不孕不育在线专家HIFU治疗肿瘤

2021年2月1日发(作者：甘草酸二铵)
HIFU
治疗肿瘤


高强度聚焦超声治疗学的基础研究，
应包括工程技术和生物学效应基础研究两部分。
本
章将对重庆海扶（
HIFU
）技术有限公司多年来在不同生物组织
/
肿瘤对
HIFU
的反应即
H IFU
治疗肿瘤的生物学效应研究的成果进行回顾，在总结中同时结合国际上对这方面的研究成
果，这是
HIFU
治疗肿瘤的可行性、有效性和安全性的基础。


一

超声波剂量

超声治疗学中，
辐照剂量的确定是非常重 要的。
物理学超声剂量可由声强和辐照时间确
定。
高强度超声和低强度超声的界定，< br>至今仍无一明确界限。
如一般声强几瓦至几十瓦的超
声，
在有的文献中被称为高 强度超声，
而有的研究者却将其归入低强度超声范畴。
由于声强
的计量方法有
I
SATA
、
I
SATP
、
I
SPTA
、
I
SPTP
等，声波又可分为连续波和脉冲波，脉冲波又涉及脉冲
频率、工作周期、频率等，
因而明确一个值作为区分高强度超声和低强度超声的标准，在技
术上也 存在一定难度。
所谓超声的强度高低应被视为一个相对概念，
对用于肿瘤治疗的
HIF U
2
技术，
焦域区的声强可大于
10000W/cm
，
瞬时 致组织凝固性坏死，
此时几瓦致几十瓦的超声
可视为低强度，而
HIFU
则无 疑应划入高强度范围。

体外剂量确定时，
因无需考虑生物组织声学特性的相对含量，
即使离体的生物组织的研
究，考虑声学特性也较在体组织简单。生物组织是不均匀的介质，声学介面复杂，
声波在生
物组织中传播时，产生一系列反射、折射、散射等过程，声能衰减 较大，这使得确定生物学
辐照剂量时需考虑多种因素的影响。
目前研究中普通采用的方案是“声强×辐照持续时间”
，
声强常用
I
SPTA
、
I< br>SATA
，国外学者在研究用超声转基因法入细胞时，以“
I
SATA
×受辐照面积×辐
照持续时间”
计算净受辐照能量。
不难看出，
以上二种方法 均未能很好地反映生物组织的声
学特性。一个理想的声波剂量计量方法应能满足：

1.
反映声强和辐照持续时间；

2.
生物组织的声学特性，最好能较好反映声波辐照下的生物学效应；

3.
便于文献间相互比较。


二
HIFU
辐照离体组织的研究

（一）

肝

HI FU
辐照后，受辐照肝组织发生凝固性坏死，坏死灶大小与超声强度、辐照持续时间
及换能器的 声学焦域有关。
一般认为，
作治疗时理想的
HIFU
声学焦域应为长宽径比例 合适。
2
采用最大声强为
1109 W/cm
，频率为
0.8 MHz
、
1.6MHz
，焦域为
0.5 mm
×
0.5 m m
×
3.0mm
的
HIFU
治疗系统，观察对离体猪肝组织的损伤。 分别采用定点扫描和连续扫描方式，发现损
伤的体积在连续扫描时，
随辐照持续时间延长，而渐 增大；采用定点扫描方式，初期也渐增
大，但至一定时间后，再延长辐照时间，体积不能继续扩大；表现 出平台现象，邻近最大值
时，延长辐照时间却使损伤向表面扩散及靶区损伤程度加重，组织内可出现空化 泡。

（二）

子宫

用
HIFU
定位损 伤
30
例手术切除的人体子宫标本，
其中内膜癌
5
例，
内膜 息肉
6
例，
肌
瘤
19
例，观察子宫损伤的特点。

1
．形态学：受辐照组织表现为凝固性坏死，肉眼观为白色坏死灶，与周围组织分界清
楚，
2
、
3
、
5
三苯基
-2H-
四唑盐酸 盐染色不能着色。辐照区细胞核固缩，超微结构观细胞破
坏，琥珀酸脱氢酶和碱性磷酸酶组织化学染色阴 性（图
2-1
）
。

















c
图
2-1 HIFU
定位损伤人体子宫标本

a
离体子宫，
HIFU
定点辐照
20
秒、
25< br>秒剖面观，辐照时间延长，生物学焦域增大。
b
子宫内膜癌
HIFU
辐照后细
胞形态结构，靶区凝固性坏死，细胞核固缩。
HE
×
400
。
c
焦域处
SDH
阴性，焦域周围组织
SDH
阳性。
d
子宫内膜
HIU
辐照后
ALP
染色焦域组织
ALP
阴性， 焦域周围组织
ALP
阳性。×
40
a
b
d

