高強度聚焦超聲在脂肪組織中的衰減

1、高強度聚焦超聲在脂肪組織中的衰減2002級生物醫(yī)學(xué)工程系江南摘要目的 測試超聲能量透過脂肪組織的衰減情況。方法 在相同治療深度，功率，時間， 在不同脂肪厚度的肌肉層以及不帶皮，脂肪的肌肉層，高強度聚焦超聲經(jīng)體外輻照形成的生物學(xué)焦 域體積大小的變化。結(jié)果 經(jīng)體外HIFU輻照后，輻照深度為40 mm，輻照功率為400W，不 帶皮脂肪的豬肉和帶皮脂肪厚度分別為10-20mm，20-30 mm的豬肉，輻照時間為5s所形成 的生物學(xué)焦域的長軸分別為(8.89 3.14)mm、(9.67 0.58)mm、(10.67 23.1)mm ；短軸分 別為(2.50 0.66)mm、(2.17 0.29)mm、(

2、1.83 0.29)mm ；而輻照時間為 10S 時，生物學(xué)焦 域的長軸分別為(13.20 2.28)m、(13.67 3.56)mm、(16.63 5.73)mm ； 短軸分別為 (4.60 0.89)mm、(4.42 0.80)mm、(4.19 1.00)mm ；而輻照時間為 15S 時生物學(xué)焦域的長 軸 分 別 為(16.33 1.15)m 、(15.00 0.00)mm 、(16.00 0.00)mm ； 短軸 分別為(6.17 0.29)mm、(4.00 0.00)mm、(6.00 0.00)mm。結(jié)論 在相同輻照功率，時間，深度的 情況下隨著脂肪厚度的增加，肌肉層內(nèi)，焦域長軸(Y)

3、逐漸增加，焦域短軸(Z)逐漸減小，焦域的體積以 及下緣距皮膚的距離無明顯規(guī)律.關(guān)鍵字：高強度聚焦超聲，衰減，生物學(xué)焦域，脂肪組織THE ATTENUATION OF HIGH INTENSIVE FOCUSED ULTRASOUD IN FATTY TISSUEABSTRACT Object Measure the attenuation situation of ultrasound energy when it goes through fatty tissue.Method Observe the volume change of biological focus area formed

4、 by high intensive focused ultrasound in vitro at the same treating depth，power，time，in muscle layer with different fat thickness and muscle layer without skin or fat.Result Treated with HIFU in vitro for 5s， with treating depth of 40mm， treating power of 400W， the long axis of biological focus area

5、 of pork without skin or fat， pork with skin and fat thickness of 10-20mm and pork with skin and fat thickness of 20-30 mm are (8.83.14)mm，(9.670.58)mm and (10.6723.1)mm respectively， and minor axis of them are (2.500.66)mm， (2.170.29)mm and (1.830.29)mm respectively; with the same treating situatio

6、n， just extending the treating period to 10s， the long axis of biological focus area are (13.202.28)mm， (13.673.56)mm and (16.635.73)mm respectively，and minor axis are (4.600.89)mm， (4.420.80)mm and (4.191.00)mm respectively； then treated for 15s， the long axis of biological focus area are (16.33 1.

7、15)mm， (15.000.00)mm and (16.000.00)mm respectively， and minor axis are (6.17 0.29)mm， (4.00 0.00)mm and (6.00 0.00)mm respectively. Conclusion Under the same treating power， time and depth， when the thickness of fat increases，the long axis (Y) of focus area within muscle layer increases gradually w

8、hile the minor axis (Z) decreases， no obvious rule for focus area volume and the distance of the lower side of the pork toward the skin is observed.Key words: High Intensity Focused Ultrasound ， HIFU attenuationBiologicalFocalRegion，BFR第一章引言高強度聚焦超聲在生物組織中的衰減第二章試驗設(shè)備簡介1治療探頭2功率源3運動系統(tǒng)4像定位監(jiān)視裝置5計算機自動控制和處理裝

9、置6介質(zhì)水處理裝置第三章試驗方法1試驗數(shù)據(jù)2試驗結(jié)果第四章實驗結(jié)果第五章高強度聚焦超聲的應(yīng)用及發(fā)展參考文獻第一章引言1高強度聚焦超聲在生物組織中的衰減高強度聚焦超聲在生物組織中傳播時，因發(fā)生散射，反射，折射以及組織對超 聲能量的吸收，造成了超聲波的衰減，在生物組織中，造成超聲衰減的內(nèi)在原因 主要有介質(zhì)的粘滯性、導(dǎo)熱系數(shù)和溫度等因素，而這些因素造成對超聲衰減的大 小又與超聲的頻率有關(guān)。表2-5列出了組織成分對不同頻率超聲的衰減系數(shù)。表2-5人體主要組織成分對不同頻率超聲的衰減系數(shù)人體組織衰減系數(shù)(dBcm-1 MHz-1 )頻率范圍（MHz）眼球玻璃體液0.10630血液0.1810脂肪0.63

