微聚焦超声作用猪肌肉组织的形态分析

张 栋，曾同祥

（长江大学附属荆州医院，湖北 荆州，434023）

随着年龄的增加，人体皮肤从以细纹占主导地位的早期衰老的表现，到皮肤表面色素不均一、脂肪萎缩、皮肤不平整、以及弹性降低和松弛增加[1]。面部提升术是面部年轻化的重要方式，但由于手术创伤大、恢复期长、遗留瘢痕等副作用目前应用越来越少，因此求美者更倾向于要求采用无创、安全、快速的方法进行面部年轻化[2]。

微聚焦超声（Microfocused Ultrasound,MFUS）作为一种较新的面部年轻化设备，可以在不破坏皮肤完整性的基础上，通过在目标组织中产生振动来引起分子摩擦，将部分机械能转化为热能，从而使组织在预定深度的温度达到50℃及以上，导致胶原变性和新生胶原蛋白生成，而周围组织不受影响[3]。微聚焦超声目前已成为一种安全有效的治疗皮肤松弛和紧致皮肤的重要面部年轻化方式[4]。同时微聚焦超声使用不当会产生副作用，如红斑、水肿、风团样反应等[5]。如何正确使用微聚焦超声设备进行面部年轻化治疗，同时避免出现不良反应，这是医生面临的共同难题，为此研究人员进行了一系列关于微聚焦超声的基础研究。由于猪肌肉组织在宏观和微观上比较均匀，对超声波形态影响较小，且猪肉颜色淡红或深红色与白色的超声热损伤区域容易区分，因此离体猪肌肉组织在聚焦超声相关基础研究中广泛应用[6]。

为检验微聚焦超声仪器的可靠性与一致性，同时观测不同治疗头作用下微聚焦超声热损伤区域的形态特征，综合评估猪肌肉组织作为研究微聚焦超声材料的合理性，因此开展本研究。

1 材料方法

1.1 实验材料和设备

选择采购自超市的离体时间＜12小时的新鲜猪后腿肌肉组织（陕西正大集团）作为研究对象，在实验前放置于4℃冰箱冷藏。

本实验使用的微聚焦超声设备为深圳半岛医疗有限公司研制的超声治疗仪，该设备配有4个治疗头，分别为MFUS M4.5、MFUS M3.0、D4.5、D3.0，MFUS M4.5、MFUS M3.0为盖章式操作，D4.5、D3.0为滑动操作，其具体参数详见表1。

表1 超声治疗仪参数

1.2 实验方法

将猪肌肉组织切成60mm×40mm×20mm的组织块，每间隔10mm用墨水（天津市天津墨水厂）标记治疗区域。在离体猪肌肉组织上涂抹约1mm厚透声凝胶（湖北康达医疗开发有限公司），先使用MFUS M4.5治疗头，设置能量参数为Ⅴ级（输出声功率为6.8W），操作时将治疗头中线位置轻贴标记处肌肉组织表面，然后发射超声能量。按照同样方法及能量参数分别使用MFUS M3.0、D4.5、D3.0在后续治疗区域进行实验。需要注意的是D4.5、D3.0在操作时需将治疗头的中心点沿着标记处以3cm/s速度从肌肉组织的一端匀速直线滑向另一端。

使用23号手术刀片（扬州源康医疗器械有限公司）沿着标记点切开猪肌肉和皮肤组织，并使用数码相机（Canon EOS 6D Mark II）进行拍照。使用图像处理软件Image J（National Institutes of Health）测量数码照片中微聚焦超声热损伤区域（thermal injury zones，TIZs）距组织表面的距离。

1.3 统计学方法

使用SPSS 23.0统计学软件对测量数据进行统计学分析，计算统计数值的均值和标准差。

2 结果

2.1 形态观察

在实验中我们发现，微聚焦超声作用到猪离体肌肉中主要表现为圆形白色的热损伤区域（thermal injury zones，TIZs），纵切面TIZs排列比较整齐，排列成一条水平直线（图1、图2），而在部分纵切面（主要是D4.5、D3.0作用的组织）中可观察到TIZs呈白色圆柱状垂直于组织表面（图3）。

图1 TIZs 排列整齐(MFUS M4.5,F=4MHz)

图2 M3.0(F=4MHz)作用下TIZs 距表面最小距离为2.875mm，最大距离为3.356mm

图3 D4.5(F=4MHz)作用下TIZs 距表面最小距离为4.178mm，最大距离为4.963mm

2.2 MFUS M4.5、MFUS M3.0 观测结果

在MFUS M4.5治疗头作用下的离体猪肌肉组织中可观察到圆形白色的TIZs规律出现，距肌肉组织表面最小距离为4.432mm，最大距离为5.016mm，平均为4.520mm，平均TIZs间距为1.324mm。

在相同能量密度下，在MFUS M3.0治疗头作用下的离体猪肌肉组织中可观察到不同的TIZs排列形态，其中部分圆形白色的TIZs规律出现，排列形成一条直线，距肌肉组织表面最小距离为2.875mm，最大距离为3.356mm，平均距离为3.216mm，平均TIZs间距1.343mm（图2）。