2
．频率、辐照持续时间与损伤关系：损伤深度随着时间逐渐增加，起初呈明显线性关
系，
后增长减缓，
达到一定程度后不再增加。
损伤灶体积及面积与辐照时间关系表现出 类似
现象。在相同辐照条件下
7.5MHz
损伤深度大于
10MHz
之损伤深度。损伤体积在≥
5s
时，
7.5MHz
小于
10MHz< br>；而损伤体积在＜
10s
时无明显差异；＞
10s
时，
7.5 MHz
小于
10MHz
（图
2-2
）
。

3
．温场分布：定点扫描时，随辐照时间延长，焦域中心温度上升，焦域外
2.5mm
组织
温度无明显改变。辐照停止后，
温度迅速下降，辐照时间愈长，恢复至初始温度所需时间愈
长（图
2-3
）
。

采用连续扫描方式损伤时，
温 度场分布与定点损伤相比，
焦域内温度场分布较均匀
（图
2-4
）
。

4
．声像图：辐照前组织为低回声或较低回声，辐照过程中组织回声增强。辐照结束 后
2s
有降低，但仍然强于辐照前（图
2-5
）
。

a
b
c

图
2-2
超声辐照时间与深度、面积、体积的关系

a
超声辐照时间与损伤深度的关系。
b
超声辐照时间与损伤面积的关系。
c
声辐照时间与损伤体积的关系。


a
b
c

图
2-3
定点扫描的温场分布曲线

a
定点损伤
5
秒，温场分布情况。
b
定点损伤
20
秒，温场分布情况。
c
定点损伤
25
秒，温场分布情况

a
b
c

图
2-4
连续扫描的温场分布曲线

a
扫描损伤
45
秒温场分布情况。
b
扫描损伤
50
秒温场分布情况。
c
扫描损伤
60
秒温场分布情况












图
2-5 HIFU
辐照前后的声像图比较：左图为辐照前，右图为辐照后焦域回声增强


（三）乳腺癌

取手术切除的乳腺癌标本
16
例，其中浸润性导管癌
5
例，浸润性小叶癌
4
例，腺癌
3
2
例，粉刺样癌
2
例，混合性癌
2
例。
HIFU
采用
1.6MHz
、
5800W/cm
、
1.8mm
×
1.8mm
×
4mm
大
的物理学焦域定位损伤。
发现受辐照后癌组织可见凝固性坏死灶或损 伤灶，
呈灰白色，
边界
清楚，直径约
10mm
×
10mm< br>，最大切面积为
104.500
±
18.206mm
。组织学检查可见 癌巢与间
质的间隙显著扩大，
与未损伤区分界清楚，
癌细胞胞浆内有较多的空泡样结构 ，
部分细胞界
限不清，
多数细胞出现核固缩，
部分可见核碎片，
病理 学变化均提示恶性组织已发生不可逆
性损伤。

声像图可见辐照区组织回声增强，测量 强回声区的大小与直接测量的数据无明显差异，
显示超声可作为
HIFU
治疗时有效的 监测手段。


3
三

测量温度

在研究
HIFU
对离体、在生物体组织损伤实验中，均涉及对被辐照组织的温度测量。目
前测 温手段主要在组织内插入热电极
（热敏探针或热偶探针）
来实现。
勿容置疑，
测量损伤
区的温度变化对
HIFU
技术的完善和实验研究具有重要意义，但也存在着不同的看法。

一般认为，
超声辐照致组织温度上升主要决定于二种热，
bulk
热和粘滞热
（
viscious
）
。
前者致组织温度升高可用下式描述：




2
?
I
0
a
2
4
K
t
T
b
?
ln[
1
?
2
0
]
?
0
c
0
4
K
0
a
其中，< br>T
b
为温度上升值，
c
0
为比热，
ρ
0为密度，
I
0
、
ISPTA
为振辐衰减系数，
a
为声流
2
2
的
Gaussian
位，由
Icr7=I0
exp (r
/a
)
确定。

测温时由于需植入热 电极，
其植入后由于围绕其声波发生反射、
折射及散射，
对声场必
然造成影响 ，
随热电极直径增大，
这种影响将更加明显。
热电极自身也可能因为超声辐照而
升温。围绕热电极后声波反射、折射等而产生粘滞热、其致组织温度改变可描述为：




