高强度聚焦超声定位损伤大型动物肝脏组织生物学焦域温场分布的实验研究
作者：王芷龙 陈 迅 童 艺 齐家俊 叶方伟 刘 川 阮祥燕 孔繁斌 杜永洪 胡 凯 白 晋 彭兴礼 王文见 伍 烽 邹建中 陈文直 王智彪
单位：400046 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所
关键词：高强度聚焦超声；肝脏组织；生物学焦域；温场分布
中国超声医学杂志990402 摘 要 目的：探讨高强度聚焦超声(HIFU)定位损伤大型动物肝脏组织生物学焦域的温场分布以观察HIFU治疗对焦域周围组织的影响情况。方法：采用重庆医科大学医学超声工程研究所自行研制的HIFU治疗样机(13153W/cm2，3s，5s,10s)对离体牛肝和在体猪肝脏组织进行定位损伤，用微型热偶感温头和热敏探针测定焦域中心及其外围温度。结果：辐照时间越长、焦域越大、焦域中心温度越高，但焦域外缘温升区相同，均为4.5mm。离体牛肝焦域周围组织温度升高的范围较活体猪肝脏组织焦域周围组织温度升高的范围大，活体猪肝脏组织焦域中心的温度可升达91℃，焦域外2.5mm处组织温度正常。提示活体血流的散热，可迅速降低焦域外围组织的温度。结论：HIFU治疗不仅能对深部组织产生定位损伤，而且靶组织相邻的组织相当安全。
, 百拇医药
Study of Temperature Distribution Induced by High Intensity Focused
Ultrasound on Animal Sonicated Liver Tissues
Wang Zhilong,Chen Xun,Tong Yi,et al
Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine of Chongqing
Medical University,Chongqing 400046
ABSTRACT Objective:To study the temperature distribution induced by high intensity focused ultrasound(HIFU)on sonicated experimental animal liver tissue in vitro and in vivo.Methods：Cattle liver in vitro and pig liver in vivo were used for HIFU sonication.Results:The sonicated HIFU centers of both liver tissues were measured,The max temperature at the sonicated center of the pig reached 91℃.while 2.5mm beyond was normal.It indicated that in vivo cooling effect occurred by blood flow.Conclusion:HIFU can selectively destroy deep liver tissues without damage of the adjacent structures.
, 百拇医药
KEY WORDS High intensity focused ultrasound Liver Biological focal field Temperature distribution
Lynn在1942年首次将超声波聚焦，定位作用于实验动物的中枢神经系统并观察其生物学效应。这套实验方法的建立为超声波临床治疗奠定了基础。1997年王智彪〔1〕等根据大量实验结果提出了高强度聚焦超声治疗“生物学焦域”的新概念，并提出了HIFU用于临床治疗的前景取决于①能否对深部组织产生定位损伤；②对靶组织相邻的组织是否安全。我们知道，HIFU定位切除组织的机制主要是高温热效应。而正常组织对热的耐受性一般不超过45℃，最高不超过46℃。故测定HIFU生物学焦域周围的温度可间接推测，其对周围组织的影响情况。由于无创测温技术的限制，目前对HIFU生物学焦域温场分布的资料十分缺乏，国内尚未见报道。本实验以离体牛肝和在体猪肝为研究对象，对上述问题进行初步探讨，为HIFU治疗应用于临床提供实验依据。
, 百拇医药
资料与方法
1.实验动物 贵州小型香猪(由重庆医科大学实验动物中心提供)，新鲜离体牛肝。
2.仪器 GL-1型HIFU治疗系统(重庆医科大学超声医学工程研究所自行研制)：该系统集超声诊断设备和超声治疗设备为一体，治疗系统输出波形及方式为连续正弦波(失真度≤5%)，频率1.6MHz，焦距83mm。声强为13153W/cm2，物理学焦域：1.1mm×1.1mm×3.3mm。
