高強度聚焦超聲周邊三維消融模式的實驗研究.pdf

1、背景與目的:
　　惡性腫瘤已成為嚴重威脅人民生命健康的疾病，發(fā)展具有靶向性、特異性殺滅腫瘤，而對正常組織和機體影響小、甚至無創(chuàng)性治療腫瘤的方法是醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要方向。大量的基礎(chǔ)研究及臨床試驗表明，高強度聚焦超聲(high-intensity focused ultrasound，HIFU)技術(shù)可將低能量的超聲波在靶區(qū)內(nèi)聚焦，通過焦點處的高能量對組織細胞迅速產(chǎn)生不可逆的凝固性壞死，從而達到無創(chuàng)消融腫瘤的目的。近年來，HIFU對肝癌、前

2、列腺癌、乳腺癌、胰腺癌、惡性骨腫瘤及腎癌等實體腫瘤的熱消融取得了較好的療效。HIFU技術(shù)由于無創(chuàng)、定位精確、適形消融、穿透力較深、無電離輻射、不增加惡性腫瘤轉(zhuǎn)移的風(fēng)險及能增強宿主的抗腫瘤免疫反應(yīng)等特點，臨床應(yīng)用價值較高。
　　聚焦超聲輻照形成的焦域(focal region)較小，通常為毫米級。目前臨床治療的傳統(tǒng)模式以“點-線-面-體”的組合方式直至完全覆蓋整個腫瘤。當(dāng)HIFU消融大體積腫瘤、深部腫瘤、中晚期腫瘤時，所帶來的治療時

3、間過長、輻照劑量大、治療效率低、醫(yī)療成本增加及臨床風(fēng)險增高等問題不容忽視。
　　另一方面，就惡性腫瘤的生物學(xué)行為特性而言，腫瘤的邊緣部分呈浸潤性生長、血供豐富、耗氧量高、傳熱快，是整個腫瘤生長最快、最活躍、惡性行為最突出的部分;而腫瘤內(nèi)部由于灌注不足、低代謝、缺血缺氧，常常造成不同程度的壞死。因此，針對大體積腫瘤，我們課題組提出這樣的假設(shè):擬在靶組織的周邊形成一個完整的凝固性壞死隔離帶，以期造成腫瘤內(nèi)部繼發(fā)性缺血、缺氧性壞死，達到

4、有效抑制腫瘤生長、縮小腫瘤，最終實現(xiàn)整個靶組織的完全性壞死。
　　基于上述研究背景，本課題針對大體積和深部腫瘤，探討HIFU在肝臟靶組織的整個周邊進行“削蘋果皮式”的三維消融模式，以期形成包裹整個靶區(qū)的完整凝固性壞死隔離帶;初步探討這種新型消融模式下HIFU掃描路徑、最優(yōu)化劑量學(xué)組合、能量投放策略及其消融效果;探討建立適用于HIFU基礎(chǔ)實驗研究的離體豬肝機械灌注模型;并初步探討離體豬肝機械灌注模型下的肝臟大血管流量變化對HIFU周

5、邊消融模式的影響，以期達到減少所需消融體積、縮短治療時間、提高治療效率和安全性的目的，為臨床上“更高效、更安全的高強度聚焦超聲治療”模式提供理論基礎(chǔ)、實驗依據(jù)和參考。
　　本課題的研究主要包括以下三部分:
　　第一部分HIFU周邊三維消融模式在離體牛肝的研究
　　目的:在離體牛肝實驗中探討HIFU周邊三維消融模式的掃描路徑、可行性及能量投放的策略，并與傳統(tǒng)的完全性消融模式對比，闡述這種新型消融模式在治療時間、能量消耗等

6、方面與傳統(tǒng)的完全性消融模式之間的差異，為下一步研究奠定基礎(chǔ)。
　　材料與方法:新鮮牛肝組織（屠宰6h以內(nèi)）選擇血管、膽管較少的部分切成120mm×80mm×60mm大小的組織塊，真空泵脫氣30min后備用。采用JC-200型聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)（雙凹球面聚焦、頻率0.9 MHz、焦距140mm、超聲實時監(jiān)控，PVDF針式水聽器在脫氣水中測定聲焦斑呈橢球形，縱軸最大值為8 mm、橫軸最大值為3mm)，采用連續(xù)波、連續(xù)點打法首先依次從

