HIFU經(jīng)腹壁多層組織傳播衰減的評(píng)價(jià).pdf

1、研究背景：
　　高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種非侵入性腫瘤治療技術(shù)。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種良惡性實(shí)體腫瘤的治療。HIFU技術(shù)利用了超聲波在生物組織中良好的穿透性和方向性，通過(guò)一定的聚焦方式，將體外治療頭發(fā)射的低強(qiáng)度超聲匯聚到體內(nèi)形成一個(gè)能量高度集中的區(qū)域，即聲焦域，在焦域內(nèi)通過(guò)熱效應(yīng)、空化效應(yīng)等使組織產(chǎn)生凝固性壞死，同時(shí)對(duì)周?chē)＝M織無(wú)任何損

2、傷。其中對(duì)劑量學(xué)研究是HIFU技術(shù)的關(guān)鍵。目前臨床多使用實(shí)時(shí)影像監(jiān)控（MRI/US）來(lái)反饋調(diào)節(jié)治療劑量，與MRI影像監(jiān)控相比較，超聲監(jiān)控具有任意面成像、更具實(shí)時(shí)性以及經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，因而使用更為廣泛。超聲影像實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的主要包括以下幾個(gè)方面：(1)實(shí)時(shí)定位；（2）實(shí)時(shí)引導(dǎo)治療；（3）實(shí)時(shí)療效評(píng)價(jià)；（4）實(shí)時(shí)劑量反饋；（5）實(shí)時(shí)調(diào)整或改變治療計(jì)劃等。關(guān)于實(shí)時(shí)療效評(píng)價(jià)與劑量反饋主要依賴治療過(guò)程中實(shí)時(shí)靶區(qū)組織的灰度變化，目前臨床上以靶區(qū)出現(xiàn)

3、團(tuán)塊狀高回聲改變或整體灰度明顯增強(qiáng)為停止劑量投放的標(biāo)準(zhǔn)。而這種反饋控制劑量投放的方式具有一定的滯后性，在治療前，針對(duì)不同的病人，劑量投放的多少主要依賴臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷，缺乏進(jìn)行個(gè)性化的劑量選擇的客觀依據(jù)，這無(wú)疑增加了HIFU治療劑量標(biāo)準(zhǔn)化的難度，不利于HIFU技術(shù)的推廣。應(yīng)用超聲灰度變化作為判斷療效的標(biāo)準(zhǔn)，還有可能導(dǎo)致過(guò)量的劑量投放。超聲監(jiān)控的HIFU治療能否成功還依賴于超聲圖像的質(zhì)量。綜上所述，實(shí)時(shí)影像監(jiān)控反饋劑量調(diào)節(jié)的方法

4、在HIFU劑量投放的準(zhǔn)確性上存在著不足，單獨(dú)應(yīng)用此方法作為劑量投放的標(biāo)準(zhǔn)不利于HIFU技術(shù)的發(fā)展。
　　目的：
　　HIFU生物學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生取決于到達(dá)焦點(diǎn)處的聲能與靶區(qū)組織之間的相互作用，而焦點(diǎn)處的聲能則與聚焦超聲換能器的輸出聲功率、通道組織的聲衰減以及輻照時(shí)間相關(guān)。聲通道組織的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)特性存在較大的個(gè)體差異，而腹壁作為HIFU治療中最常見(jiàn)的聲通道組織，由皮膚，脂肪，肌肉等構(gòu)成。它們的解剖結(jié)構(gòu)，聲學(xué)特性各異。我們能否找到一

5、種可以準(zhǔn)確評(píng)估HIFU經(jīng)腹壁多層組織傳播衰減的方法，從而為臨床醫(yī)生在HIFU治療劑量的投放選擇上提供可以參考的依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)處聲能沉積以及產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行控制的目的。
　　方法：
　　1. HIFU聲場(chǎng)測(cè)量：實(shí)驗(yàn)裝置主要由光纖水聽(tīng)器、水聽(tīng)器控制器、三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)壁貼滿吸聲材料的水箱、功率源、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。聚焦超聲換能器參數(shù)：型號(hào)201012-11，直徑220mm，頻率0.95Hz，焦距145mm，-6dB焦域長(zhǎng)軸9

