高強度聚焦超聲在腫瘤治療中的應用研究

王維紅

高強度聚焦超聲在腫瘤治療中的應用研究

王維紅①

探討高強度聚焦超聲的結構與原理及其在治療惡性腫瘤方面的價值及未來發展方向。高強度聚焦超聲治療是利用超聲波的生物溫熱效應，將高強度的超聲波聚焦于病灶組織，達到破壞病灶的目的。此種治療方式無需采用侵入性手段即可破壞病灶，可極大減輕對機體正常組織的損傷，改善患者的生活質量。未來，隨著高強度聚焦超聲系統技術的發展、應用和普及，將更好地服務于人類的健康事業。

超聲治療；高強度聚焦超聲；晶振單元；腫瘤

［First-author's address］ Equipment Department， The First Hospital of ZiBo， Zibo 255200，China.

惡性腫瘤是危害人類健康的嚴重疾病，其治療主要靠手術、放射治療及化療三大手段，但這些手段均有其一定的局限性。高強度聚焦超聲作為一種新興的無創腫瘤治療技術已經在國內外廣泛開展，并取得了顯著臨床效果。利用多組超聲波聚焦于一點來治療腫瘤，其治療方法主要是利用超聲波的生物溫熱效應，將體外發射的多組低能量的超聲波聚焦于腫瘤細胞組織，由于超聲波在腫瘤組織的能量疊加，使得腫瘤組織內溫度瞬間即可上升到65 ℃以上，從而達到破壞腫瘤細胞組織的目的［1］。該治療方式的優點是無需采用侵入性手段即可破壞腫瘤細胞組織，屬于無創治療技術，可極大減輕對機體正常細胞組織不必要的損傷。

1　高強度聚焦超聲治療儀的主要結構

高強度聚焦超聲腫瘤治療系統主要由高強度聚焦超聲換能器、功率放大單元、計算機控制系統、定位評估系統、運動控制系統以及水循環系統等組成，其工作原理如圖1所示［2-5］。

圖1　高強度聚焦超聲熱療系統原理框圖

1.1高強度聚焦超聲換能器

晶振單元由壓電晶片組成，壓電晶片受電信號激發發射超聲，進入人體組織，在人體組織內遇不同聲阻界面產生反射與散射，壓電晶片又接收反射信號，轉換成電信號送入儀器。晶振單元是應用晶片的壓電效應制作的，實現電能和機械能的相互轉換［6］。

1.2超聲熱療系統聚焦原理

超聲熱療系統按聚焦原理可分為單元透鏡聚焦系統、多元小平面幾何聚焦系統和多元雙重聚焦系統。

1.2.1單元透鏡聚焦系統

單元透鏡聚焦系統是根據聲透鏡聚焦的原理，將環形平面換能器發射出來的超聲波匯聚于一點，其原理與光透鏡聚焦類似，利用聲波在彎曲界面上的折射來達到匯聚聲波的目的［7-9］。單元透鏡聚焦系統采取下探頭方式，優點是結構簡單，聚焦效果好。單元透鏡聚焦系統缺點為：①效率低；②治療時患者需要全身麻醉，皮膚浸在水中且不安全；③操作時監控困難。

1.2.2多元小平面幾何聚焦系統

多元小平面幾何聚焦系統的超聲單元由上百個壓電晶體分布在同一曲面上面成為幾何聚焦，上百個壓電晶體發出超聲重合的區域即為焦點，其位置完全由幾何曲面的曲半徑決定，這種高強度聚焦超聲熱療也是采取下探頭方式［10］。多元小平面幾何聚焦系統的缺點為：①發射功率小，聚焦性能差，不能轉動；②治療時患者皮膚浸在水中，容易感染；③監控難，治療時間長；④晶振單元較多，損壞后維修較困難。

1.2.3多元陣雙重聚焦系統

多元陣雙重聚焦系統是將多個自聚焦晶振單元排列在凹球面上面再次聚焦，這種設計的優點是有利于在焦點處獲得更大的聲功率。凹球面聚焦晶振單元是將壓電晶體磨成凹球面，然后經鍍銀、極化而制成。通常對于腫瘤的治療，凹球面聚焦系統要比聲透鏡聚焦系統更有效［10-13］。多元陣雙重高強度聚焦超聲系統與其他高強度聚焦超聲腫瘤熱療相比，具有如下特征：①多個（＞4個）雙重聚焦晶振單元可以任意組合發射，方便靈活；②患者無須麻醉，治療相對安全；③干式治療，治療時患者皮膚不與水接觸，安全衛生；④B超圖像實時監控并能分別調節多個換能器的輸出功率，保證治療過程安全；⑤患者治療時可自由仰臥，相對舒服；⑥有多個治療參數可供醫生選擇治療劑量［14］。

1.3功率放大單元

超聲功率放大單元提供頻率在1～5 MHz的電功率用來激發超聲換能器，使超聲換能器產生高頻機械振動向外輻射超聲波。功率放大器由振蕩器、分頻器、前置放大器、耦合電路以及功率放大電路組成。

因每個換能器要接一個超聲功率放大器，因此功率放大器要做到頻率高、功率大及體積小。如SONOTHERMR 1000型在一個輻射頭內含有多達4×4的多元陣超聲換能器，則應配置16個獨立的超聲功率放大器。通常其輸出高頻電功率為50～100 W，若理想的功率放大器與超聲換能器匹配得好，其效率可達50%，這樣轉變成超聲時功率可達25～50 W。