10、0.87.0延髓（順纖維）0.801.73.4腦組織0.850.93.4肝臟0.940.33.4腎臟1.000.34.5脊髓1.001.0肌肉（順纖維）1.300.84.5顱骨20.001.6肺41.001.0實驗結(jié)果表明，在115MHz超聲頻率范圍內(nèi)，人體組織對超聲波的吸收衰 減系數(shù)幾乎與頻率成正比。人體軟組織對超聲的平均衰減系數(shù)約為0.81dBcm -1MHz -1 ,其含義是超聲波頻率每增加1MHz或超聲傳播距離每增加1cm, 則組織對超聲的衰減增加0.81dB。因此,對一個3MHz聲束，當(dāng)其在人體軟組織中 傳播10cm時，則聲強衰減可達：0.81dBcm -1MHz X3MHzX10c

11、m=24.3dB 而當(dāng)頻率升高到10MHz時，傳播相同的距離所導(dǎo)致的聲強衰減將達：0.81dBcm -1 -MHz -1 X10MHzX10cm=81dB這就說明頻率的因素甚為重要。因此， 根據(jù)探查部位的組織不同和深度不同，合理選擇使用探頭的頻率，對診斷效果將 有較大影響。本篇主要通過比較在不同脂肪厚度的肌肉層內(nèi)做點打，治療深度，功率，時間 一致，再在不帶皮，脂肪的肌肉層內(nèi)做點打，所有條件一致，比較兩種情況下形成 的焦點大小是否有不同,差異有多大。第二章試驗設(shè)備簡介重慶醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)超聲工程研究所自主研制的2.5型AHIFU腫瘤治 療系統(tǒng)，線圈 HIFU LOOP COIL ，BODY MATR

12、IX COIL 。1治療探頭組合式聚焦超聲治療頭由壓電換能晶片，聚焦透鏡和顯像定位探頭組成。壓 電換能晶片將電能轉(zhuǎn)換為聲能，超聲波經(jīng)透鏡聚焦后在焦域處形成治療所需的高 能點。顯像定位探頭將組織的位置圖象信息傳遞給顯像定位裝置，以確定超聲焦 域在組織中的正確位置，同時定時監(jiān)視治療效果。2功率源高頻發(fā)生器輸出高頻連續(xù)正弦波，為聚焦超聲治療頭提供工作電能。3運動系統(tǒng)掃描運動裝置根據(jù)治療方案，實現(xiàn)組合式聚焦超聲治療頭空間六自由度掃描 運動，在計算機自動控制下精確調(diào)整組合式聚焦超聲治療頭與靶區(qū)的位置，使焦 域處于靶區(qū)的某一確定部位。4像定位監(jiān)視裝置提供靶區(qū)圖像，實現(xiàn)準確定位和實時監(jiān)視治療全過程。經(jīng)HIF

13、U治療后，凝 固性壞死組織的聲阻抗發(fā)生變化，引起MRI圖像的灰度變化。通過對治療前后治 療區(qū)域MRI圖像灰度變化的比較，操作者能方便而準確地判斷治療范圍和程度。5計算機自動控制和處理裝置根據(jù)靶區(qū)圖像和專家制定的治療方案，選擇掃描方式，控制掃描精度，并自 動處理文字和圖像信息。6介質(zhì)水處理裝置提供治療所需的超聲波傳輸介質(zhì)水，保證超聲能量以較小的損耗進入，并對 皮膚表面進行冷卻。第三章試驗方法對脂肪厚度為10-20mm,20-30 mm的帶皮豬肉和不帶皮，脂肪的豬肉 進行體外定點脈沖輻照，輻照功率為400W，輻照深度為距下緣40mm， 輻照時間為5s、10s和15s，比較以上在輻照過程中靶區(qū)超聲溫

14、度圖的變化以及強回聲區(qū)面積的變化，輻照后，切開豬肉觀察并測量肌肉層內(nèi)所形成的HIFU生物學(xué)焦域的長軸，短軸，體積以下緣距皮膚的距離。1試驗數(shù)據(jù)見Excel表2試驗結(jié)果（1）焦點深度40mm，脂肪厚度10-20mm，功率200W，時間5s:數(shù)據(jù)有4個，時間10s：數(shù)據(jù)有12個，(2)焦點深度40mm，脂肪厚度20-30mm，功率200W,時間5s，數(shù)據(jù)有6個，時間10s，數(shù)據(jù)有12個，時間15s，數(shù)據(jù)有1個，(3)焦點深度40mm，不帶皮、脂肪，功率200W,時間5s，數(shù)據(jù)有13個，!1叩時間10s,數(shù)據(jù)有9個，第四章試驗結(jié)論1隨著脂肪厚度的增加，焦點長軸逐漸增加;項目Y01020mm2030m

