高强度聚焦超声在脂肪组织中的衰减

高强度聚焦超声在脂肪组织中的衰减 2002级生物医学工程系 江南 摘要 目的 测试超声能量透过脂肪组织的衰减情况。方法 在相同治疗深度，功率，时间， 在不同脂肪厚度的肌肉层以及不带皮,脂肪的肌肉层，高强度聚焦超声经体外辐照形成的生物 学焦域体积大小的变化。结果 经体外HIFU辐照后，辐照深度为40 mm，辐照功率为400W， 不带皮脂肪的猪肉和带皮脂肪厚度分别为10-20mm，20-30 mm的猪肉，辐照时间为5s所形成 的生物学焦域的长轴分别为(8.89?3.14)mm、(9.67?0.58)mm、(10.67?23.1)mm;短轴分别 为(2.50?0.66)mm、(2.17?0.29)mm、(1.83?0.29)mm;而辐照时间为10S时，生物学焦域 的长轴分别为(13.20?2.28)m、(13.67?3.56)mm、(16.63?5.73)mm;短轴分别为(4.60? 0.89)mm、(4.42?0.80)mm、(4.19?1.00)mm;而辐照时间为15S时生物学焦域的长轴分别为 (16.33?1.15)m、(15.00?0.00)mm、(16.00?0.00)mm;短轴分别为(6.17?0.29)mm、(4.00 ?0.00)mm、(6.00?0.00)mm。结论 在相同辐照功率,时间,深度的情况下随着脂肪厚度的增 加,肌肉层内,焦域长轴(Y)逐渐增加,焦域短轴(Z)逐渐减小, 焦域的体积以及下缘距皮肤的 距离无明显规律. 关键字:高强度聚焦超声,衰减,生物学焦域,脂肪组织 THE ATTENUATION OF HIGH INTENSIVE FOCUSED ULTRASOUD IN FATTY TISSUE ABSTRACT Object Measure the attenuation situation of ultrasound energy when it goes through fatty tissue.Method Observe the volume change of biological focus area formed by high intensive focused ultrasound in vitro at the same treating depth, power, time, in muscle layer with different fat thickness and muscle layer without skin or fat.Result Treated with HIFU in vitro for 5s, with treating depth of 40mm, treating power of 400W, the long axis of biological focus area of pork without skin or fat, pork with skin and fat thickness of 10-20mm and pork with skin and fat thickness of 20-30 mm are (8.89?3.14)mm, (9.67?0.58)mm and (10.67?23.1)mm respectively, and minor axis of them are (2.50?0.66)mm, (2.17?0.29)mm and (1.83?0.29)mm respectively; with the same treating situation, just extending the treating period to 10s, the long axis of biological focus area are (13.20?2.28)mm, (13.67?3.56)mm and (16.63?5.73)mm respectively, and minor axis are (4.60?0.89)mm, (4.42?0.80)mm and (4.19?1.00)mm respectively;then treated for 15s, the long axis of biological focus area are (16.33?1.15)mm, (15.00?0.00)mm and (16.00?0.00)mm respectively, and minor axis are (6.17?0.29)mm, (4.00?0.00)mm and (6.00?0.00)mm respectively.Conclusion Under the