6、mm，短軸1.3mm。選取新鮮離體豬腹壁組織，包括皮膚層、脂肪層和肌肉層，常規(guī)脫氣30分鐘后備用。實(shí)驗(yàn)前校對(duì)光纖水聽(tīng)器，調(diào)節(jié)水聽(tīng)器的放置位置，使水聽(tīng)器與聚焦超聲換能器處于聲學(xué)共軸狀態(tài)。通過(guò)聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)控制三維運(yùn)動(dòng)裝置，進(jìn)一步精細(xì)調(diào)節(jié)水聽(tīng)器的位置，找到所使用的聚焦超聲換能器的聲學(xué)焦點(diǎn)位置。首先測(cè)量自由場(chǎng)中聚焦超聲換能器的聲場(chǎng)分布，然后測(cè)量聲通道上放置豬腹壁組織后的聚焦換能器聲場(chǎng)分布，換能器焦點(diǎn)距離豬腹壁組織皮膚表面為100mm，確保換能器

7、所發(fā)出的所有超聲束都能通過(guò)豬腹壁多層組織。
　　2. B超測(cè)量豬腹壁組織各層的厚度：將豬腹壁組織固定于聚焦超聲治療頭上方并與治療頭表面平行，調(diào)節(jié)豬腹壁組織使其皮膚表面與焦點(diǎn)間的距離為60mm，同時(shí)豬腹壁組織完全浸沒(méi)于脫氣水中。調(diào)節(jié)診斷超聲增益，使豬腹壁組織各層結(jié)構(gòu)在B超圖像上清晰成像。使用B超儀器自帶的圖像測(cè)量軟件，每隔10mm一個(gè)層面，測(cè)量一次豬腹壁組織各層厚度，將測(cè)量所得數(shù)據(jù)各層分別取平均數(shù)，得到豬肉組織每一層的平均厚度。

8、r>　　3.獲得腹壁多層組織的聲衰減：實(shí)驗(yàn)首先利用KZK方程分別對(duì)HIFU透過(guò)脫氣水及不同厚度豬腹壁組織后的聲壓分布進(jìn)行了理論計(jì)算。對(duì)-6dB焦域內(nèi)的聲壓值進(jìn)行公式換算，得到HIFU經(jīng)多層組織傳播衰減后的-6dB焦域內(nèi)空間平均聲強(qiáng)值。由公式α1=10lg(I0/I1)得到HIFU經(jīng)豬腹壁的總衰減值α1；根據(jù)多層組織聲衰減公式計(jì)算得到HIFU經(jīng)腹壁后的總聲衰減值α2；采用插入取代式脈沖傳輸法測(cè)量豬腹壁組織的總聲衰減值α3。當(dāng)換能器輸出聲功

9、率為300W時(shí)，自由場(chǎng)中I0=12370W/cm2，將HIFU經(jīng)腹壁后的總聲衰減值α1、α2、α3分別帶入公式(此處公式省略）計(jì)算得到I1、I2、I3。
　　4. HIFU定點(diǎn)輻照實(shí)驗(yàn)：HIFU透過(guò)豬腹壁組織后定點(diǎn)損傷離體新鮮牛肝，腹壁組織在聲通道上的位置同B超厚度測(cè)量時(shí)的位置一致。將一個(gè)底部用0.1 mm厚塑料薄膜封裝的盛放樣品的支架水平放置于豬腹壁組織的上方，其內(nèi)盛裝離體新鮮脫氣牛肝，樣品支架及牛肝均浸沒(méi)于脫氣水中，調(diào)節(jié)支架高

10、度，使焦點(diǎn)深度置于牛肝內(nèi)20mm。以焦點(diǎn)聲強(qiáng)I0=12370W/cm2（脫氣水中），輻照時(shí)間9S的超聲劑量定點(diǎn)輻照新鮮牛肝組織。HIFU定點(diǎn)損傷離體新鮮牛肝，將樣品支架放置于治療頭表面水平位置，其內(nèi)盛裝離體新鮮脫氣牛肝，支架及牛肝均浸沒(méi)于脫氣水中。調(diào)節(jié)支架高度，使焦點(diǎn)深度置于牛肝內(nèi)20mm。以焦點(diǎn)處聲強(qiáng)分別為I1、I2、I3（脫氣水中）時(shí)，輻照時(shí)間9S的超聲劑量定點(diǎn)輻照新鮮牛肝組織，輻照結(jié)束后沿凝固性壞死塊最大面剖開(kāi)，直視下用數(shù)碼像機(jī)拍

