高强度聚焦超声对人乳癌组织定位损伤的初步观察
作者：刘长安 白晋 伍烽 邹建中 刘川 涂刚 杜永洪 王芷龙 陈迅 刘渝根 叶方伟 王智彪 王志刚
单位：400046 重庆医科大学医学超声工程研究所
关键词：超声描记术；人乳癌组织；定位损伤
中华超声影像学杂志/980413 摘 要 通过高强度聚集超声(HIFU)对离体人乳癌组织的超声定位损伤研究， 旨在探讨HIFU对治疗乳癌的可行性和有效性。 研究结果表明HIFU能准确定位损伤乳癌组织， 能有效破坏焦域内乳癌细胞， 对周围组织较为安全， 初步展示出HIFU治疗人乳癌的临床前景。
Primary Observations of High-intensity Focused Ultrasound Used in Causing Localized Lesion to Human Breast Tumor Tissues Liu changan, Bai Jin, Wu Feng,et al. Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine, Chongqing Medical University 400046
, http://www.100md.com
Abstract This article, based on observations of high-intensity focused ultrasound(HIFU) utilized in bringing localized lesion in vitro human breast tumor tissues, is intended to explore the feasibility and effectiveness of using HIFU as a therapy for human breast cancer. The results reveal that HIFU is competent in damaging precisely the target tumor tissues and disrupting their cellular structure in the focal region. Tissues around remain undamaged. It shows the potentiality of employing HIFU in the treatment of human breast cancer.
, 百拇医药
Key words ultrasonography human breast tumor tissue localized lesion
高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound, HIFU)是近年来发展起来的一种局部高温治疗肿瘤的新技术。 目前HIFU治疗肿瘤大多数仍处于实验探索阶段。 本研究应用重庆医科大学医学超声工程研究所设计和研制的HIFU治疗系统样机， 对离体人乳癌组织进行定位损伤的初步实验观察， 旨在探讨HIFU治疗乳癌的可行性和有效性。
资 料 与 方 法
一、 实验标本来源
全部标本均取材于经病理学证实的人乳癌组织。 共16例标本， 其中浸润性导管癌5例、 浸润性小叶癌4例、 腺癌3例、 粉刺样癌2例、 混合性浸润性腺癌2例。
, 百拇医药
二、 HIFU治疗系统样机
HIFU治疗系统样机由重庆医科大学医学超声工程研究所设计和研制。 该机由五部分组成： ①功率发生源： 提供电功率连续波输出； ②B超诊断及定位装置： CTS-315型B超仪； ③组合探头： 由治疗探头和显像探头组合而成， 它能准确地定位焦域的空间位置。 显像探头频率3.5 MHz， 机械扇扫。 治疗探头的物理学焦域为1.8×1.8×4 mm大小， 焦距78 mm， 工作频率1.6 MHz， 最大声强为5800 W/cm2， 治疗用超声声强及聚焦焦域大小均经检测[1]； ④组合探头运动控制装置： 由三维直角座标及一维转动座标构成， 能调整焦域在组织中的深度及进入组织的方向； ⑤治疗床及声耦合装置。
三、 实验方法