总声功率的检测采用全吸收辐射压力法，根据下列公式进行测定。
W：总声功率，F：作用于靶上的力(N)，C：超声在介质水的传播速度(m/s)，f：焦距，D：压电晶片的银层外径，d:压电晶片的银层内径
, 百拇医药
声场分布如图1、2所示。
(f＝1.6MHz)-6dB带宽1.132mm
图1 实际环状凹面聚焦换能器焦域Y侧向声强分布图
(f＝1.6MHz)-6dB带宽1.4mm
图2 实际环状凹面聚焦换能器焦域X侧向声强分布图
3.循环脱气水标准 含气量小于3ppm。
4.测温系统 ZXJ-8智能数字巡检仪，微型热偶感温头(Φ0.05mm)，热敏探针(Φ0.9mm)。
, 百拇医药
5.实验方法 离体牛肝温场测定：辐照时间3s、5s，将七根感温头(从左到右依次编号为1，2……7)固定在微型固定片上。微型固定片长15mm，宽5mm，高1.5mm，感温头间距1.5mm，感温头前端露出3mm。将固定后的感温头由上至下植入标本牛肝中，感温头头端距超声进面20mm。将植入感温头的牛肝标本固定在实验台的水囊中，通过定位监视装置和多维运动扫描装置将焦域(一个已知空间点)移至第四根感温头头端。把连接感温头的补偿导线与智能数字巡检仪连接，再将数字巡检仪与计算机连接，并通过计算机读数、记录。
在体猪肝脏组织生物学焦域温场测定：小型香猪，禁食16小时，腹腔注射3%戊巴比妥钠麻醉。腹部备皮，脱脂、脱气。超声诊断扫描后确定肝组织深度、大小及与周围组织的关系。将热敏探针分别插入肝脏组织预定靶区及其周围。将焦域移至香猪体内定位的肝组织，由体外进行处理，记录实验数据，然后剖腹探查。
结 果
, 百拇医药 肝脏组织生物学焦域剂量与效应关系：在13153W/cm2平均声强，相同焦距深度条件下，辐照时间与肝脏组织损伤生物学焦域大小成正比，如3s,5s,10s，生物学位域分别为3mm×3mm×7mm，4mm×4mm×9mm和5mm×5mm×7mm。
肝脏组织生物学焦域温场分布见表1和图3。由表1可见：辐照时间越长，焦域中心温升越高(3s时最高温升54.5℃，5s温升65.6℃)，生物学焦域外缘温升区相近。3s、5s辐照，生物学焦域外缘温升区均为4.5mm。
表1 离体牛肝脏组织生物学焦域内温场分布(n＝20，
±s，单位℃) 幅照时间
感 温 头 序 号
1
, 百拇医药
2
3
4
5
6
7
辐照3s温升(Δt)
辐照5s温升(Δt)
1±0.3
4±1.0
8.7±0.2
26.0±3.0
39.5±6.0
, 百拇医药
50.8±6.0
54.5±7.0
65.6±8.0
48.4±5
59.9±7
11.1±1
29.4±3
4.0±0.3
8.4±2.0
在体猪肝脏生物学焦域内温场分布如图3所示：焦域中心温升最高达53℃(基础温度为38℃)，生物学焦域边缘2.5mm处温度降至正常。
, 百拇医药
图3 HIFU体外损伤在体猪肝脏组织
生物学焦域温场分布场
讨 论
HIFU切除组织的主要机制为高温热效应，要检测HIFU治疗的有效性和安全性，靶区及其相邻组织和温升情况至关重要。其温度测量方法是学者们正在积极探讨的一个重要课题。Clarker等〔2〕将热敏电偶置入焦点处，发现当组织温度升至50℃左右，升温加速。达到高温点后，可见组织特征出现明显的不可逆的变化，与蛋白质变性相对应。Clarker只对焦点处温度进行了测量。Bihrle等〔3〕在采用HIFU直肠探头治疗前列腺肥大患者时，将热敏电偶经会阴插入前列腺周围，结果10例患者中，9例没有明显温度升高，一例患者出现一个瞬态的17℃的温升。没有一例患者出现与前列腺周边加热有关的并发症。但距焦域多大距离组织温度不升高或升高在组织所耐受的范围内，这一问题是临床工作者极关注的问题，也是制定临床治疗方案所需要的重要资料。也有学者〔4〕试图用HIFU引起的组织温度变化可使经过加热组织的回波出现改变的原理来估计组织的温度。但这一方法还受很多条件限制，仍处于探讨之中。作者采用微型热偶感温头和热敏探针测定了离体牛肝和在体猪肝焦域内及焦域周围的温度。结果发现：焦域中心的温度最高，温升可达53℃。此温度完全可使细胞蛋白质变性，靶区组织达到凝固性坏死的目的，在离体肝组织中，在一定声强下，辐照时间越长、焦域中心温度越高、生物学焦域亦越大，但焦域外缘温升区大致相同(均为4.5mm)，这与HIFU的聚焦特性有关，解剖及病理学检查亦证实损伤组织与其周围正常组织分界线清楚(图4)。在活体肝组织中，距焦域外围2.5mm处，温度正常。活体组织温升区较离体组织窄，可能是活体组织通过靶区周围血流散热所致。结果提示：HIFU可有效地定位损伤靶区组织，其周围组织不受影响或影响较小。
, http://www.100md.com
