axes of the biological focused region(BFR) was measured.Results:With the increase of acoustic intensity and exposure time , the length and width of BFR increased, but the ratio of length/width of BRF decreased. When the intensity was constant , the length and width of the BFR increased with the increase of impulse time.Conclusion:The exposure dose has influence on the size of a BFR of HIFU and the size of BFR dependent on the dose of HIFU irradiation which has provided evidence for the study of dosimetry of HIFU.

High intensity focused ultrasound;Biological focused region;Dosimetry

R73-3

A

1671-8054（2016）06-0112-03

/（编审：吕维富）

深圳普罗超声生物医学研究所 广东深圳 518000

深圳市战略新兴产业发展专项资金

（编号：CYZZ20150911140929392）

2016-09-21收稿，2016-11-05修回