1. 标本取材： 将乳癌根治术切除的癌组织标本立即放入盛有生理盐水的冰桶中保存。 16例乳腺癌组织块平均直径约4 cm。 肉眼观察癌组织呈灰白色， 质地坚硬而致密， 与正常组织边界较清楚。 全部乳癌组织离体后至实验时间约1小时20分钟。
, 百拇医药
2. HIFU定点辐照过程： 将乳腺癌组织块置于治疗床中声耦合剂表面， 模拟临床治疗过程， 超声波经皮肤、 皮下组织及乳腺正常结构汇聚于乳癌组织内。 按实验要求， 在典型的癌块声像图中， 取直径10 mm大小的范围作为靶区或定点辐照区， 并采集该处声像图作为治疗前的对照。 在声像图的监控下， 把焦域移至靶区中央， 随即启动HIFU治疗系统， 辐照采用连续超声波， 靶区声强为5800 W/cm2， 辐照时间为10秒钟， 每例均为单次照射。 治毕， 即刻采集辐照后的声像图， 并与治疗前的声像图进行对比性观察， 通过其回声强度变化来确定HIFU定点辐照癌组织后损伤的范围和准确性， 与辐照后的癌组织肉眼实际测量的损伤范围进行比较。
3. 组织学观察： HIFU辐照后即刻切取治疗区焦域中心及边缘的癌组织置入10%中性甲醛中固定， 常规石蜡包埋、 切片、 HE染色。
结 果
, 百拇医药 一、 HIFU辐照前后声像图表现
16例乳腺癌组织， 辐照前的声像图均表现为团状低回声。 定点辐照10秒钟后， 声像图上显示靶区回声增强， 呈约15 mm×12.5 mm大小的团状强回声(平均值)。 最大切面测量的截面积(平均值)为106.375±26.795 mm2(图1)。
二、 HIFU辐照后肉眼观察情况
16例乳腺癌组织， 在辐照10秒钟后， 可见到癌组织中的凝固性坏死灶或损伤灶， 呈灰白色， 边界清楚， 直径约10 mm×10 mm大小(平均值)， 最大切面的截面积为104.500±18.206 mm2(平均值)， 与声像图上截面积比较， 两者间无显著性差异(P值>0.05)。 表明损伤区实测大小与声像图上所测的损伤区域大小基本相符(图2)。
三、 皮肤损伤情况
, 百拇医药
本实验16例标本中， 带有皮肤的癌组织块13例。 辐照后皮肤受损5例， 其中3例辐照前皮肤已有桔皮样变， 辐照后表现局部皮肤收缩， 质地变硬。 皮肤受损的另2例因术中切取的皮肤很少， 离体后即变为一条索状， 明显皱缩， 辐照后表现局部皮肤发白、 增厚、 质硬。
四、 组织学变化
16例标本组织学变化均表现为： HE染色， 低倍镜下HIFU辐照处癌巢与间质的间隙显著扩大， 与未受辐照的癌组织间分界清楚， 可见一明显的过渡带(图3)。 高倍镜下见辐照区域癌巢中的细胞浆内有较多的空泡样结构， 部分细胞界限不清，多数细胞核出现核固缩， 少数细胞可见核碎片(图4)。 16例标本组织学改变均表明其损伤程度为癌组织的不可逆性坏死。
讨 论
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤， 对其治疗主要采用乳癌根治术或放疗、 化疗等。 自1894年乳癌根治术问世后， 百余年来， 手术经历了从标准根治术、 扩大根治术到简化根治术等不同的阶段。 随着对乳癌发生发展认识的不断深化及放射技术的发展， 近年来主张对早期乳腺癌采用保守性乳房切除术或单纯放射治疗， 以满足患者既治疗疾病又保留美容的愿望[2，3]。 但前者仍需切皮， 且难免有不同程度的损伤。 后者总照射量很大， 疗程长， 患者常因副作用大不能耐受治疗。 HIFU是近年来发展起来的局部治疗肿瘤的新技术， 它将低强度的超声波汇集于体内组织某一靶区， 在极短时间内， 使靶区超声波能量集中， 温度急骤升高， 从而对靶区组织直接起破坏作用， 而对靶区周围正常组织不损伤或损伤较小[4～6]。 因而HIFU可望成为一种在无需切开皮肤的情况下， 体外即可局部治疗乳癌的新技术。 但迄今为止， HIFU直接破坏乳癌组织的实验研究国内外未见报道。 本研究拟先从HIFU定点损伤离体乳癌组织入手， 探索HIFU治疗乳癌的可行性和有效性。
, 百拇医药
本文对离体乳癌定点损伤的研究结果显示： B超能准确引导焦域击中靶区， 通过声像图上回声增强和损伤范围测量与肉眼观察及病理对照， 证明B超不但能准确定位， 还能行之有效地判断靶区损伤范围， 为HIFU技术在临床上的安全应用奠定了基础。