U
T
v
?
2
?
d
v
?
0
c
0
exp(
?
d
2
/4
k
0
t
)
?
0
4
?
kt< br>[
1
?
(
4
k
0
t
1
/< br>a
2
)]
1
/
2
dt
t
其中，Uv
为粘滞热产热过程中在测量计表面产热的最大率，以单位长度的功率表示，
d
为估计的声热半径，与热电极半径相等。

超声辐照致组织温度改变由以上二者共同决定。不难 看出，
Tv
的产生正是由于测温这
一操作过程。另外，
为了尽可能真实地反映 温度变化，要求热电极要非常灵敏，响应时间应
足够短。这当然会增加技术上的难度，而从理论上讲，不 影响声场几乎难以实现，
虽然有可
能使其直径足够小，而把影响降低到趋近于零。
< br>由于侵入性测温技术的自身弱点，
国外有学者开始研究非侵入性的测温技术。
使其既不< br>影响声场，又能较真实地反映受辐照组织的温度变化。
MRI
是其中较成功的手段之一， 由于
其测温原理是基于组织升温后的自身变化，
不需在组织中留置材料，
从而可避免对 声场的影
响。
Hynynen
等应用
MRI
来引导
HIFU
治疗子宫肌瘤，同时监控靶区温升和组织变化。

高强度聚焦超声治疗学的基础研究，
应包括工程技术和生物学效应基础研究两部分。
本
章将对重庆海扶（
Haif u
）技术有限公司多年来在不同生物组织
/
肿瘤对
HIFU
的反应即
HIFU
治疗肿瘤的生物学效应研究的成果进行回顾，在总结中同时结合国际上对这方面的研究 成
果，这是
HIFU
治疗肿瘤的可行性、有效性和安全性的基础。

超声治疗学中，
辐照剂量的确定是非常重要的。
物理学超声剂量可由声强和辐照时间确
定。
高强度超声和低强度超声的界定，
至今仍无一明确界限。
如一般声强几瓦至几十瓦 的超
声，
在有的文献中被称为高强度超声，
而有的研究者却将其归入低强度超声范畴。
由于声强
的计量方法有
I
SATA
、
I
SATP< br>、
I
SPTA
、
I
SPTP
等，声波又可分为连续波 和脉冲波，脉冲波又涉及脉冲
频率、
工作周期、频率等，
因而明确一个值作为区分高强 度超声和低强度超声的标准，在技
术上也存在一定难度。
所谓超声的强度高低应被视为一个相对 概念，
对用于肿瘤治疗的
HIFU
2
技术，
焦域区的声强可大于10000W/cm
，
瞬时致组织凝固性坏死，
此时几瓦至几十瓦的超声
可视为低强度，而
HIFU
则无疑应划入高强度范围。

体外剂量确定时，< br>因无需考虑生物组织声学特性的相对含量，
即使离体的生物组织的研
究，考虑声学特性也 较在体组织简单。生物组织是不均匀的介质，
声学介面复杂，
声波在生
物组织中传播时 ，产生一系列反射、折射、散射等过程，声能衰减较大，这使得确定生物学
辐照剂量时需考虑多种因素的 影响。
目前研究中普通采用的方案是
“声强×辐照持续时间”
，
声强常用I
SPTA
、
I
SATA
，国外学者在研究用超声转基因法入细 胞时，以“
I
SATA
×受辐照面积×辐
照持续时间”
计算净受辐照 能量。
不难看出，
以上二种方法均未能很好地反映生物组织的声
学特性。一个理想的声 波剂量计量方法应能满足：

1.
反映声强和辐照持续时间；

2.
生物组织的声学特性，最好能较好反映声波辐照下的生物学效应；

3.
便于文献间相互比较。

HIFU
辐照后，受辐照肝组织发生凝 固性坏死，坏死灶大小与超声强度、辐照持续时间
及换能器的声学焦域有关。
一般认为，
作治疗时理想的
HIFU
声学焦域应为长宽径比例合适。
2
采用最大声强为
1109 W/cm
，频率为
0.8 MHz
、
1.6MHz
，焦域为
0.5 mm
×
0.5 m m
×
3.0mm
的
HIFU
治疗系统，观察对离体猪肝组织的损伤。 分别采用定点扫描和连续扫描方式，发现损
伤的体积在连续扫描时，
随辐照持续时间延长，而渐 增大；采用定点扫描方式，初期也渐增
大，但至一定时间后，再延长辐照时间，体积不能继续扩大；表现 出平台现象，邻近最大值
时，延长辐照时间却使损伤向表面扩散及靶区损伤程度加重，组织内可出现空化 泡。


