HIFU治疗中温度、回声变化与凝固性坏死的关系

摘要

研究背景：
　　 高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrsound,HIFU)开始受到人们的关注开始于上个世纪四十年代,美国科学家Lynn、Fry提出能否用高强度聚焦超声从体外对患者进行治疗?随后美、英、法、日、中等国相继投入大量的人力、物力致力于该技术的研究。高强度聚焦超声发展到今天,已经成为声学和医学领域的研究热点。高强度聚焦超声通过一定的聚焦方式(相控阵聚焦,自聚焦,镜面聚焦等),将超声能量集中到一个区域,该能量集中的区域称为焦域,通过空化、热、机械机制等使靶区组织产生不可逆的凝固性坏死,从而达到损伤靶区组织的目的。目前HIFU治疗的主要监控方式有超声和MRI两种方式,分别通过监控声像图回声改变和测温来判断治疗效果。但HIFU所致声像图回声增强的声学基础主要是空化或汽化产生的气泡、温升和凝固性坏死,而气泡会加速温升,那么,HIFU治疗中温升、回声变化和凝固性坏死之间的关系如何?目前国内外还没有采取MRI和US监控两种方式来研究温度、回声改变和凝固性坏死之间的关系,本文采用两种监控方式研究了相同HIFU治疗中温度、回声变化与凝固性坏死的关系。
　　 目的：
　　 (1)HIFU所致牛肝组织相同温升时,温度、灰度差值与凝固性坏死间的关系。(2)辐照剂量一定时,HIFU所致牛肝组织温升、灰度差值及凝固性坏死面积的变化。(3)不同辐照剂量下HIFU所致牛肝组织热剂量积分面积、回声增强范围(面积)及凝固性坏死面积的变化。
　　 方法：
　　 1.HIFU辐照离体牛肝组织致靶区相同温升的实验
　　 1.1实验仪器:(1)MRIgHIFU治疗系统,由重庆海扶技术有限公司和SIEMENS公司联合开发。治疗头参数:直径200 mm,焦距150 mm,频率1.0 MHz。(2)B超监控部分:HIFU治疗床(和第一部分的HIFU治疗装置是同一台设备),B超监控系统,工控机。治疗头参数同MRIgHIFU系统。
　　 1.2实验对象:取新鲜离体牛肝组织(屠宰6小时内),浸泡于0.9％的生理盐水中,选择结缔组织及血管较少处洗净,切成10 cm×8 cm×6cm大小,复温至20℃,常规脱气30min备用。
　　 1.3实验方法:1)MRI部分:HIFU辐照深度15mm,辐照功率分别为300W、250W、200W、150W、100W、50W。首先用t2_trufi_sag_pat2序列扫描牛肝组织,得到一组图像,选择结缔组织及血管较少的层面作为靶区,并将HIFU焦点移到该层面,调好治疗深度。然后用GRE_TMap_phasediff_ref测温序列对HIFU将要作用的层面进行扫描,得到一幅温度参考相位图。采用GRE_TMap_phasediff_ref扫描即将进行HIFU辐照的层面,采集1～2幅清晰图像后开始HIFU辐照,同时扫描温度图,当55℃出现时立即停止辐照。记录辐照时间。每个功率重复六次实验。2)B超监控部分:辐照深度和功率同上,辐照时间由MRI监控部分确定,摆放B超探头,使其扫描方向和MRI相同,记录辐照前及辐照后即刻、10s、30s、60s、120s的声相图。观察温升变化、灰度差值变化,凝固性坏死面积和辐照剂量的变化。
　　 2不同辐照剂量下HIFU所致靶区温升、回声、凝固性坏死的变化
　　 2.1实验仪器:同第一部分
　　 2.2实验对象:同第一部分
　　 2.3实验方法:辐照深度15mm,参数及分组如下表所示。具体方法同第一部分。
　　 结果：
　　 1.温升相同时(55℃),随着功率的增大,达到55℃需要的辐照时间逐渐变短,表明功率越大温升越快。
　　 2.牛肝组织凝固性坏死面积的大小和总的辐照剂量有关,总的辐照剂量越大,凝固性坏死面积也越大。
　　 3.辐照剂量一定时(3000J),随着功率的增加55℃出现的时间逐渐变短,达到相同的温升时功率的影响较大,辐照即刻产生的灰度差值、最高温度和解剖凝固性坏死面积都随着功率的增加而逐渐增大。
　　 4.当HIFU辐照剂量较大时,热剂量积分(阈值为59.6min),B超监控(辐照后10s的面积)的方法都能反映凝固性坏死的面积,温度监控的方法在一定程度上能反映凝固性坏死的面积,但由于不同组织的热敏感度不同,因此该方法存在一定的局限性。当HIFU辐照剂量较小时(1000J),热剂量积分法和温度监控都不能得到相应的面积,此时牛肝组织存在凝固性坏死,而B超监控的方法却能在功率较高时(200W、100W、67W)监控到回声的变化。
　　 结论：
　　 1.辐照剂量对凝固性坏死面积的形成起决定作用,当辐照剂量一定时功率对凝固性坏死面积的形成影响较大。
　　 2.HIFU辐照剂量一定时,辐照后产生的最高温度和灰度差值及凝固性坏死面积都随着功率的增加而增加。
　　 3.MRI和B超监控HIFU治疗的方法各有利弊,当HIFU辐照剂量较大时,采用热剂量积分的方法更有利；当辐照剂量较小时,采用B超监控的方式更有利,热剂量积分的方法无法得到相应的面积,可能是MRI的温度监控得到的是一段区域的平均温度,无法真实反映每个体素的温度,而此时B超却可以观察到回声的增强,且B超价格相对于MRI要低很多,能做到实时监控,利于临床的推广。