16例在声像图上均能见到强团状回声， 经组织病理切片见癌巢与间质间隙显著扩大， 与未受到辐照的区域内有一清楚的过渡带。 高倍镜下见辐照区癌巢细胞形成大的空泡， 核明显固缩， 并见部分细胞核崩解成碎片， 这表明通过HIFU处理的区域， 其损伤程度为乳癌组织的不可逆性坏死。
HIFU局部治疗肿瘤， 皮肤是否受损是人们关心的问题。 皮肤损伤也是常见的并发症。 Wayne[7]等认为皮肤受损主要与能量大小有关， 声强大于500 W/cm2可导致皮肤受损。 本文研究发现提高声强会导致皮肤损伤的情况并不多见。 13例带有皮肤的癌组织块， 仅5例皮肤损伤。 与Wayne的研究结果比较， 本实验皮肤损伤的发生率较低， 这可能与下列因素有关： ①治疗探头聚焦性能的改进； ②声耦合剂的特殊处理；③实验标本的特殊处理。 此外， 我们认为皮肤的原有病理改变可能是皮肤容易受损的重要原因之一， 因本实验皮肤损伤的5例， 3例皮肤原有桔皮样改变者均受损， 推测起来， 可能为皮内和皮下淋巴管被癌细胞堵塞引起局部淋巴水肿等原因所致。
, 百拇医药
HIFU对肿瘤组织的作用机制主要体现在两个方面： ①高热效应。 局部肿瘤组织温度骤升达70℃以上， 使细胞内蛋白质迅速出现凝固， 引起肿瘤细胞的不可逆性坏死。 ②空化效应。 通过使气泡的强烈膨胀和萎缩运动， 使肿瘤细胞产生机械性破坏[8]。 本研究HIFU辐照乳癌组织后立即取材， 光镜下亦见癌巢中癌细胞浆内有较多空泡样结构， 这与国内外学者的描述相似。 有关HIFU的作用机制尚不完全明了， 仍存在诸多问题， 还有待进一步研究。
通过HIFU对离体人乳癌组织定位损伤研究的结果显示， HIFU能有效地破坏肿瘤组织， 加之配有B超的准确引导和实时疗效的监控， 故能准确有效地破坏焦点处癌组织， 而对周围组织损伤较少， 因而HIFU可望成为一种既不切开皮肤又能选择性只破坏乳癌组织的物理治疗新技术， 初步展示出HIFU治疗乳癌的临床应用前景。
, http://www.100md.com 图1 HIFU辐照前后声像图表现(声强5800W/cm2,1.6MHZ作用时间10秒 1.作用前 2.作用后);
图2 HIFU辐照后癌组织肉眼观察情况(上箭头示作用时间10秒);
图3 HIFU辐照后乳癌组织的病理照片(左 未辐照区 右 辐照区 HE染色4×10);
图4 HIFU辐照后乳癌组织的病理照片(HE染色20×10)
参 考 文 献
1王智彪. 高强度聚焦超声致香猪胚胎急性不可逆损伤的电生理和形态学研究. 重庆医科大学学报， 1996，21(3)∶188.
2曹月敏，王国佩. 乳腺外科学. 河北： 河北科学技术出版社， 1991∶249.
, http://www.100md.com
3徐开林. 乳腺疾病影像诊断与治疗学. 上海： 上海科技教育出版社， 1996∶292.
4Sanghvi NT, Hawes RH. High-intensity focused ultrasound. Gastrointest Endosc Clin N Am， 1994,4∶383.
5Haar GT, Rivens I, Chen L, et al. High-intensity focused ultrasound for treatment of rat tumours. Phys Med Biol, 1991,36∶1495.
6Yang R, Relly CR, Rescorla FJ, et al. High-intensity focused ultrasound in the treatment of experimental liver cancer. Arch Surg, 1991,126∶1002.
, 百拇医药
7Wayne B. Evaluation of high-intensity therapeutic ultrasound irradiation in the treatment of experimental hepatoma. J Pediatr Surg, 1989,24(1)∶30.
8Sibille A, Prat F, Chapelon JY, et al. Extracorporeal ablation of liver tissue by high-intensity focused ultrasound. Oncology, 1993,50∶375.