same treating power, time and depth, when the thickness of fat increases, the long axis (Y) of focus area within muscle layer increases gradually while the minor axis (Z) decreases, no obvious rule for focus area volume and the distance of the lower side of the pork toward the skin is observed. Key words: High Intensity Focused Ultrasound , HIFU attenuation BiologicalFocalRegion,BFR目 录 第一章 引言 高强度聚焦超声在生物组织中的衰减 第二章 试验设备简介 1治疗探头 2功率源 3运动系统 4像定位监视装置 5计算机自动控制和处理装置 6介质水处理装置 第三章 试验方法 1试验数据 2试验结果 第四章 实验结果 第五章 高强度聚焦超声的应用及发展 参考文献第一章 引 言 1高强度聚焦超声在生物组织中的衰减 高强度聚焦超声在生物组织中传播时,因发生散射,反射,折射以及组织对超声能量的吸收,造成了超声波的衰减, 在生物组织中,造成超声衰减的内在原因主要有介质的粘滞性、导热系数和温度等因素,而这些因素造成对超声衰减的大小又与超声的频率有关。表2-5列出了组织成分对不同频率超声的衰减系数。 表2-5 实验结果表明,在1,15MHz超声频率范围内,人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。人体软组织对超声的平均衰减系数约为0.81dB?cm ,1 ?MHz ,1 ,其含义是超声波频率每增加1MHz或超声传播距离每增加1cm,则组织对超声的衰减增加0.81dB。因此,对一个3MHz声束,当其在人体软组织中传播10cm时,则声强衰减可达:0.81dB?cm ,, ?MHz ×3MHz×10cm=24.3dB 而当频率升高到10MHz时,传播相同的距离所导致的声强衰减将达: 0.81dB?cm ,, ?MHz ,, ×10MHz×10cm=81dB 这就说明频率的因素甚为重要。因此,根据探查部位的组织不同和深度不同,合理选择使用探头的频率,对诊断效果将有较大影响。本篇主要通过比较在不同脂肪厚度的肌肉层内做点打,治疗深度,功率,时间一致,再在不带皮,脂肪的肌肉层内做点打,所有条件一致,比较两种情况下形成的焦点大小是否有不同,差异有多大。 第二章 试验设备简介 重庆医科大学医学超声工程研究所自主研制的2.5型AHIFU肿瘤治疗系统，线圈HIFU LOOP COIL ，BODY MATRIX COIL。 1治疗探头 组合式聚焦超声治疗头由压电换能晶片，聚焦透镜和显像定位探头组成。压电换能晶片将电能转换为声能，超声波经透镜聚焦后在焦域处形成治疗所需的高能点。显像定位探头将组织的位置图象信息传递给显像定位装置，以确定超声焦域在组织中的正确位置，同时定时监视治疗效果。 2功率源 高频发生器输出高频连续正弦波，为聚焦超声治疗头提供工作电能。 3运动系统 扫描运动装置根据治疗方案，实现组合式聚焦超声治疗头空间六自由度扫描运动，在计算机自动控制下精确调整组合式聚焦超声治疗头与靶区的位置，使焦域处于靶区的某一确定部位。 4像定位监视装置 提供靶区图像，实现准确定位和实时监视治疗全过程。经HIFU治疗后，凝固性坏死组织的声阻抗发生变化，引起MRI图像的灰度变化。通过对治疗前后治疗区域MRI图像灰度变化的比较，操作者能方便而准确地判断治疗范围和程度。 5计算机自动控制和处理装置 根据靶区图像和专家制定的治疗方案，选择扫描方式，控制扫描精度，并自动处理文字 和图像信息。 6介质水处理装置 提供治疗所需的超声波传输介质水，保证超声能量以较小的损耗进入，并对皮肤表面进行冷却。 第三章 试验方法 对脂肪厚度为10-20mm,20-30 mm的带皮猪肉和不带皮,脂肪的猪肉进行体外定点脉冲辐照，辐照功率为400W，辐照深度为距下缘40mm，辐照时间为5s、10s和15s，比较以上在辐照过程中靶区超声温度图的变化以及强回声区面积的变化,辐照后，切开猪肉观察并测量肌肉层内所形成的HIFU生物学焦域的长轴,短轴,体积以下缘距皮肤的距离。 