15、m5S平均值8.899.6710.67標準差3.140.582.3110S平均值13.2013.6716.63標準差2.283.565.7315S平均值16.3315.0016.00標準差1.150.000.002隨著脂肪厚度增加，焦點長軸逐漸減小;項目Z01020mm2030mm5S平均值2.502.171.83標準差0.660.290.2910S平均值4.604.424.19標準差0.890.801.0015S平均值6.174.006.00標準差0.290.000.00第五章高強度聚焦超聲的應(yīng)用及發(fā)展1腫瘤組織的生物學(xué)特性癌瘤組織由于其解剖組織學(xué)上的缺陷供血不足、缺氧、偏暖、不耐熱， 癌瘤

16、組織的血供僅為正常組織的2%-15%，這種在血循環(huán)方面的顯著差別，是HIFU 及其他加熱方法治療腫瘤的基礎(chǔ)。當(dāng)超聲波能量被組織吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏菇M織溫度升高時，正常組織 可通過有效的血循環(huán)散熱，而腫瘤組織由于上述解剖組織學(xué)的缺陷，血循環(huán)差， 無法進行及時散熱，以致癌瘤內(nèi)溫度超出非腫瘤組織5C9C，有時高達10C 11C,且維持時間較長。因此利用超聲波對腫瘤組織的選擇性殺傷作用可摧毀腫 瘤組織而不損傷正常組織。超聲升溫改變癌瘤細胞的周圍環(huán)境，增強酸度，一方面加強溶酶體酶 的活性，另一方面在PH降低的情況下溶酶體數(shù)量增加，從而加強溶酶體對腫瘤 細胞質(zhì)的破壞。在細胞周期中，DNA合成期對熱最敏感，因

17、而DNA合成旺盛的腫瘤細 胞更易被破壞。2高強度聚焦超聲治療腫瘤的特點非侵入性高強度聚焦超聲是將體外低密度超聲能量聚焦于體內(nèi)腫瘤靶組織中，達 到“切除”腫瘤目的。一般不用開刀，無需輸血，無放射性損害。同時，也不需 穿刺引導(dǎo)，不損傷超聲波所經(jīng)過的組織或靶區(qū)外正常組織。HIFU治療具有痛苦 輕、機體恢復(fù)快、住院時間短、大多數(shù)無創(chuàng)傷等優(yōu)點，并且行HIFU治療時瘤區(qū)組 織瞬間呈凝固性壞死，因而不會增加腫瘤轉(zhuǎn)移的機會。但肋間隙較窄的右葉大肝 癌和緊粘胸壁的周圍型肺癌患者，由于骨組織對聲波的強反射及高吸收作用，在 行HIFU治療前須切除部分肋骨，提供足夠的聲窗，達到理想的治療效果。準確性HIFU治療系統(tǒng)將

18、診斷探頭和治療探頭合二為一，中軸線重疊，計算機 控制的多維坐標掃描系統(tǒng)可使診斷探頭對腫瘤作斷層掃描，其治療探頭所產(chǎn)生的 焦點作斷層布陣式運動，可以準確發(fā)現(xiàn)照射腫瘤，避免損傷鄰近器官。HIFU是 對腫瘤進行超聲立體定位，動態(tài)觀察，實時監(jiān)控整個治療過程的回聲改變，實時 評價治療前、治療中和治療后靶區(qū)的治療效果，隨時調(diào)節(jié)治療劑量，根據(jù)腫瘤外 科原則，超范圍“切除”體內(nèi)腫瘤，從而保證HIFU治療腫瘤的有效性和準確性。英國倫敦皇家Masden醫(yī)院超聲治療科發(fā)現(xiàn)HIFU極其精確，在完全殺傷 的細胞和未損傷的細胞之間只隔6個細胞、。有人3認為HIFU對血管有一定損 傷；但動物顯微血管造影研究證明HIFU(4MHz,550W/cm2,4s)治療大鼠肝腫瘤 后，照射區(qū)直徑V200Pm的滋養(yǎng)血管閉塞，而直徑200頃的血管無損傷。一次性“切除”HIFU是將超聲束聚焦在體內(nèi)腫瘤靶組織處，一次性破壞體內(nèi)任意形狀、 大小的腫瘤，使焦點處腫瘤發(fā)生不可逆的凝固性壞死，從而從體外完全破壞體內(nèi) 腫瘤。更多的治療優(yōu)勢HIFU只破壞腫瘤內(nèi)200 um以下的血管，對直徑大的血