本课题获“九五”国家重点科技攻关项目资助(编号：96-905-02-0)(收稿 1997-11-11 修回 1998-06-02), 百拇医药
单位：400046 重庆医科大学医学超声工程研究所
关键词：超声描记术；人乳癌组织；定位损伤
中华超声影像学杂志/980413 摘 要 通过高强度聚集超声(HIFU)对离体人乳癌组织的超声定位损伤研究， 旨在探讨HIFU对治疗乳癌的可行性和有效性。 研究结果表明HIFU能准确定位损伤乳癌组织， 能有效破坏焦域内乳癌细胞， 对周围组织较为安全， 初步展示出HIFU治疗人乳癌的临床前景。
Primary Observations of High-intensity Focused Ultrasound Used in Causing Localized Lesion to Human Breast Tumor Tissues Liu changan, Bai Jin, Wu Feng,et al. Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine, Chongqing Medical University 400046
, http://www.100md.com
Abstract This article, based on observations of high-intensity focused ultrasound(HIFU) utilized in bringing localized lesion in vitro human breast tumor tissues, is intended to explore the feasibility and effectiveness of using HIFU as a therapy for human breast cancer. The results reveal that HIFU is competent in damaging precisely the target tumor tissues and disrupting their cellular structure in the focal region. Tissues around remain undamaged. It shows the potentiality of employing HIFU in the treatment of human breast cancer.
, 百拇医药
Key words ultrasonography human breast tumor tissue localized lesion
高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound, HIFU)是近年来发展起来的一种局部高温治疗肿瘤的新技术。 目前HIFU治疗肿瘤大多数仍处于实验探索阶段。 本研究应用重庆医科大学医学超声工程研究所设计和研制的HIFU治疗系统样机， 对离体人乳癌组织进行定位损伤的初步实验观察， 旨在探讨HIFU治疗乳癌的可行性和有效性。
资 料 与 方 法
一、 实验标本来源
全部标本均取材于经病理学证实的人乳癌组织。 共16例标本， 其中浸润性导管癌5例、 浸润性小叶癌4例、 腺癌3例、 粉刺样癌2例、 混合性浸润性腺癌2例。
, 百拇医药
二、 HIFU治疗系统样机
HIFU治疗系统样机由重庆医科大学医学超声工程研究所设计和研制。 该机由五部分组成： ①功率发生源： 提供电功率连续波输出； ②B超诊断及定位装置： CTS-315型B超仪； ③组合探头： 由治疗探头和显像探头组合而成， 它能准确地定位焦域的空间位置。 显像探头频率3.5 MHz， 机械扇扫。 治疗探头的物理学焦域为1.8×1.8×4 mm大小， 焦距78 mm， 工作频率1.6 MHz， 最大声强为5800 W/cm2， 治疗用超声声强及聚焦焦域大小均经检测[1]； ④组合探头运动控制装置： 由三维直角座标及一维转动座标构成， 能调整焦域在组织中的深度及进入组织的方向； ⑤治疗床及声耦合装置。
三、 实验方法
1. 标本取材： 将乳癌根治术切除的癌组织标本立即放入盛有生理盐水的冰桶中保存。 16例乳腺癌组织块平均直径约4 cm。 肉眼观察癌组织呈灰白色， 质地坚硬而致密， 与正常组织边界较清楚。 全部乳癌组织离体后至实验时间约1小时20分钟。