1试验数据 见Excel表 2试验结果 (1) 焦点深度40mm，脂肪厚度10-20mm，功率200W， 时间5s:数据有4个， 时间10s:数据有12个，时间15s:数据有4个， (2)焦点深度40mm，脂肪厚度20-30mm，功率200W，时间5s，数据有6个， 时间10s，数据有12个， 时间15s，数据有1个，(3)焦点深度40mm，不带皮、脂肪，功率200W， 时间5s，数据有13个，时间10s，数据有9个， 时间15s，数据有5个，第四章 试验结论 1随着脂肪厚度的增加，焦点长轴逐渐增加; 2随着脂肪厚度增加，焦点长轴逐渐减小; 第五章 高强度聚焦超声的应用及发展 1肿瘤组织的生物学特性 (1)癌瘤组织由于其解剖组织学上的缺陷供血不足、缺氧、偏暖、不耐热，癌瘤组织的血供仅为正常组织的2%-15%，这种在血循环方面的显著差别，是HIFU及其他加热方法治疗肿瘤的基础。 (2)当超声波能量被组织吸收转变为热能而使组织温度升高时，正常组织可通过有效的血循环散热，而肿瘤组织由于上述解剖组织学的缺陷，血循环差，无法进行及时散热，以致癌瘤内温度超出非肿瘤组织5?,9?，有时高达10?,11?，且维持时间较长。因此利用超声波对肿瘤组织的选择性杀伤作用可摧毁肿瘤组织而不损伤正常组织。 (3)超声升温改变癌瘤细胞的周围环境，增强酸度，一方面加强溶酶体酶的活性，另一方面在PH降低的情况下溶酶体数量增加，从而加强溶酶体对肿瘤细胞质的破坏。 (4)在细胞周期中，DNA合成期对热最敏感，因而DNA合成旺盛的肿瘤细胞更易被破坏。2高强度聚焦超声治疗肿瘤的特点 (1)非侵入性 高强度聚焦超声是将体外低密度超声能量聚焦于体内肿瘤靶组织中，达到“切除”肿瘤目的。一般不用开刀，无需输血，无放射性损害。同时，也不需穿刺引导，不损伤超声波所经过的组织或靶区外正常组织。HIFU治疗具有痛苦轻、机体恢复快、住院时间短、大多数无创伤等优点,并且行HIFU治疗时瘤区组织瞬间呈凝固性坏死，因而不会增加肿瘤转移的机会。但肋间隙较窄的右叶大肝癌和紧粘胸壁的周围型肺癌患者，由于骨组织对声波的强反射及高吸收作用，在行HIFU治疗前须切除部分肋骨，提供足够的声窗，达到理想的治疗效果。 (2)准确性 HIFU治疗系统将诊断探头和治疗探头合二为一，中轴线重叠，计算机控制的多维坐标扫 描系统可使诊断探头对肿瘤作断层扫描，其治疗探头所产生的焦点作断层布阵式运动，可以准确发现照射肿瘤，避免损伤邻近器官。HIFU是对肿瘤进行超声立体定位，动态观察，实时监控整个治疗过程的回声改变，实时评价治疗前、治疗中和治疗后靶区的治疗效果，随时调节治疗剂量，根据肿瘤外科原则，超范围“切除”体内肿瘤，从而保证HIFU治疗肿瘤的有效性和准确性。 英国伦敦皇家Masden医院超声治疗科发现HIFU极其精确，在完全杀伤的细胞和未损伤的细胞之间只隔6个细胞、。有人[3]认为HIFU对血管有一定损伤;但动物显微血管造影研究证明HIFU(4MHz,550W/cm2,4s)治疗大鼠肝肿瘤后，照射区直径,200μm的滋养血管闭塞，而直径,200μm的血管无损伤。 (3)一次性“切除” HIFU是将超声束聚焦在体内肿瘤靶组织处，一次性破坏体内任意形状、大小的肿瘤，使焦点处肿瘤发生不可逆的凝固性坏死，从而从体外完全破坏体内肿瘤。 (4)更多的治疗优势 HIFU只破坏肿瘤内200μm以下的血管，对直径大的血管无明显损伤，这增加了肿瘤的可治疗范围，使因血管解剖因素导致部分不能接受外科手术的肿瘤病人的局部根治性治疗成为可能。同时，对于一个脏器多发肿瘤或多个脏器的肿瘤，运用HIFU技术可以一次或分次“切除”，并且原脏器的功能不受明显影响。 3高强度聚焦超声的发展前景 高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound, HIFU)最先是由Lynn等在1942年首次报道其具有破坏组织的效应。1961年Hickey等首次用HIFU对5例晚期乳腺癌患者进行脑垂体的破坏术，作为晚期乳腺癌的辅助治疗。由于受技术的限制，超声能量较低且定位困难，HIFU并未得以广泛的应用。直至近年，经多次改进，功率加大，并配以现代的影像学技术(B超，MRI等)，HIFU逐渐得以发展并被尝试用于实体肿瘤的治疗中。HIFU肿瘤治疗主要是利用超声波穿透性、方向性、聚焦性好的特点，将体外发射的低能量超声波聚焦于肿瘤部位，通过超声波的热效应、空化效应、机械效应、声化学效应等使靶区内温度瞬间达到65?,100?而使肿瘤组织产生凝固性坏死。它具有对患者无电击、无痛苦、无创伤、对正常组织无副作用、可反复多次使用等多种优点、是目前肿瘤治疗医学上最具有突破性的研究成果，在肿瘤治疗方面最具有诱人的前景。参考文献 1 黎建军(中山大学肿瘤医院海扶治疗科，广东 广州 510060) 2 超声诊断学(钱蕴秋主编，第四军医大学出版) 3 超声治疗学 -