高强度聚焦超声治疗面临的三个挑战及其解决方式

高强度聚焦超声治疗面临的三个挑战及其解决方式

胡博震

四川省第一退役军人医院康复医学科 四川成都610501

摘要：高强度聚焦超声治疗（High-intensity Focused Ultrasound）是一种非侵入性医疗方式，具有无创、安全、有效的技术特点，被广泛运用于肿瘤、神经系统疾病、骨关节疾病的治疗中。但其技术也面临在医学影像学、治疗精度、组织穿透限制和不同病情的适应性等需要解决的挑战。本文结合近年来对相关问题的研究，梳理目前的解决方案。

关键词： 高强度聚焦超声 治疗

1. 介绍

高强度聚焦超声治疗（High-intensity Focused Ultrasound）是一种非侵入性医疗方式。HIFU在不损伤正常组织的情况下，将高振幅波产生的声能作用于靶向组织，达到加热和消融的治疗目的【1】。HIFU作为一项无创且安全有效的治疗的方式正广泛运用于包括肿瘤、神经系统疾病、骨关节疾病的治疗中【2】。

HIFU通常选取的使用频率为 0.2-4 MHz，最大压缩压力为 20-70 MPa、强度为100至10000W/cm的发生器产生【3】。HIFU设备由一个可以产生超声能量的发生器和一个将发生器产生的超声能量聚焦到目标病灶上的换能器组成。换能器可发生许多可以在振幅和频率上调制超声波的粒子。非线性波传输、机械作用、热效应和超声空化在HIFU中起着重要作用,主要机制是将超声波机械能转化为空化能和热能【4.5】。

HIFU治疗方式的运用中也凸显出一些挑战，归纳起来主要包括：医学影像学的改善、治疗精度的改善、组织穿透限制和不同病情的适应性等。本文主要在医学影像学的改善、组织穿透性和对不同疾病的治疗方式完善进行介绍。

2.1医学影像学的改善

目前影像学主要的方式包括：X线放射(X-Ray)、计算机断层扫描（CT）、核磁共振（MRI）和超声成像（Ultrasound Imaging）【6】。HIFU结合影像学的检测方式包括，磁共振成像（MRgHIFU）、经颅磁共振引导聚焦超声（TcMRgFUS）和超声（USgHIFU）成像三种方式，但以上方式在运用时也一些瓶颈【7-9】。MRgHIFU的成本较高，但它相较于USgHIFU其治疗精度更高，特别是在解剖细节的应用方面更具有特别的优势。MRgHIFU具有温度映射功能，可监测目标组织的坏死程度【3】。有研究指出在3特斯拉（3T）频率下的磁共振引导和使用TcMRgFUS所需的大半球形传感器，会产生通过大脑关键区域的人工低信号波段，降低了治疗的精度。J.R. Hadley等人【8】通过在TcMRgFUS加装一个射频装置，去除这些低信号波段的影响最终提高医学影像学的质量。在运用MRI引导聚焦超声治疗帕金森病的治疗中，由于设备本身和用于冷却头部和提供声学的耦合会干扰成像，导致图像质量较差。Nathan McDannold,等人【10】运用在MRgFUS用于MR温度成像（MRTI）期间获得的相位数据，指导该过程的解剖学信息从而改善图像质量。Nathan McDannold等人【11】通过研究得到MRTI在17度下43累积分钟（CEM43）阈值热病变部位较为精确。该参数可在治疗中准确跟踪累积的热剂量，对于提高安全性和有效性都很重要。

2.2组织穿透性改善

HIFU已被应用于治疗各种实体恶性肿瘤，包括胰腺、肝脏、前列腺、乳腺癌、子宫肌瘤和软组织肉瘤。与传统的肿瘤/癌症治疗方式（如开放手术、放疗和化疗）相比，HIFU具有非侵袭、非电离和治疗后并发症少的优点【12】。高强度聚焦超声在治疗癌症时的潜力有限，多因为超声波的吸收、扩散和反射的原因。Pascal Ramaekers等人【13】和 Chengzhe Zou等人【14】利用可展开的镶嵌声学阵列，使得进场后的形状穿透人体，从而提高穿透组织的深度。Matthew S Adams等人【15】和 Muhammad Zubair等人【16】为了进一步加强HIFU的深度使用了可展开的圆形环形相控阵探头。通过动态调整治疗深度来增加可实现的焦点增益和穿透深度，从而增强基于微创超声的干预。目前在运用于肝癌的治疗中发现，肋骨对于声波的传到有一定阻碍。主要原因是肋骨吸收声能，导致局部发热和皮肤灼伤。同时，肋骨对相控阵元件的阴影，焦点处的强度降低，由于肋骨的周期性结构，焦点劣化【17.18】。Muhammad Zubair等【19】人通过声学模拟，通过了解肋骨结构影响的超声束型和峰值焦压的变化，并使用换能器相对于肋的肋骨尺寸（肋骨之间的宽度和间距）、位置（各种深度）和对齐（通过肋骨的光束轴和肋间空间）来计算对焦点质量的影响。最终通过建模确定焦点处的峰值强度、旁瓣的强度、旁瓣的数量和位置，肋骨平面的强度。通过数据模型当治疗人员了解肋骨的位置和方向时，可以避免肋骨发热，同时保持焦点质量。

2.3 HIFU对不同疾病的治疗方式的完善

聚焦超声目前大多运用在妇科疾病、消化系统的肿瘤和骨肿瘤较多【20】。但是对于优势病种的治疗的评估、消融边境仍缺乏较为规范化的结果。Dania Zulkifli等人【21】的研究提示可以用更广泛和随机的临床试验来评估HIFU治疗原位乳腺癌，建立准确的消融切缘。MRgFUS被大量运用于神经系统疾病的治疗中，特别是帕金森病的治疗中是非常有前途的治疗方式【22.23】。Xiaoyu Wang等人【24】的研究主要列出大脑不同治疗靶点与缓解症状的关系，有效帮助临床医生确定帕金森病患者的理想治疗靶点。HIFU已成为不适合根治性前列腺切除术的临床局限性前列腺癌患者的替代治疗选择。尽管法国、英国和意大利的医学协会批准HIFU作为前列腺癌的初级和挽救性治疗，但AUA和EAU不推荐其常规使用【25.26】。Francesco Ziglioli【27】等人通过对HIFU治疗前列腺癌的Meta分析后认为，目前还需要具有较长随访期的前瞻性研究和随机对照试验，以正确评估与其他治疗前列腺癌的疗法相比，与HIFU技术相关的副作用和合并症的影响。

3. 结语

HIFU具有广泛的适应症，是一种不可或缺的补充疗法，已成为当前标准治疗的重要替代或辅助手段。HIFU需要与化疗、手术或微创红外技术等其他治疗方法相结合，用于治疗恶性肿瘤。以上技术瓶颈的突破和相关数据模型的运用，可以更加精准的监控治疗区域的组织改变情况，从而提高HIFU在靶组织的治疗精度。总的来说,HIFU治疗技术是目前较为前沿的医学治疗手段，无创、安全、有效的特点被社会广泛接受,但更大规模和多中心的随机研究、治疗参数的选择和设备进一步优化能够使其更被广泛应用和推广。

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