图左为正常结构部分肝小叶；图右为损伤肝小叶、肝细胞索结构破坏、细胞核固缩淡染HE×100
图4 在体猪肝HIFU损伤即刻损伤区与正常组织交界处
本项目受“九五”国家重点科技攻关项目基金(基金号：96-905-02-01)资助。
参考文献
[1]王智彪，伍 烽，王芷龙，等.高强度聚焦超声对香猪肝脏组织定位损伤的研究.中国超声医学杂志，1997，13(2)：1～3
[2]Clarker RL,ter Haar GR.Temperature rise recorded during lesion formation by high-intensity focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1997,23(2):299～306
, 百拇医药
[3]Bihrle R,Foster RS,Sanghvi NT,et al.High intensity focused ultrasound for the treatment of benign prostatic hyperplasia:Early united states clinical experience.Copyrigh 1994 by American Urological Association,INC,J Urology，151:1271～1275
[4]Maass-Moreno K,Damianou CA.Noninvasive temperature estimation in tissue via ultrasound echo-shifts.Part 1 Analytical Model.J Acoust Soc Am,1996,100:2514～2521
(1998-09-21收稿), 百拇医药
单位：400046 重庆市重庆医科大学医学超声工程研究所
关键词：高强度聚焦超声；肝脏组织；生物学焦域；温场分布
中国超声医学杂志990402 摘 要 目的：探讨高强度聚焦超声(HIFU)定位损伤大型动物肝脏组织生物学焦域的温场分布以观察HIFU治疗对焦域周围组织的影响情况。方法：采用重庆医科大学医学超声工程研究所自行研制的HIFU治疗样机(13153W/cm2，3s，5s,10s)对离体牛肝和在体猪肝脏组织进行定位损伤，用微型热偶感温头和热敏探针测定焦域中心及其外围温度。结果：辐照时间越长、焦域越大、焦域中心温度越高，但焦域外缘温升区相同，均为4.5mm。离体牛肝焦域周围组织温度升高的范围较活体猪肝脏组织焦域周围组织温度升高的范围大，活体猪肝脏组织焦域中心的温度可升达91℃，焦域外2.5mm处组织温度正常。提示活体血流的散热，可迅速降低焦域外围组织的温度。结论：HIFU治疗不仅能对深部组织产生定位损伤，而且靶组织相邻的组织相当安全。
, 百拇医药
Study of Temperature Distribution Induced by High Intensity Focused
Ultrasound on Animal Sonicated Liver Tissues
Wang Zhilong,Chen Xun,Tong Yi,et al
Institute of Ultrasonic Engineering in Medicine of Chongqing
Medical University,Chongqing 400046
ABSTRACT Objective:To study the temperature distribution induced by high intensity focused ultrasound(HIFU)on sonicated experimental animal liver tissue in vitro and in vivo.Methods：Cattle liver in vitro and pig liver in vivo were used for HIFU sonication.Results:The sonicated HIFU centers of both liver tissues were measured,The max temperature at the sonicated center of the pig reached 91℃.while 2.5mm beyond was normal.It indicated that in vivo cooling effect occurred by blood flow.Conclusion:HIFU can selectively destroy deep liver tissues without damage of the adjacent structures.