, 百拇医药
2. HIFU定点辐照过程： 将乳腺癌组织块置于治疗床中声耦合剂表面， 模拟临床治疗过程， 超声波经皮肤、 皮下组织及乳腺正常结构汇聚于乳癌组织内。 按实验要求， 在典型的癌块声像图中， 取直径10 mm大小的范围作为靶区或定点辐照区， 并采集该处声像图作为治疗前的对照。 在声像图的监控下， 把焦域移至靶区中央， 随即启动HIFU治疗系统， 辐照采用连续超声波， 靶区声强为5800 W/cm2， 辐照时间为10秒钟， 每例均为单次照射。 治毕， 即刻采集辐照后的声像图， 并与治疗前的声像图进行对比性观察， 通过其回声强度变化来确定HIFU定点辐照癌组织后损伤的范围和准确性， 与辐照后的癌组织肉眼实际测量的损伤范围进行比较。
3. 组织学观察： HIFU辐照后即刻切取治疗区焦域中心及边缘的癌组织置入10%中性甲醛中固定， 常规石蜡包埋、 切片、 HE染色。
结 果
, 百拇医药 一、 HIFU辐照前后声像图表现
16例乳腺癌组织， 辐照前的声像图均表现为团状低回声。 定点辐照10秒钟后， 声像图上显示靶区回声增强， 呈约15 mm×12.5 mm大小的团状强回声(平均值)。 最大切面测量的截面积(平均值)为106.375±26.795 mm2(图1)。
二、 HIFU辐照后肉眼观察情况
16例乳腺癌组织， 在辐照10秒钟后， 可见到癌组织中的凝固性坏死灶或损伤灶， 呈灰白色， 边界清楚， 直径约10 mm×10 mm大小(平均值)， 最大切面的截面积为104.500±18.206 mm2(平均值)， 与声像图上截面积比较， 两者间无显著性差异(P值>0.05)。 表明损伤区实测大小与声像图上所测的损伤区域大小基本相符(图2)。
三、 皮肤损伤情况
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本实验16例标本中， 带有皮肤的癌组织块13例。 辐照后皮肤受损5例， 其中3例辐照前皮肤已有桔皮样变， 辐照后表现局部皮肤收缩， 质地变硬。 皮肤受损的另2例因术中切取的皮肤很少， 离体后即变为一条索状， 明显皱缩， 辐照后表现局部皮肤发白、 增厚、 质硬。
四、 组织学变化
16例标本组织学变化均表现为： HE染色， 低倍镜下HIFU辐照处癌巢与间质的间隙显著扩大， 与未受辐照的癌组织间分界清楚， 可见一明显的过渡带(图3)。 高倍镜下见辐照区域癌巢中的细胞浆内有较多的空泡样结构， 部分细胞界限不清，多数细胞核出现核固缩， 少数细胞可见核碎片(图4)。 16例标本组织学改变均表明其损伤程度为癌组织的不可逆性坏死。
讨 论
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤， 对其治疗主要采用乳癌根治术或放疗、 化疗等。 自1894年乳癌根治术问世后， 百余年来， 手术经历了从标准根治术、 扩大根治术到简化根治术等不同的阶段。 随着对乳癌发生发展认识的不断深化及放射技术的发展， 近年来主张对早期乳腺癌采用保守性乳房切除术或单纯放射治疗， 以满足患者既治疗疾病又保留美容的愿望[2，3]。 但前者仍需切皮， 且难免有不同程度的损伤。 后者总照射量很大， 疗程长， 患者常因副作用大不能耐受治疗。 HIFU是近年来发展起来的局部治疗肿瘤的新技术， 它将低强度的超声波汇集于体内组织某一靶区， 在极短时间内， 使靶区超声波能量集中， 温度急骤升高， 从而对靶区组织直接起破坏作用， 而对靶区周围正常组织不损伤或损伤较小[4～6]。 因而HIFU可望成为一种在无需切开皮肤的情况下， 体外即可局部治疗乳癌的新技术。 但迄今为止， HIFU直接破坏乳癌组织的实验研究国内外未见报道。 本研究拟先从HIFU定点损伤离体乳癌组织入手， 探索HIFU治疗乳癌的可行性和有效性。
, 百拇医药
本文对离体乳癌定点损伤的研究结果显示： B超能准确引导焦域击中靶区， 通过声像图上回声增强和损伤范围测量与肉眼观察及病理对照， 证明B超不但能准确定位， 还能行之有效地判断靶区损伤范围， 为HIFU技术在临床上的安全应用奠定了基础。
16例在声像图上均能见到强团状回声， 经组织病理切片见癌巢与间质间隙显著扩大， 与未受到辐照的区域内有一清楚的过渡带。 高倍镜下见辐照区癌巢细胞形成大的空泡， 核明显固缩， 并见部分细胞核崩解成碎片， 这表明通过HIFU处理的区域， 其损伤程度为乳癌组织的不可逆性坏死。