7、深度40 mm、32mm、24 mm、16 mm處，以輻照后即刻聲圖像出現(xiàn)點狀強回聲為輻照有效的標志，輻照結(jié)束后沿聲束長軸以每層2mm的厚度逐層切開牛肝，依次找到損傷的最大剖面直視下觀察并測量形成單點凝固性壞死的大小、形態(tài)，從而確定不同深度處的輻照參數(shù)及組合;隨后，根據(jù)單點壞死的結(jié)果，依次從深度40 mm、32mm、24 mm、16mm處，掃描線長為40 mm、確定形成邊界清晰、內(nèi)部無正常組織殘留的線狀凝固性壞死的各個劑量學(xué)參數(shù)及其組合

8、方式;再根據(jù)設(shè)定的坐標、以周邊式消融組為實驗組、完全性消融組為對照組，按照由深至淺的掃描順序，靶區(qū)項面完全覆蓋超聲能量、中間層面沿靶區(qū)周邊掃描、底面完全覆蓋超聲能量的輻照方式;對照組則由深至淺逐層完全掃描。TTC染色后測量壞死范圍，組織切片HE染色光鏡觀察。輻照劑量為聲功率與輻照時間的乘積，數(shù)據(jù)統(tǒng)計后分析。
　　結(jié)果:深度分別為40 mm、32 mm、24 mm、16mm處，聲功率輸出范圍180W～330W、單點輻照時間2s時形成

9、了界限清晰、灰白色、橢球形的點狀凝固性壞死;采用上述單點壞死的輻照參數(shù)，以相鄰兩點間隔時間10s、相鄰兩點間隔距離3mm，由深至淺地依次形成了形態(tài)較規(guī)整的完全性線狀凝固性壞死。周邊式消融組靶區(qū)的六個表面壞死完全、邊界清晰，內(nèi)部未掃描區(qū)域無明顯損傷;對照組靶組織完全壞死;兩組靶區(qū)周邊壞死范圍無明顯差異（P值＞0.05），周邊式消融組的總輻照時間和總能量消耗均明顯低于完全性消融組(P值＜0.05)。
　　結(jié)論:在離體牛肝組織，采用HI

10、FU連續(xù)波、連續(xù)點打法，以不同輻照深度處形成的生物學(xué)焦域(BFR)為核心，選用較高聲功率和短時間輻照的組合方式，動態(tài)地調(diào)整聲功率、單點輻照時間、相鄰兩點間隔距離、相鄰兩點間隔時間、不同層面間隔時間等參數(shù)，由深至淺地掃描、靶組織頂面及底面完全掃描而中間層面僅掃描靶區(qū)周邊的方法，能夠形成邊界清晰、形態(tài)較規(guī)整、完整的周邊凝固性壞死帶。周邊消融模式較完全性消融模式可降低總能量消耗、縮短總輻照時間。
　　第二部分離體豬肝機械灌注模型的建立及

11、評價
　　目的:由于HIFU周邊消融模式中治療頭掃描范圍較大，聲通道上的腹壁組織、肋骨、胃腸道氣體、機體呼吸運動、體表聲耦合條件等因素可影響超聲能量地有效積聚，為減小這些因素對聲場的干擾，本部分實驗旨在探討建立適用于HIFU基礎(chǔ)研究的離體豬肝機械灌注模型，并探討相關(guān)的監(jiān)測、評價方法。
　　材料與方法:從屠宰場獲取36例豬肝(肝臟熱缺血時間小于30min)經(jīng)門靜脈和肝動脈雙血管插管，以等滲性灌注液、體外循環(huán)機離體灌注3h，監(jiān)測

12、灌注期間肝臟的顏色、質(zhì)地、質(zhì)量變化率，采用生物血壓傳感器、多通道生理信號采集處理系統(tǒng)監(jiān)測門靜脈及肝動脈的流量和壓力，彩色多普勒超聲檢測肝臟大血管流體動力學(xué)變化，經(jīng)膽總管持續(xù)吸引監(jiān)測膽汁分泌量，肝組織隨機活檢、HE染色光鏡觀察組織學(xué)改變等方法評價肝臟的灌注效果。
　　結(jié)果:33例豬肝經(jīng)門靜脈和肝動脈插管成功，同時經(jīng)膽總管穿刺膽汁引流通暢;3例豬肝經(jīng)肝動脈插管失敗未灌注。持續(xù)灌注3h期間，31例肝臟質(zhì)地柔軟、呈土黃色、包膜光滑、邊緣銳

