康永香 孔繁之

（濟寧醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東 日照276826）

1 高強聚焦超聲（High intensity focused ultrasound，HIFU）“切除”腫瘤技術(shù)的興起

當(dāng)前，HIFU正以對人體的無創(chuàng)治療特點悄然地成為了腫瘤治療領(lǐng)域的最主要技術(shù)之一。該療法是將一定強度的超聲束在體外加以聚焦，使焦點處的高能量定位于患者體內(nèi)的腫瘤上，然后進行一定時間的照射，通過能量的轉(zhuǎn)化使腫瘤組織溫度升高至蛋白質(zhì)變性，蛋白質(zhì)凝固性壞死；由于超聲波方向性好的特性，這種療法既不會傷及腫瘤周圍的正常組織，最終又能達到無創(chuàng)治療腫瘤的目的。自20世紀(jì)90年代到今天，國際和國內(nèi)均掀起了HIFU理論和臨床實驗的研究熱潮。近年來我國若干高等學(xué)校及研究所在這一領(lǐng)域也進行了理論和相關(guān)的臨床研究，取得了一系列的成果［1－3］。

HIFU技術(shù)最核心的特點就是無創(chuàng)地進行腫瘤的“切除”，從而使患者無須再忍受外科手術(shù)的痛苦。這一技術(shù)的實現(xiàn)源于超聲波在人體內(nèi)部傳播時和人體組織的相互作用，這些相互作用我們稱之為物理機制。

2 HIFU“切除”腫瘤的物理機制

HIFU主要是利用超聲波良好的組織穿透性和方向性，通過體外聚焦，在機體組織內(nèi)的腫瘤處形成高強度的聲場，通過超聲場對人體腫瘤組織一定的作用來實現(xiàn)的。這些物理機制通常包括機械機制、熱機制和空化機制。3種作用機制介紹如下。

2.1 機械機制

超聲波是頻率大于2萬赫茲的機械波。當(dāng)在人體組織或液體中傳播時，人體組織內(nèi)部會產(chǎn)生機械振動，即在超聲波線前進方向會發(fā)生周期性變化的正壓和負壓，使受到超聲作用的組織質(zhì)點來回振動。當(dāng)聲強達到一定取值時，強烈變化的力學(xué)作用可以破壞細胞膜及其支持結(jié)構(gòu)；在膜性結(jié)構(gòu)破壞的瞬間，其溫度可高達幾千度，導(dǎo)致腫瘤區(qū)內(nèi)細胞受損，引起腫瘤區(qū)內(nèi)細胞溶解、細胞功能改變、DNA大分子降解及蛋白質(zhì)變性，并可造成細胞間黏滯系數(shù)降低，細胞分離脫落等。

2.2 熱機制

在線性聲學(xué)理論基礎(chǔ)上，由于生物組織的聲吸收特性，由于人體組織的黏滯性、熱傳導(dǎo)和分子弛豫過程的存在，當(dāng)超聲波在人體組織內(nèi)傳播時，超聲的一部分能量將會被轉(zhuǎn)化為人體組織的內(nèi)能，從而造成人體組織溫度的升高。當(dāng)溫度達到人體組織蛋白質(zhì)變性的時候，就可以形成腫瘤細胞的凝固性壞死，從而達到切除腫瘤的目的。但是，Maxim AS等［4］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲被高強度聚焦并在人體組織中傳播時，常會伴有非線性效應(yīng)產(chǎn)生，它所激發(fā)的熱效應(yīng)往往比線性的超聲波所激發(fā)的熱效應(yīng)更大。

2.3 空化機制

空化機制是當(dāng)超聲波在液態(tài)物質(zhì)中傳播時，液體中內(nèi)源性或外源性微氣泡（空化核）發(fā)生振蕩、收縮、膨脹、內(nèi)爆等一系列的動力學(xué)過程?？栈ǚ€(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。穩(wěn)態(tài)空化指微泡在超聲作用下沿著平衡半徑左右多次振蕩，在每一個振動微泡周圍的不均一環(huán)狀區(qū)域?qū)a(chǎn)生直徑較小的穩(wěn)定、均勻的血流束即微流，在此過程中沒有微泡的破裂。隨著聲強的增大，空化核將隨著超聲周期相而膨脹、收縮及爆破，最后在瞬間內(nèi)爆階段，微泡釋放出泡內(nèi)聚集的巨大能量，并伴有強大沖擊波、高速微射流和自由基的產(chǎn)生，此為瞬態(tài)空化。國外研究表明［5］，在瞬態(tài)空化下，細胞和組織受到生物學(xué)損傷的危險性較高，高強度的壓力波會使細胞損傷、破裂、DNA斷裂以及溶血、組織損傷、出血等。

