高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人對組織損傷效應的實驗研究.pdf

1、高強度聚焦超聲(highintensityfocusedultrasound，HIFU)是一種有效且潛力巨大的非侵入性治療腫瘤的技術。HIFU的原理是利用超聲波具有生物組織內可穿透性及能量可聚集性的特點，將較低強度超聲波從體外聚焦于生物體內的靶區(qū)內，形成一個高強度超聲波匯聚的焦域區(qū)，高強度超聲產生的生物學效應(主要包括高溫熱效應、空化效應、機械效應等)致使焦域區(qū)組織細胞傾刻變性壞死(此凝固性壞死區(qū)域稱為生物學焦域)，焦域區(qū)周圍組織無顯著

2、損傷。近年來，隨著技術的迅速發(fā)展，HIFU在腫瘤治療領域里的應用受到了國內外學者的廣泛關注；同時，HIFU治療設備的性能也在為適應臨床需要而不斷改進。 本研究采用的是自主開發(fā)的高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人(3D-guidedHIFUTreatmentParallelConnectiontoRobot，3D-HIFU-TPCR)。與傳統(tǒng)治療儀相比，其具有結構輕巧、制造成本低、響應速度快、運動空間大等優(yōu)勢。此外，傳統(tǒng)HIFU

3、治療儀的聲波能量經固定的路徑進入目標區(qū)聚焦，治療時超聲能量集中分布在聲束所通過的組織路徑上，易對聲波所通過路徑上的機體組織產生損傷。自主開發(fā)的治療儀其超聲波換能器能夠按照控制指令要求，進行圓錐形擺動，可最大程度地將所經路徑上的聲波能量分布在盡可能大的組織面積上，從而在保證聚焦區(qū)治療效果的情況下，大大降低聲波在進出途徑上對正常組織的損傷，顯著減少了治療的副作用。這一設計為高強度聚焦超聲在腫瘤治療方面的臨床應用提供了更為廣闊的應用前景。

4、 本課題采用自主開發(fā)的3D-HIFU-TPCR對動物離體和活體組織分別進行定點脈沖輻照，旨在探討該治療儀所產生損傷效應的精確性、有效性以及影響因素，并初步評價了超聲的監(jiān)控作用，為其隨后的臨床應用提供實驗數(shù)據(jù)。本研究分三部分展開： 第一部分高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人對離體肝臟組織損傷效應的實驗研究 探討自主研制的3D-HIFH-TPCR在換能器擺動治療模式下對離體豬肝組織的定位損傷效應及影響因素。在輻照聲強為

5、2000W/cm2時，采用該裝置對換能器擺動組和換能器固定組的離體豬肝組織分別進行定點脈沖輻照，輻照深度分別定位于豬肝組織表面下10mm和20mm，輻照時間分別為5s、10s、15s和20s。測量凝固性壞死區(qū)體積及其中心距組織表面距離。取靶區(qū)組織進行組織病理學檢查。比較換能器擺動治療組和換能器固定治療組對靶組織的損傷效果，并分析輻照深度及輻照時間對生物學焦域的影響。 結果顯示：(1)3D-HIFH-TPCR輻照靶區(qū)形成凝固性壞死

6、區(qū)，與周圍組織分界清楚。(2)在相同輻照劑量下，換能器擺動組與換能器固定組所產生的凝固性壞死區(qū)體積大小間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(3)凝固性壞死區(qū)中心距組織表面的距離與預設輻照深度間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(4)在相同輻照聲強及輻照深度下，凝固性壞死區(qū)體積的測值隨輻照時間增加而增大，體積測值間差異有顯著性意義(P＜0.05)；在相同輻照聲強及輻照時間下，凝固性壞死區(qū)體積的測值隨輻照深度增加而減小，體積測值間差異有顯著

7、性意義(P＜0.05)。 第二部分高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人活體肝臟組織損傷效應的實驗研究 本研究采用自主研制的3D-HIFH-TPCR，在輻照聲強為2000W/cm2時對14只實驗犬的肝實質進行體外定點脈沖輻照，輻照深度分別為皮下3cm和4cm，輻照時間分別為6min，8min和10min，系列測量輻照后即刻、2min和5min時超聲所示靶區(qū)強回聲區(qū)面積，隨后解剖觀察并測量凝固性壞死區(qū)體積及實際最大剖面面積。

8、取凝固性壞死區(qū)內及其與周邊正常組織交界區(qū)組織進行組織學檢查。以探討該裝置對活體肝臟組織的定位損傷效應和影響因素，并初步評價了超聲在3D-HIFU-TPCR治療過程中的監(jiān)控作用。 結果顯示：(1)3D-HIFH-TPCR輻照活體肝臟組織后超聲示靶區(qū)回聲明顯增加，呈強回聲改變且其面積隨輻照時間的延長而增加。在相同輻照劑量下，輻照后即刻超聲所測強回聲面積大于實際最大剖面面積，兩者間差異有顯著性意義(P＜0.05)，2分鐘及5分鐘時超聲

9、所測強回聲面積與實際最大剖面面積間差異無顯著性意義(P＞0.05)。(2)3D-HIFH-TPCR輻照活體肝臟組織后靶區(qū)內形成灰白色凝固性壞死區(qū)，周邊包繞暗紅色充血帶，與周圍正常組織分界清楚。(3)3D-HIFH-TPCR定點輻照離體組織，在相同輻照聲強及輻照深度下，生物學焦域體積的測值隨輻照時間的增加而增大，體積測值間差異有顯著性意義(P＜0.05)；在相同輻照聲強及輻照時間下，生物學焦域體積的測值隨輻照深度的增加而變小，體積測值間差

10、異亦有顯著性意義(P＜0.05)。 第三部分高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人對活體不同組織損傷效應的實驗研究 采用自主研制的3D-HIFH-TPCR，對活體犬的腎臟和肌肉組織在輻照聲強為2000W/cm2、輻照時間為6min和輻照深度為皮下3cm時分別進行定點脈沖輻照，結合第二部分實驗結果，測量和比較輻照后肝臟、腎臟和肌肉3種組織超聲聲像圖中強回聲區(qū)面積及生物學焦域體積的大小。輻照結束后分別取凝固性壞死區(qū)內及其與周邊

11、正常組織交界區(qū)組織進行組織學檢查。比較在相同參數(shù)下3D-HIFH-TPCR定位輻照活體不同組織所產生損傷效應。 結果顯示：在輻照聲強為2000W/cm2、輻照時間為6min和輻照深度為皮下3cm時，活體犬肝臟，腎臟以及肌肉組織超聲聲像圖中強回聲區(qū)面積分別為(471.40±56.20)mm2、(117.16±16.89)mm2、(881.82±32.54)mm2，生物學焦域體積分別為(3243.49±243.79)mm3、(608

12、.28±73.55)mm3、(7886.82±165.64)mm3；3種組織間強回聲面積及生物學焦域大小的差異均有顯著性意義(P＜0.05)，由大到小依次為肌肉、肝臟和腎臟。 結論 (1)高強度聚焦超聲立體定向治療并聯(lián)機器人在換能器擺動模式下對組織可產生精確有效的損傷。 (2)生物學焦域與輻照劑量及組織生物學特性有關。 (3)超聲可以準確的反映3D-HIFH-TPCR在生物組織中形成的損傷效應，是一種方便