HIFU局部治疗肿瘤， 皮肤是否受损是人们关心的问题。 皮肤损伤也是常见的并发症。 Wayne[7]等认为皮肤受损主要与能量大小有关， 声强大于500 W/cm2可导致皮肤受损。 本文研究发现提高声强会导致皮肤损伤的情况并不多见。 13例带有皮肤的癌组织块， 仅5例皮肤损伤。 与Wayne的研究结果比较， 本实验皮肤损伤的发生率较低， 这可能与下列因素有关： ①治疗探头聚焦性能的改进； ②声耦合剂的特殊处理；③实验标本的特殊处理。 此外， 我们认为皮肤的原有病理改变可能是皮肤容易受损的重要原因之一， 因本实验皮肤损伤的5例， 3例皮肤原有桔皮样改变者均受损， 推测起来， 可能为皮内和皮下淋巴管被癌细胞堵塞引起局部淋巴水肿等原因所致。
, 百拇医药
HIFU对肿瘤组织的作用机制主要体现在两个方面： ①高热效应。 局部肿瘤组织温度骤升达70℃以上， 使细胞内蛋白质迅速出现凝固， 引起肿瘤细胞的不可逆性坏死。 ②空化效应。 通过使气泡的强烈膨胀和萎缩运动， 使肿瘤细胞产生机械性破坏[8]。 本研究HIFU辐照乳癌组织后立即取材， 光镜下亦见癌巢中癌细胞浆内有较多空泡样结构， 这与国内外学者的描述相似。 有关HIFU的作用机制尚不完全明了， 仍存在诸多问题， 还有待进一步研究。
通过HIFU对离体人乳癌组织定位损伤研究的结果显示， HIFU能有效地破坏肿瘤组织， 加之配有B超的准确引导和实时疗效的监控， 故能准确有效地破坏焦点处癌组织， 而对周围组织损伤较少， 因而HIFU可望成为一种既不切开皮肤又能选择性只破坏乳癌组织的物理治疗新技术， 初步展示出HIFU治疗乳癌的临床应用前景。
, http://www.100md.com 图1 HIFU辐照前后声像图表现(声强5800W/cm2,1.6MHZ作用时间10秒 1.作用前 2.作用后);
图2 HIFU辐照后癌组织肉眼观察情况(上箭头示作用时间10秒);
图3 HIFU辐照后乳癌组织的病理照片(左 未辐照区 右 辐照区 HE染色4×10);
图4 HIFU辐照后乳癌组织的病理照片(HE染色20×10)
参 考 文 献
1王智彪. 高强度聚焦超声致香猪胚胎急性不可逆损伤的电生理和形态学研究. 重庆医科大学学报， 1996，21(3)∶188.
2曹月敏，王国佩. 乳腺外科学. 河北： 河北科学技术出版社， 1991∶249.
, http://www.100md.com
3徐开林. 乳腺疾病影像诊断与治疗学. 上海： 上海科技教育出版社， 1996∶292.
4Sanghvi NT, Hawes RH. High-intensity focused ultrasound. Gastrointest Endosc Clin N Am， 1994,4∶383.
5Haar GT, Rivens I, Chen L, et al. High-intensity focused ultrasound for treatment of rat tumours. Phys Med Biol, 1991,36∶1495.
6Yang R, Relly CR, Rescorla FJ, et al. High-intensity focused ultrasound in the treatment of experimental liver cancer. Arch Surg, 1991,126∶1002.
, 百拇医药
7Wayne B. Evaluation of high-intensity therapeutic ultrasound irradiation in the treatment of experimental hepatoma. J Pediatr Surg, 1989,24(1)∶30.
8Sibille A, Prat F, Chapelon JY, et al. Extracorporeal ablation of liver tissue by high-intensity focused ultrasound. Oncology, 1993,50∶375.
本课题获“九五”国家重点科技攻关项目资助(编号：96-905-02-0)(收稿 1997-11-11 修回 1998-06-02), 百拇医药