超聲空化的研究始于1894年，Reyrolds首次觀察到了空泡現(xiàn)象；1919年，他提出超聲空化泡理論模型。此后人們對超聲空化泡的運動狀態(tài)及其基本效應(yīng)展開了廣泛的研究，證明空化機制增加了熱效應(yīng)和HIFU治療體積，有利于HIFU治療腫瘤。Canney MS等［6］通過有限幅值聲波傳播模型數(shù)值模擬與實驗研究HIFU在PAA凝膠體模中損傷形成的機制，在聲功率為32W時，空化和非線性加速了損傷初期形成。Farny CH等［7］對HIFU治療中空化泡的存在對熱效應(yīng)和空化機制的促進作用進行了研究，聲場中振動的空化泡對熱的擴散和空化機制中能量的轉(zhuǎn)換具有重要的作用。Tamura Y等［8］提出HIFU空化的數(shù)值模擬，給臨床治療提供了一定的數(shù)據(jù)參考。王琦等［9］研究了血管中的微泡一定程度上增強了HIFU的治療效果。Zhu Y等［10］分析了穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化發(fā)生的條件，指出空化加速熱量在組織內(nèi)的聚集，并得到實驗數(shù)據(jù)的證實。Collin J等［11］實現(xiàn)了對臨床HIFU系統(tǒng)中空化效應(yīng)的三維實時探測。

綜上所述，HIFU治療腫瘤是機械機制、熱機制和空化機制共同作用的結(jié)果，而熱機制和空化機制是最重要的機制。

3 最新進展

近幾年以來，隨著HIFU技術(shù)的進步和逐漸成熟，越來越多的腫瘤疾病已經(jīng)納入到了治療范圍。Li P等［12］討論了運用HIFU治療不可切除的胰腺癌腫瘤患者的存活時間及并發(fā)癥等問題；Cheung TT等［13］分析了HIFU治療肝癌的有效性；張濤等［14］探討HIFU對晚期胰腺癌患者治療的效果和安全性；Zhou YF［15］的文獻中認為HIFU是一種很有前途的用于乳腺癌治療的方法。但Shehatal IA［16］卻指出，運用HIFU治療腫瘤不是對所有腫瘤類型都適用，須慎重選擇合適的病例。人們用HIFU進行癌癥治療的同時也開始關(guān)注治療后所引起的一系列臨床反應(yīng)。Wu F［17］探討HIFU治療癌癥及其該療法所激發(fā)的抗癌免疫反應(yīng)。當(dāng)前，越來越多的基于HIFU的延伸應(yīng)用也層出不窮。Wu CY等［18］提出了脈沖高強聚焦超聲對病灶藥物聚集的促進作用；Lee ES等［19］用脈沖高強聚焦超聲聯(lián)合吉西他濱治療胰腺癌可提高細胞凋亡率和降低腫瘤的生長；Saedi N等［20］發(fā)現(xiàn)HIFU可以應(yīng)用于肥胖人群進行減肥，并且取得了明顯的瘦身效果。

4 結(jié)論

從高強聚焦超聲“切除”腫瘤的3個物理機制的描述和大量實驗的結(jié)果可以看出，熱機制和空化機制是HIFU治療腫瘤最主要的機制。當(dāng)前階段，HIFU已經(jīng)不僅僅是治療癌癥的一種高級的技術(shù)手段，基于HIFU“切除”腫瘤的物理機制及超聲生物效應(yīng)的其它方面特性，越來越多的其它實際應(yīng)用已經(jīng)初步的呈現(xiàn)出來，相信HIFU將來會有越來越廣闊的應(yīng)用空間和應(yīng)用前景。

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