2.3 D4.5、D3.0 观测结果

在实验中可观察到白色圆柱状的热损伤区域（thermal injury zones，TIZs），由于滑动操作，TIZs不规律出现。

在D4.5治疗头作用下的离体猪肌肉组织TIZs距肌肉组织表面最小距离为4.178mm，最大距离为4.963mm，平均距离为4.520mm（图3）。

在D3.0治疗头作用下的离体猪肌肉组织TIZs距肌肉组织表面最小距离为2.893mm，最大距离为3.435mm，平均距离为3.273mm（图4）。

图4 D3.0(F=4MHz)作用下TIZs 距表面最小距离为2.893mm，最大距离为3.435mm

3 讨论

微聚焦超声被用作治疗皮肤松弛的一种方法，它能在不损伤表皮的情况下在组织中传播，并在真皮深部和结缔组织中造成微小的微热凝固区，热损伤过程引起伤口愈合反应，导致新的胶原蛋白和弹性纤维的产生，导致组织收缩，改善皮肤弹性，真皮增厚[7]。在临床研究中发现微聚焦超声能紧致皮肤、收缩毛孔、减少皱纹、提亮肤色、收紧下颊、减轻眼睑袋、使鼻唇沟变浅[8]。

皮肤的颜色与微聚焦超声的热损伤区域难以区分，因此微聚焦超声作用于皮肤组织的基础研究多需特殊染色，且皮肤由几层密度差别较大的组织组成会影响超声焦域形态，不适宜用皮肤组织来观测微聚焦超声的焦域形态，因此常用均质深红色的猪的肌肉组织来进行微聚焦超声的基础研究[9]。

在实验中我们发现，MFUS M 4.5、MFUS M3.0预设的焦平面距离分别为4.5mm±15%、3.0 mm±15 %，实测焦平面距离分别为4.520±0.596mm、3.216±0.231mm，因此MFUS M4.5、MFUS M3.0治疗头作用的猪肌肉组织中的TIZs距离组织表面的距离与预设的焦平面距离较为接近。D4.5、D3.0预设的焦平面距离分别为4.5mm±15%、3.0 mm±15%，而实测的焦平面距离分别为4.520±0.542mm、3.273±0.176mm，因此D4.5、D3.0治疗头作用的猪肌肉组织中的TIZs距离组织表面的距离与预设的焦平面距离相近，但有所偏离。这可能是由于肌肉组织的超声衰减速度低于皮肤的衰减速度[10]。在实验中D4.5、D3.0和MFUS M4.5、MFUS M3.0的输出功率均为6.8W，但MFUS M4.5、MFUS M3.0治疗头较D4.5、D3.0治疗头猪肌肉组织中的TIZs距离组织表面的距离与预设的焦平面距离相近。

在实验中我们观察到微聚焦超声在猪肌肉组织内的TIZs有白色圆形和白色圆柱形两种形态，经过多次重复实验，我们发现微聚焦超声的TIZs应该是白色圆柱形（图3），垂直于组织表面，由于在切割猪肌肉组织时并不总能精细完整的切出TIZs的形态。因此当切口平行于微聚焦超声作用线但只切到部分TIZs时，看到的是整齐规律排列成线形的TIZs（图1）。当切口平行于微聚焦超声作用线但切到完整TIZs时，看到的是整齐排列的圆柱形的TIZs（图3）。既往的研究显示微聚焦超声在离体猪肌肉组织中的焦域形态呈倒三角形或者类圆形，且离组织表面和焦域之间会有部分正常未受累组织[11]。超声能量传播过程中产生热凝固的主要生物物理过程是声波束的聚焦和声学吸收，在超声波束密集聚焦的情况下，声能在最快速度下以热的形式沉积在焦域平面周围，因为超声的声功率密度不足以在焦域区以外的区域实现组织凝结，所以焦域前和焦域后区域仍然不受影响[11]。因此本研究和既往研究的聚焦超声焦域的形态不同可能主要是由微聚焦超声仪器参数的差异及操作手法差异所致。

因此使用离体猪肌肉组织中观察微聚焦超声焦域的形态存在以下不足：猪肉组织质地柔软，加上微聚焦超声焦域体积较小，在实验中较难使用刀片切取完整的超声热损伤区域的纵截面；猪肌肉组织为非透明材料，在实验中仅能观察到部分区域，并不能充分显示微聚焦超声焦域的完整形态；由于猪肉质地柔软，在实验时猪肉的厚度会随着治疗头的挤压变小，同时切割猪肉组织时的力量会使猪肉组织形态发生改变，因此测量的焦平面距离存在一定误差。

虽然含有蛋清或者牛血清的聚丙烯酰胺凝胶(PAA凝胶)可以作为研究微聚焦超声的实用实验模型，可以直观地显示温度升高引起组织凝固的形状，但其成本较高，制作较困难[12]。虽然存在种种不足，但离体猪肌肉组织获取容易而且价格低廉，微聚焦超声热损伤区域呈现的白色或淡白色与猪肌肉组织的深色易于区别，而且猪肌肉组织在宏观和微观解剖上比较均匀，对超声在组织内传播影响小，因此其仍广泛应用于微聚焦超声的研究[6,13,14]。

4 结论

使用离体猪肌肉组织可以清晰地观测微聚焦超声的焦域形态，显示出较好的一致性，微聚焦超声的焦平面距离较预设的距离较为接近，均在参数表中预设焦平面距离范围内。但由于猪肌肉组织的材质特性不能精准的观测完整的焦域形态，因此需进一步探索更合适的材料来进行微聚焦超声的研究。