高强度聚焦超声的原理和设备及临床应用

贺洋洋

甘肃医学院 (甘肃平凉 744000)

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)是利用发射脉冲超声在其聚焦处形成很高的声强，使焦区肿瘤组织的温度在几秒内达到60 ℃以上，形成损伤区，通过步进电机带动聚焦换能器在肿瘤区域全覆盖扫描面积，灼烧细胞治疗肿瘤，然后依靠自身修复吸收，使病灶消失[1]。HIFU设备主要由换能器、功率控制单元和计算机控制系统等组成，治疗的关键是能够快速提升温度，杀死肿瘤细胞，且不影响周围正常细胞和血管系统[2]，原理如图1。HIFU治疗前先利用计算机制定治疗计划，进行数值模拟计算，研究单个组织特性参数变化对HIFU加热和所有动态组织特性参数的影响，因此，在肿瘤的治疗中，超声密集消融技术比较安全。

图1 HIFU利用微泡灼烧血管肿瘤细胞原理

1 HIFU的原理

2009年，牛凤岐等[3]的研究指出，按照Haar及其他权威人士的论述，当焦点阈温度超过56 ℃阈值，且维持1 s或更长时，即会导致组织瞬间凝固坏死，原理如图2，此为国外同行理解的HIFU。在国内，对HIFU原理的理解有两种观点：(1)靶区温度应达到65～100 ℃，采用较高的声强和较长的辐照时间，使肿瘤一次性消融；(2)对于难以一次性消融的肿瘤，采用相对较低的声强，控制温度在相对较低的50～70 ℃，在无须麻醉的条件下重复治疗一次或多次。

图2 HIFU的原理

2 HIFU的设备

临床应用的HIFU设备分为外置式和介入式两类，主要由大功率发生器、治疗头、B超仪器、行程定位机构、操作控制等组成[4]。治疗头的超声聚焦换能器有3种方式，具体如下。(1)球面自聚焦：换能器的形状为凹球面(图3a)，声波通过凹球面直接汇聚在焦点上，形成聚焦。(2)声透镜聚焦：同凹面镜可以聚焦光线的原理，当超声波穿透声凹面镜后，将原本不聚焦的声波汇聚在我们想要的目标位置，形状如图3b。(3)相控阵聚焦：多个压电振子按照一定的规律分布排列，控制单元按照规定时间同时记录每个振子，所有振子发出的声波形成一个整体波面，形状如图3c。

a

b

c

3 HIFU的临床应用

3.1 在肝脏肿瘤中的应用

肝癌是全球常见恶性肿瘤之一，治疗以手术为主，但患者5年生存率仅有25%～30%。吴阳等[5]对接受HIFU治疗的118例肝脏肿瘤患者的近期疗效进行观察，结果发现，HIFU对原发性和转移性肝内恶性肿瘤的治疗效果均较好。李荔霞等[6]采用HIFU对18例肝脏转移瘤患者进行治疗，并通过超声造影检查病变血流信号判断消融效果，结果发现，治疗前所有病灶呈不同程度的增强，治疗后15个病灶动脉期无增强区域。

3.2 在乳腺肿瘤中的应用

乳腺癌是发生在乳腺上皮组织的恶性肿瘤。据2018年国家发布的统计报告称，我国每年新增27.9万乳腺癌病例，死亡6.6万例。卫刚和戚晓东[7]选取经穿刺病理确诊为乳腺癌的26例患者，分为HIFU组(13例)和手术组(13例)，结果发现，HIFU组治疗后肿瘤回声增强，局部皮肤无灼烧、坏死表现；手术组治疗后经电镜、还原型辅酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)-黄递酶活性检测11例靶区细胞死亡，2例未见改变。

3.3 在前列腺肿瘤中的应用

前列腺癌是指发生在前列腺的上皮性恶性肿瘤，常见于老年男性。目前，临床上将HIFU应用于前列腺癌的治疗主要分为单独HIFU治疗和联合治疗，单独HIFU主要适用于治疗年龄>70岁、Gleason评分≤7分、早期局限性前列腺癌患者；联合治疗包括HIFU联合放射治疗、HIFU联合内分泌治疗、HIFU联合经尿道前列腺电切术治疗，其中联合放射治疗主要适用于较晚期的前列腺癌患者，但容易对直肠造成放射性损伤，联合内分泌治疗主要适用于局部进展和转移性前列腺癌患者，联合经尿道前列腺电切术治疗主要适用于体积较大(>50 cm3)的前列腺癌患者。

3.4 在肾脏肿瘤中的应用

临床对肾脏肿瘤的HIFU治疗仍处于研究的早期阶段。朱辉等[8]分析了HIFU治疗12例晚期肾细胞癌和1例大肠癌肾转移患者的效果，结果发现，8例有血尿症状的患者经治疗7例血尿消失，10例有肾区疼痛症状的患者经治疗9例肾区疼痛消失，随访14.1个月后，13例患者中7例死亡。据相关研究报道，HIFU治疗肾下极肿瘤的效果甚好，但对于肾上极肿瘤，受肋骨能量吸收的影响，治疗效果欠佳[9]。

3.5 在子宫肿瘤中的应用

子宫肌瘤是育龄期女性常见的良性肿瘤，主要是由子宫平滑肌细胞增生形成，育龄期女性的发病率为20%～40%，一旦患病，将严重影响患者的身心健康。潘文秋等[10]收集了2016年5月至2019年1月经HIFU治疗的110例子宫肌瘤患者的临床资料，观察HIFU治疗的效果，结果发现，消融率越高、直径越大的子宫肌瘤治疗效果越好。郭静等[11]比较了磁共振引导的HIFU与促性腺激素释放激素激动剂(gonadotropin-releasing hormone agonist，GnRH-a)联合左炔诺孕酮宫内缓释系统(levonorgestrel-releasing intrauterine system，LNG-IUS)治疗子宫腺肌病患者的临床疗效，结果发现，磁共振引导的HIFU作为一种新型治疗手段，其解剖定位精准，且可实时监控温度，与传统治疗方法比较，具有安全有效等优点。

4 HIFU的应用前景

HIFU为肿瘤治疗提供了一种微创方法，可以最大限度地减少患者的不适感，缩短住院时间，整体而言，其是安全有效的。但是，HIFU仍处于临床研究的初级阶段，临床有必要对其治疗领域、治疗设备、技术推广及长期应用效果作进一步研究，尤其是在肿瘤学和大脑领域。随着研究的逐步深入及高强度聚焦技术的改进，其应用范围会逐步扩大，对靶细胞的定位会更加精确。