以HIFUNIT 9 U00型腫瘤消融刀為例，超聲功率轉換系統由超聲功率放大器和六元雙聚焦超聲換能器陣組成，每個換能器分別由一路功率放大器控制，這種設計可以避免由于同一頻率下由不同換能器發射出來的超聲相互干擾而造成對于聲場的影響。每個功率放大器的最大輸出電功率為100 W，并能在0～100 W的功率范圍內連續可調。工作時，可以根據患者的實際情況調節到合適的大小，保證治療的有效和安全［15］。

1.4計算機控制系統

計算機控制系統包括電腦中央控制系統、實時控制系統和監視定位系統3個部分。計算機控制系統是應用計算機技術實現治療自動控制的核心系統。通過監視定位系統獲得數據，由電腦中央控制系統的實時控制系統產生對機械運動和功率轉換等其他系統運行的實時控制信號［16］。

監視控制與實時控制相結合是計算機控制系統的特色。這種方案將控制分為兩個層次：即監視控制層和實時控制層。監視控制管理患者治療信息、圖像采集、制定治療方案及計算治療運動數據。實時監視治療過程，對設備進行實時控制，實時監測故障，精確控制治療換能器的機械運動。監視控制層和實時控制層并行協調工作，可極大提高控制效率。

B超診斷儀在高強度聚焦超聲腫瘤機中完成治療監視控制和腫瘤定位的雙重功能。監控系統實時采集B超圖像，可以實時監控治療過程，根據所獲得的B超圖像，完成腫瘤定位的功能，同時B超圖像也提供了腫瘤的位置及區域的信息，通過對這些信息的提取和處理，生成治療數據。使用計算機直接控制超聲功率放大器的功率調節和輸出來達到治療腫瘤的目的。多個換能器的功率可分別控制，靈活組合，避開一些關鍵部位，計算機控制系統還可以科學地管理患者治療信息，供臨床醫師研究病例，同時還可以為醫院管理信息系統提供接口，使相關的治療信息融入到醫院信息系統中。

1.5運動控制系統及水循環冷卻裝置

1.5.1運動控制系統

通過機械運動確定腫瘤的定位和治療，包括換能器、治療床和C形臂的運動驅動。治療床有3個運動方向，能分別在上下方向做240 mm移動、橫向240 mm移動和縱向1100 mm范圍內移動。換能器整體能分別繞X軸做30o和Y軸20o的旋轉，其掃描范圍為100 mm×100 mm×100 mm，B超探頭可以在0o～180o繞Z軸旋轉，使得換能器焦點能移至人體的任何部位，而且治療床的大范圍運動也能保證患者輕松地調整到治療位置。

1.5.2水循環裝置

水處理循環系統是整個超聲治療系統的輔助系統，由其完成水介質的處理以達到療效的目的。由于超聲波的傳播特性，聲波在不同介質表面會產生強反射，致使超聲波不能深入到病灶中去，所以在超聲波診斷或治療時都需要耦合介質。本治療系統采用水作耦合劑，由于一般的水中溶解有大量的空氣，在高強度聚焦超聲發射過程中超聲波會把水中的氣體聚集成微小的氣泡，這將嚴重影響超聲的傳播，降低了病灶處的能量聚焦治療效果［19］。

2　高強度聚焦超聲治療系統的適用范圍

高強度聚焦超聲系統主要適用于實質臟器的腫瘤，對于超聲圖像顯示良好的腫瘤，只要無其他禁忌均可以治療，尤其是對于轉移腫瘤的保守治療能夠發揮較大的作用。同時，高強度聚焦超聲系統治療后可刺激機體免疫系統，對人體免疫反應產生一定的促進作用［20］。

3　展望

高強度聚焦超聲系統的出現為臨床醫師治療腫瘤提供了一種無創治療手段，其應用不僅僅限于惡性腫瘤的治療，還可用于良性腫瘤和非腫瘤疾病的姑息治療、外科止血等。高強度聚焦超聲系統目前在臨床上的應用還處于初級階段，還有許多技術難題有待解決，尤其是超聲計量學、無創溫度控制及熱劑量學等方面的技術有待突破。近年來的醫學科學技術發展和醫學實踐表明，在未來的外科領域中，高強度聚焦超聲系統的應用在腫瘤治療中將起到舉足輕重的作用，隨著高強度聚焦超聲系統技術的發展和應用的普及，相信高強度聚焦超聲系統技術將更好地服務于人類健康事業。

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The application research of high intensity focused ultrasound in tumor treatment/

WANG Wei-hong//
China Medical Equipment，2016，13（8）：133-135.

The purpose is to introduce the structure and principle of the high intensity focused ultrasound and to discuss its value and future development in tumor. The high intensity focused ultrasound uses the biological heat effect which focuses the high intensity ultrasound on the lesions to destroy them. It is non-invasive means to destroy the lesions， reduce the damage of the normal tissues greatly， improve the quality of life..With the development， application and popularization of the technology on high intensity focused ultrasound， it will serve the human health career better.

Ultrasonic treatment； High intensity focused ultrasound； Transducer unit； Tumor

1672-8270（2016）08-0133-03 ［中圖分類號］R454.1

A

王維紅，女，（1973- ），本科學歷，工程師。淄博市第一醫院設備科，從事醫療設備的管理和維修工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.08.042

①淄博市第一醫院設備科 山東 淄博 255200

2016-04-07