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430 kHz脉冲波和978 kHz连续波组成的双频高强度聚焦超声增强组织消融的研究

刘继辉  
【摘要】:研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是近年来新兴的非侵入性肿瘤治疗技术,可在超声或者MRI监控下对实体肿瘤进行适形消融~([1]),已用于良恶性肿瘤的临床治疗。截止2018年底,全世界范围采用HIFU技术对超过25万例实体肿瘤病人进行了成功的治疗,取得了较为满意的临床疗效(美国聚焦超声基金会2019年年报)。但来自临床的需求表明:聚焦超声无创治疗肿瘤的局限性包括消融深部或体积较大或声通道上有肋骨等复杂声环境的肿瘤时,治疗时间太长,容易增加周围组织损伤的风险。采取有效的增效方式缩短治疗时间、提高治疗效率是HIFU治疗的关键问题。研究表明改变组织的声环境可明显增强HIFU消融。双频HIFU有助于提高温升率,进而缩短治疗时间,是国内外研究的热点之一。但不同研究者对双频HIFU中的频率、激励波形、辐照参数持有不同的观点。本课题采用频差548kHz的脉冲波和连续波相互作用,调控空化的发生可有效提高HIFU对组织的损伤。目的明晰采用频差为548 kHz的脉冲波和连续波联合作用增强HIFU治疗的辐照参数选择及作用机制,为双频HIFU提高治疗效率提供新思路。方法1.实现空化/沸腾的脉冲波、连续波辐照参数研究(1)采用430 kHz的换能器激发脉冲波,声功率设置为150 W,脉冲重复频率为6 Hz,占空比分别为1%、4%、8%、12%;对应的辐照时间240 s、60 s、30 s、20 s。通过计算焦域处的累积空化剂量,选择一个空化作用最强的占空比进行后期实验。(2)采用上述实验确定的空化作用最强的占空比、脉冲重复频率6 Hz、频率430 kHz的脉冲HIFU辐照新鲜牛肝组织,辐照过程中同步采用B超探头监控靶区回声变化、宽带换能器检测空化噪声信号,研究分别实现低强度空化、强空化的声功率和辐照时间;采用978 kHz连续波HIFU辐照新鲜牛肝组织,研究分别实现无空化活动、有空化活动、空化加沸腾的辐照参数。2.不同辐照参数下双频HIFU增强离体牛肝组织损伤的研究将两个中心频率分别为978 kHz、430 kHz的换能器通过三维运动设备共焦放置并浸入脱气水中,同时激发连续波和脉冲波组成双频HIFU。双频HIFU中连续波的声功率为30 W、120 W、450 W,其辐照时间分别为60 s、15s、4 s;脉冲波的声功率为150 W、400 W,辐照时间与连续波保持一致,将连续波和脉冲波分别进行随机组合一共形成6组双频HIFU。连续波声功率分别为30 W、120 W、450 W,辐照时间为60 s、15 s、4 s形成3组单频HIFU。对比分析单频HIFU与双频HIFU辐照离体牛肝组织的损伤面积、宽带噪声RMS值和B超图像。结果1.频率430 kHz、脉冲重复频率6 Hz的脉冲HIFU,当占空比为4%时,累积空化剂量值最大即空化作用最强。2.采用频率430 kHz、脉冲重复频率为6 Hz,声功率分别为150 W、400 W,辐照时间均为60 s的脉冲波HIFU辐照牛肝组织可以实现低强度空化和强空化,且均未产生组织空洞状损伤;采用频率978 kHz、声功率30 W—辐照时间60 s、声功率120 W—辐照时间15 s、声功率450W—辐照时间4 s的连续波HIFU分别辐照牛肝组织可以实现无空化活动无损伤、有空化活动有损伤、空化加沸腾有损伤的辐照方式且各损伤面积之间有显著性差异(P0.05)。3.当连续波HIFU的声功率为30 W、辐照时间60 s时,辐照区域未见白色凝固性坏死,辐照过程中未见宽带噪声增强,辐照结束后未见靶区回声增强。但联合声功率150 W、辐照时间60 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域出现白色椭圆状凝固性坏死,辐照过程中宽带噪声增强;联合声功率400 W、辐照时间60 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域为白色球状凝固性坏死及空洞状损伤,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强;两组双频HIFU损伤面积均大于单频HIFU(连续波HIFU),三者之间均有显著性差异(P0.05)。4.当连续波HIFU的声功率为120 W、辐照时间15 s时,辐照区域可见白色椭圆状凝固性坏死,辐照过程中出现宽带噪声,辐照结束后靶区回声增强。但联合声功率150 W、辐照时间15 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域出现白色椭圆状凝固性坏死,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强;联合声功率400 W、辐照时间15 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域为白色球状凝固性坏死及空洞状损伤,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强;两组双频HIFU损伤面积、B超灰度差值均大于单频HIFU(连续波HIFU),三组之间均有显著性差异(P0.05)。5.当连续波HIFU的声功率为450 W、辐照时间4 s时,辐照区域损伤形态为“蝌蚪状”,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强。但联合声功率150 W、辐照时间4 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域损伤形态为“蝌蚪状”,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强;联合声功率400 W、辐照时间4 s的脉冲波HIFU时,双频HIFU共焦辐照区域损伤形态为椭圆状,损伤长度变短,辐照过程中宽带噪声增强,辐照结束后靶区回声增强。研究结果表明:声功率为450 W、辐照时间4 s的连续波HIFU,联合声功率为400 W、辐照时间4 s的脉冲波时,双频HIFU所致牛肝组织的损伤面积小于声功率450 W、辐照时间4 s的连续波HIFU,及其联合声功率150 W、辐照时间4 s的脉冲波组成的双频HIFU,且有显著性差异(P0.05);声功率为450 W、辐照时间4 s的连续波HIFU与联合声功率150 W、辐照时间4 s脉冲波组成的双频HIFU的损伤面积无显著性差异(P0.05);三组之间的B超灰度差值无显著性差异(P0.05)。结论1.对于确定的超声频率、脉冲重复频率和声功率下,调整脉冲波的占空比可控制空化的强度;调整声功率—辐照时间参数,可控制连续波HIFU空化/沸腾的发生。2.无空化活动无损伤的连续波HIFU、有空化活动有损伤的连续波HIFU分别联合有空化活动的脉冲波HIFU组成双频HIFU时增强了组织消融,且随脉冲波HIFU的声功率增加而增大,其机制在于空化效应的进一步增强,这对提高HIFU治疗效率提供了新思路。3.有空化和沸腾活动的连续波HIFU联合有空化活动的脉冲波HIFU组成双频HIFU时,空化活动被抑制,且随脉冲波HIFU的声功率增大呈减小趋势,这提示采用双频HIFU消融病灶组织时,降低连续波HIFU的声功率,选择适当的连续波辐照参数对提高HIFU治疗效率才有意义。


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