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KEY WORDS High intensity focused ultrasound Liver Biological focal field Temperature distribution
Lynn在1942年首次将超声波聚焦，定位作用于实验动物的中枢神经系统并观察其生物学效应。这套实验方法的建立为超声波临床治疗奠定了基础。1997年王智彪〔1〕等根据大量实验结果提出了高强度聚焦超声治疗“生物学焦域”的新概念，并提出了HIFU用于临床治疗的前景取决于①能否对深部组织产生定位损伤；②对靶组织相邻的组织是否安全。我们知道，HIFU定位切除组织的机制主要是高温热效应。而正常组织对热的耐受性一般不超过45℃，最高不超过46℃。故测定HIFU生物学焦域周围的温度可间接推测，其对周围组织的影响情况。由于无创测温技术的限制，目前对HIFU生物学焦域温场分布的资料十分缺乏，国内尚未见报道。本实验以离体牛肝和在体猪肝为研究对象，对上述问题进行初步探讨，为HIFU治疗应用于临床提供实验依据。
, 百拇医药
资料与方法
1.实验动物 贵州小型香猪(由重庆医科大学实验动物中心提供)，新鲜离体牛肝。
2.仪器 GL-1型HIFU治疗系统(重庆医科大学超声医学工程研究所自行研制)：该系统集超声诊断设备和超声治疗设备为一体，治疗系统输出波形及方式为连续正弦波(失真度≤5%)，频率1.6MHz，焦距83mm。声强为13153W/cm2，物理学焦域：1.1mm×1.1mm×3.3mm。
总声功率的检测采用全吸收辐射压力法，根据下列公式进行测定。
W：总声功率，F：作用于靶上的力(N)，C：超声在介质水的传播速度(m/s)，f：焦距，D：压电晶片的银层外径，d:压电晶片的银层内径
, 百拇医药
声场分布如图1、2所示。
(f＝1.6MHz)-6dB带宽1.132mm
图1 实际环状凹面聚焦换能器焦域Y侧向声强分布图
(f＝1.6MHz)-6dB带宽1.4mm
图2 实际环状凹面聚焦换能器焦域X侧向声强分布图
3.循环脱气水标准 含气量小于3ppm。
4.测温系统 ZXJ-8智能数字巡检仪，微型热偶感温头(Φ0.05mm)，热敏探针(Φ0.9mm)。
, 百拇医药
5.实验方法 离体牛肝温场测定：辐照时间3s、5s，将七根感温头(从左到右依次编号为1，2……7)固定在微型固定片上。微型固定片长15mm，宽5mm，高1.5mm，感温头间距1.5mm，感温头前端露出3mm。将固定后的感温头由上至下植入标本牛肝中，感温头头端距超声进面20mm。将植入感温头的牛肝标本固定在实验台的水囊中，通过定位监视装置和多维运动扫描装置将焦域(一个已知空间点)移至第四根感温头头端。把连接感温头的补偿导线与智能数字巡检仪连接，再将数字巡检仪与计算机连接，并通过计算机读数、记录。
在体猪肝脏组织生物学焦域温场测定：小型香猪，禁食16小时，腹腔注射3%戊巴比妥钠麻醉。腹部备皮，脱脂、脱气。超声诊断扫描后确定肝组织深度、大小及与周围组织的关系。将热敏探针分别插入肝脏组织预定靶区及其周围。将焦域移至香猪体内定位的肝组织，由体外进行处理，记录实验数据，然后剖腹探查。
结 果
, 百拇医药 肝脏组织生物学焦域剂量与效应关系：在13153W/cm2平均声强，相同焦距深度条件下，辐照时间与肝脏组织损伤生物学焦域大小成正比，如3s,5s,10s，生物学位域分别为3mm×3mm×7mm，4mm×4mm×9mm和5mm×5mm×7mm。
肝脏组织生物学焦域温场分布见表1和图3。由表1可见：辐照时间越长，焦域中心温升越高(3s时最高温升54.5℃，5s温升65.6℃)，生物学焦域外缘温升区相近。3s、5s辐照，生物学焦域外缘温升区均为4.5mm。
表1 离体牛肝脏组织生物学焦域内温场分布(n＝20，
±s，单位℃) 幅照时间感 温 头 序 号
1
, 百拇医药
2
3
4
5
6
7
辐照3s温升(Δt)
辐照5s温升(Δt)
1±0.3
4±1.0
8.7±0.2
26.0±3.0
39.5±6.0