13、利，2例肝臟呈紅黃相間的花斑樣改變;灌注3h后肝臟較灌注前增重率為（18.3±3.5）％;調(diào)節(jié)門靜脈和肝動脈壓力范圍分別為7～10 mmHg、70～80 mmHg時，門靜脈和肝動脈的平均流量分別為（37.1±1.3）ml/min/100 g、(17.5±0.8)ml/min/100 g;彩色多普勒超聲顯示灌注后肝臟實質(zhì)呈均勻的低回聲、肝內(nèi)管道走行正常，門靜脈和肝動脈充盈好，門靜脈平均流速為（13.6±2.0）cm/s、肝動脈平均流速為(

14、37.4±2.8) cm/s;3h內(nèi)膽汁分泌總量為(19.6±0.8) ml，膽汁呈淡黃色;灌注后3h組織學(xué)檢查見肝組織結(jié)構(gòu)完整、肝竇擴張、少許肝細胞水樣變性，肝竇內(nèi)淋巴細胞及Kupffer細胞增多。
　　結(jié)論:該離體肝臟機械灌注模型穩(wěn)定、可重復(fù)、干擾因素較少、操作可控，既能定量評估灌注效果，又可減少實驗所用大動物的數(shù)量，能夠較好地滿足HIFU基礎(chǔ)研發(fā)中的實驗需求。
　　第三部分肝臟流量對HIFU周邊三維消融模式的影響

15、>　　目的:基于已建立的離體豬肝機械灌注模型，探討HIFU周邊消融模式在灌注豬肝的可行性及劑量學(xué)組合方式、能量投放策略，初步探討肝臟流量變化對HIFU周邊消融模式劑量投放、能量消耗的影響，以期闡明肝臟流量在HIFU周邊消融模式中所起的作用。
　　材料與方法:采用HIFU連續(xù)波、直線掃描法，基于離體豬肝灌注模型，44例豬肝隨機分為:實驗組1（同時灌注門靜脈和肝動脈，平均總流量53 ml/min/100 g）12例，實驗組2（僅灌注門

16、靜脈，平均流量38 ml/min/100 g）11例，實驗組3(僅灌注肝動脈，平均流量15ml/min/100 g)10例，對照組（肝臟無灌注）11例。每例樣本靶區(qū)均定位于肝臟同一葉，計劃消融范圍均為30×20×18mm3。以HIFU輻照即刻出現(xiàn)線狀強回聲為治療有效標準，通過動態(tài)地調(diào)整輻照深度、聲功率、掃描速度、相鄰兩條直線的間隔距離等輻照參數(shù)沿整個靶組織的周邊掃描。掃描結(jié)束后，依次沿聲束長軸切開肝臟，測量并計算消融范圍;各組取輻照區(qū)、

17、輻照區(qū)與內(nèi)部未輻照區(qū)的交界處肝組織做組織學(xué)檢查;計算各組的能量消耗，收集數(shù)據(jù)并統(tǒng)計分析。
　　結(jié)果:根據(jù)輻照即刻出現(xiàn)的完整、連續(xù)的線狀強回聲確定HIFU劑量輸出，聲功率隨輻照深度降低而逐層減低，掃描速度隨輻照深度降低而逐漸增快，相鄰兩條線的間隔距離為4mm、層面間距為6 mm的組合方式，能夠沿靶組織周邊形成完整的壞死帶，組織學(xué)結(jié)果顯示凝固性壞死完全、與未掃描區(qū)域分界清楚;4個組的消融范圍無顯著性差異(P＞0.05);實驗組1～3的

18、總能量消耗均明顯高于無灌注組，隨肝臟流量降低，各組間的總能量消耗依次明顯減少(P＜0.01)。
　　結(jié)論:采用HIFU連續(xù)波、直線掃描法能夠在離體豬肝灌注模型沿靶組織周邊形成完整的凝固性壞死帶。通過動態(tài)調(diào)節(jié)輻照深度、聲功率輸出、掃描速度、直線間距、層間距等參數(shù)，在靶組織壞死范圍一致的前提下，減少肝臟流量能夠相應(yīng)地明顯降低HIFU的總輻照劑量;反之，增加肝臟流量則顯著增加HIFU周邊消融的能量消耗，提示肝臟流量是影響周邊消融模式總能