11、攝其帶標(biāo)尺的圖像，使用Photoshop軟件測(cè)量凝固性壞死塊的最大長(zhǎng)短徑并計(jì)算體積。
　　結(jié)果：
　　1.豬腹壁組織的厚度分布從22 mm-48mm不等，當(dāng)不同厚度的豬腹壁組織位于聲傳播通道上時(shí)，聚焦超聲換能器焦點(diǎn)處的聲壓輻值相較于脫氣水中下降了40％-60%，由此可見(jiàn)超聲波透過(guò)腹壁組織傳播所發(fā)生的聲能衰減較大，當(dāng)腹壁組織的厚度接近50mm時(shí)，焦點(diǎn)的聲壓值下降了近60%。不同厚度豬腹壁組織位于聲通道上時(shí)，均使聚焦超聲換能器的

12、焦點(diǎn)發(fā)生位移，在XY面上，焦點(diǎn)的位移大致為0.2-0.5mm，測(cè)量精度為±0.1mm。且腹壁組織的厚度越厚，焦點(diǎn)偏移的距離越大。在Z軸上，焦點(diǎn)最大的位移距離為1mm，測(cè)量精度為正負(fù)0.5mm。相對(duì)于聚焦換能器9mm的長(zhǎng)軸尺寸來(lái)說(shuō)，Z軸上發(fā)生的位移較之XY面的位移要小。穿過(guò)不同厚度的豬腹壁組織后，聲壓的波束形態(tài)基本與自由場(chǎng)一致，-6dB焦域尺寸無(wú)明顯變化，聲壓分布與自由場(chǎng)接近。
　　2.通過(guò)三種不同方法計(jì)算得到的聲通道存在豬腹壁組織

13、時(shí)的焦域處聲強(qiáng)與自由場(chǎng)中焦域處聲強(qiáng)的比值隨著豬腹壁組織厚度的增加，逐漸下降。而同一厚度的腹壁組織三組比值之間差距很小。不同厚度的腹壁組織之間，聲衰減系數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。HIFU透過(guò)腹壁多層組織后輻照牛肝形成的凝固性壞死的體積隨著腹壁組織的厚度增加而明顯減小，腹壁組織厚度增加約2.5倍時(shí)，形成的凝固性壞死體積約減小5.5倍。使用多層組織衰減公式計(jì)算得到的衰減后聲強(qiáng)單獨(dú)輻照牛肝，形成的凝固性壞死體積與HIFU透過(guò)腹壁多層組織后輻照牛肝形成的凝

14、固性壞死的體積之間沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而使用另外兩種方法得到的衰減后聲強(qiáng)單獨(dú)輻照牛肝，形成的壞死體積與透過(guò)腹壁多層組織后輻照牛肝形成的凝固性壞死的體積比較，則各有一次結(jié)果存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　結(jié)論：
　　1.不同厚度的豬腹壁組織位于聲通道時(shí)，均使HIFU的聲焦域位置發(fā)生改變，其中XY面的位移較顯著，并隨著腹壁組織的厚度增加而增大，在HIFU治療計(jì)劃的制定中應(yīng)充分考慮到這一點(diǎn)。
　　2.HIFU通過(guò)厚度約2-5cm的豬腹壁組

15、織后的聲壓輻值均有明顯下降，而透過(guò)組織后的聲壓分布與自由場(chǎng)相比沒(méi)有明顯變化。
　　3.使用三種計(jì)算方法對(duì)HIFU透過(guò)豬腹壁多層組織后的聲衰減進(jìn)行預(yù)測(cè)，同一厚度的腹壁組織三種計(jì)算結(jié)果之間差異較小，不同厚度的腹壁組織之間，聲衰減系數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
　　4.HIFU透過(guò)腹壁多層組織后輻照牛肝形成的凝固性壞死的體積隨著腹壁組織的厚度增加明顯減小，腹壁組織厚度增加約2.5倍時(shí)，形成的凝固性壞死體積約減小5.5倍。
　　5.在本實(shí)