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50.8±6.0
54.5±7.0
65.6±8.0
48.4±5
59.9±7
11.1±1
29.4±3
4.0±0.3
8.4±2.0
在体猪肝脏生物学焦域内温场分布如图3所示：焦域中心温升最高达53℃(基础温度为38℃)，生物学焦域边缘2.5mm处温度降至正常。
, 百拇医药
图3 HIFU体外损伤在体猪肝脏组织
生物学焦域温场分布场
讨 论
HIFU切除组织的主要机制为高温热效应，要检测HIFU治疗的有效性和安全性，靶区及其相邻组织和温升情况至关重要。其温度测量方法是学者们正在积极探讨的一个重要课题。Clarker等〔2〕将热敏电偶置入焦点处，发现当组织温度升至50℃左右，升温加速。达到高温点后，可见组织特征出现明显的不可逆的变化，与蛋白质变性相对应。Clarker只对焦点处温度进行了测量。Bihrle等〔3〕在采用HIFU直肠探头治疗前列腺肥大患者时，将热敏电偶经会阴插入前列腺周围，结果10例患者中，9例没有明显温度升高，一例患者出现一个瞬态的17℃的温升。没有一例患者出现与前列腺周边加热有关的并发症。但距焦域多大距离组织温度不升高或升高在组织所耐受的范围内，这一问题是临床工作者极关注的问题，也是制定临床治疗方案所需要的重要资料。也有学者〔4〕试图用HIFU引起的组织温度变化可使经过加热组织的回波出现改变的原理来估计组织的温度。但这一方法还受很多条件限制，仍处于探讨之中。作者采用微型热偶感温头和热敏探针测定了离体牛肝和在体猪肝焦域内及焦域周围的温度。结果发现：焦域中心的温度最高，温升可达53℃。此温度完全可使细胞蛋白质变性，靶区组织达到凝固性坏死的目的，在离体肝组织中，在一定声强下，辐照时间越长、焦域中心温度越高、生物学焦域亦越大，但焦域外缘温升区大致相同(均为4.5mm)，这与HIFU的聚焦特性有关，解剖及病理学检查亦证实损伤组织与其周围正常组织分界线清楚(图4)。在活体肝组织中，距焦域外围2.5mm处，温度正常。活体组织温升区较离体组织窄，可能是活体组织通过靶区周围血流散热所致。结果提示：HIFU可有效地定位损伤靶区组织，其周围组织不受影响或影响较小。
, http://www.100md.com
图左为正常结构部分肝小叶；图右为损伤肝小叶、肝细胞索结构破坏、细胞核固缩淡染HE×100
图4 在体猪肝HIFU损伤即刻损伤区与正常组织交界处
本项目受“九五”国家重点科技攻关项目基金(基金号：96-905-02-01)资助。
参考文献
[1]王智彪，伍 烽，王芷龙，等.高强度聚焦超声对香猪肝脏组织定位损伤的研究.中国超声医学杂志，1997，13(2)：1～3
[2]Clarker RL,ter Haar GR.Temperature rise recorded during lesion formation by high-intensity focused ultrasound.Ultrasound Med Biol,1997,23(2):299～306
, 百拇医药
[3]Bihrle R,Foster RS,Sanghvi NT,et al.High intensity focused ultrasound for the treatment of benign prostatic hyperplasia:Early united states clinical experience.Copyrigh 1994 by American Urological Association,INC,J Urology，151:1271～1275
[4]Maass-Moreno K,Damianou CA.Noninvasive temperature estimation in tissue via ultrasound echo-shifts.Part 1 Analytical Model.J Acoust Soc Am,1996,100:2514～2521
(1998-09-21收稿), 百拇医药