四
HIFU
辐照体内肿瘤
/
正常组织的实验研究

（一）肝癌

1
．正常肝脏：
HIFU
定位损伤活体肝组织的实验发现，受辐照后肝组织凝 固性坏死，坏
死区周围有一充血带，治疗后
3d
靶区与周围组织分界清楚、肉眼即可见 明显灰白色凝固性
坏死改变，
3
—
7d
达高峰，
14d靶区开始收缩，周围可见新生组织，
21d
凝固性坏死组织逐
渐液化、吸收，28d
坏死灶逐渐被纤维结缔组织和新生肝组织替代。组织学观察发现，
HIFU
辐照后肝板和肝细胞索结构被破坏，肝细胞核固缩，胞浆气球样变（图
2-6
）
；3d
可见大片
坏死组织、肝细胞核碎裂、溶解、性细胞浸润，
7d
坏死继 续发展；
14d
坏死灶周围出现纤维
母细胞和新生毛细血管，
21d
可见致密纤维组织包裹坏死区及大量新生毛细血管，淋巴细胞
浸润，
28d
周边有假小 叶形成，而中心仍是细胞坏死，可见新生的结构基本正常的肝小叶。
Prat
定位损伤兔肝实验 已证实
HIFU
可有效靶向破坏肝组织，
而经股动脉插管注入微气泡可
加重损 伤程度。









a
b

图
2-6
肝脏凝固性坏死区及其病理学改变

a
活体猪肝，
HIFU
定点扫描
5
秒、
10
秒剖面观，扫描时间延长，生物学焦域增大。
b
在体猪肝
HIFU
损伤后即刻组
织学变化。


2
．鼠肝癌：采用
HIFU
治疗鼠
W256
肝癌，靶区细胞凝固性 坏死、溶解。
HIFU
辐照
VX2
兔早期肝癌，治疗后立即行组织学检查可见 肿瘤区组织变疏松，血窦破裂，癌细胞体固缩，
核浓缩变性。电镜可见膜消失，细胞器不能辨别，核膜破 裂，染色质边集，可见无结构的均
质性坏死灶，治疗后
7d
可见肿瘤治疗区与未治疗区 分界清楚，辐照区组织坏死，周围可见
纤维组织增生，炎性细胞浸润，靶区肿瘤细胞固缩、溶解，难以发 现结构完整的恶性细胞，
21d
可见致密纤维组织包裹坏死灶。
治疗后存活
1 50d
的动物，
则见结缔组织增生
（图
2-7
）
。
HIFU
治疗组与手术组治愈率分别为
75%
和
62.5%
，均较对 照组显著提高，治疗组与手术组生
存率无显著差异，
中位数生存期分别为
54d
和
150d
，
提示
HIFU
治疗可延长荷瘤动物生存期，
并可能达到治愈。

3
．采用
HIFU
与阿霉素联合治疗兔晚期VX2
肝癌，阿霉素用量为
1mg/kg
，分别于肿瘤
接种后
2 0
～
22
天给予，
21d
进行
HIFU
治疗，发现 阿霉素、阿霉素与超声联合应用治愈率分
别为
0
、
16.67%
（< br>1/6
）和
33.33%
（
2/6
）
。超声治疗及超 声联合阿霉素均可延长荷瘤动物生
存期，治愈动物未见明显肿瘤灶，其余动物均死于肿瘤转移。

4
．
HIFU
治疗鼠
W256
肝癌后的免疫研究发现，经< br>HIFU
治疗后
CD4/CD8
比值增高。提示
超声治疗中有可能改善 机体免疫。

术中
HIFU
治疗鼠实验性肝癌可抑制肿瘤生长、转移，且对实 验动物肝、肾功能无明显
损伤。
HIFU
与化疗相结合，也能延长荷瘤动物生存期，提 高治疗效果，提示其与细胞毒素
2
药物联合治疗肿瘤具有协同增效作用。
Chan报道
HIFU
（
1.7MHz
，
I
SAL
=2 16
—
266W/cm
）辐照
后可使肝肿瘤主要供血血管血流量减小而间接损 伤肿瘤组织，此可称为
HIFU
的继发性肿瘤
抑制作用。

















c
图
2-7
鼠
W256
肝癌
HIFU
治疗后的病理变化

a
b
d