摘要目的:了解高能聚焦超声热疗的升温效应和生物效应及安全性。方法:分别以活体猪肾及肝、膀胱、结肠壁、卵巢、大血管作为靶组织进行体外聚焦热疗(focused extracorporeal pyrotherapy, FEP)实验,观察靶区温度升高、温度分布和靶组织热疗后的病理改变。结果:FEP可在活体猪肾、肝等组织内形成一大于70℃的局限性高温区,FEP后靶组织的病理过程为坏死、液化、纤维化。结论:高能聚焦超声热疗可用于机载B超可探及的腹、盆腔实体肿瘤的治疗。

中国图书资料分类法分类号R730.56-332

The preclinical research of high intensity focused ultrasound

HE Shen-Xu， XIONG Liu-Lin, YAO Song-Sen, YU Jin-Sheng, LAN Jiang, YU Qiu-Hong, et al

(Applied Research Institute of Lithotripsy,People's Hospital， Beijing Medical University, Beijing100034)

MeSHHigh intensity focused ultrasound^☆Ultrasonic therapyNeoplasms/therHyperthermia, induced

ABSTRACTObjective: To evaluate the thermal effect, bioeffect and safety of FEP.Methods: Studies on pig's kidney, liver, bladder, colon, ovary and large vessels in vivo, the thermal effect of FEP，distribution of temperature and pathologic changes after FEP were observed.Results: Local high temperatures(＞70℃)were observed in pig's kidney, liver in vivo. The pathologic changes of target tissues after FEP were necrosis, liquidizatin and fibrosis.Conclusion: FEP can be used to treat solid tumors detected by located B ultrasound in abdomen and pelvis.

（J Beijing Med Univ, 1999,31:573-576）

高能聚焦超声热疗(high intensity focused ultrasound, HIFU)又称体外聚焦热疗（focused extracorporeal pyrotherapy, FEP），是通过体外发射的高能超声在体内聚焦形成一个大于70℃局限高温区,从而达到杀灭体内肿瘤的目的。1996年6月,我所自行研制成功FEP-BY01型聚焦超声肿瘤治疗机,本文对其升温效应、生物效应和安全性进行了临床前实验研究,全文报告如下。

1材料与方法

1.1材料

FEP-BY01型高能聚焦超声肿瘤治疗机，输入功率为0.5～2.0 kW,超声频率为1.04 MHz,采用CONCEPT B超定位；定位器精度为±1 mm；WRNK-101型针状热电耦温度传感器,头端直径1.0 mm,响应时间0.3 s,反应时间0.7 s，量程0～150 ℃。

1.2实验对象

普通杂种猪,20～30 kg,性别不限,静脉注射2%（质量比）戊巴比妥钠(每千克体重1 ml)麻醉。

1.3升温效应实验

单次辐照的升温效应:将传感器头端固定于焦点,治疗腔注满脱气水,采用1 kW功率,分别进行0.1、0.2、0.3、0.4、1.0 s单次辐照,用函数记录仪描记升温曲线。

活猪肾、肝的累积升温效应及焦域区温度场分布测定:预先将4支温度传感器均匀地固定在定位器上,开腹显露右侧肾,FEP时取右侧卧位,传感器经切口直接插入肾实质内,并使第1根传感器尖端与焦点重合,第2～4根传感器尖端分别位于焦点外6.8 mm、13.6 mm、20.4 mm,辐照条件为输入功率(P)1 kW,单元发射时间（t₁）0.13 s,占空时间（t₂）0.3s,发射次数（T）1000次,同时监测4个传感器的温度变化。活体肝的累积升温效应和焦域区温度测定与肾相同。

1.4FEP生物效应实验

肾FEP实验:活猪18头,麻醉后取侧卧位,焦斑设在一侧肾下极的实质中部。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为1000～3000次, 分别于FEP后即刻，24、48h，1、2、3、4、5周切除该侧肾送病理,同时将焦斑区肾组织细胞行台盼蓝染色,计数细胞染色率,以肾正常组织为对照。

肝FEP实验:活猪19头,FEP时取俯卧位,焦斑设在肝下缘。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为700～3000次, 分别于FEP后即刻、24h、48h、1周、2周、3周、4周、5周切除焦斑区肝组织送病理,以肝正常组织为对照。

膀胱壁FEP实验:将焦斑设在一头猪的膀胱左侧壁, 取俯卧位。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为500次,FEP后3周手术切除焦斑区膀胱壁送病理。

卵巢FEP试验：猪3头，取俯卧位，焦斑设在卵巢中央。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为1000次，分别于FEP后即刻与3、10周切除卵巢送病理。

离体肾癌FEP实验:将当日切除的人体肾混合细胞癌(直径约40 mm)固定在发射器焦点上进行模拟治疗。辐照条件：P为1 kW, t₁为30s, t₂为5s，T为5次,治疗后即刻剖开肿瘤,进行肉眼观察测量,然后送病理。

结肠壁FEP实验:将一头猪麻醉后开腹,直接将焦点对准升结肠壁进行辐照。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为800次,FEP后即刻切取结肠壁送检。再将另一头猪先用手术方法将升结肠远近两端扎紧,刺入胃管,洗去肠腔内粪便和气体后,将其注满生理盐水,然后将焦点对准升结肠壁,以同样条件辐照,FEP后即刻观察焦斑区结肠壁变化,去除结扎带后关腹,3周后再开腹检查,并将焦斑区结肠壁送病理。

腹腔内大血管FEP实验:分别以两头猪的腹主动脉、肾动脉、髂动脉和下腔静脉为焦点进行FEP实验,动物取俯卧位。辐照条件：P为1 kW, t₁为0.13s, t₂为0.3s，T为2000次。FEP后即刻剖腹观察有无出血及血管壁变化,然后关腹,3周后再次剖腹检查,并将焦点处血管壁切送病理。

2结果

2.1升温效应实验结果

在水中采用不同时间的单次辐照时,峰值温度分别为49℃、67℃、77℃、82℃、88℃、107℃,基础水温为30℃,温升量与单元时间呈正相关。活体猪肾的累积升温效应及焦域区温度分布见图1,焦点最高峰值温度在100℃左右,大约出现在辐照50次左右,此后是一个较平坦的降温过程,但仍维持在70℃以上,这种逐渐降温过程一方面可能由于肾组织被加热的范围逐渐增大导致热扩散加快,另一方面可能由于肾组织不断加热导致声阻抗改变、声衰减加重所致。离焦点6.8 mm处温度曲线在60℃左右,13.6 mm处温度曲线在45℃～50℃左右,20.4 mm处温度曲线在40℃左右。活体肝累积升温效应及焦域区温度分布与活体肾相似,但焦点处峰值温度在80℃左右,这可能是由于肋骨阻挡了部分超声波,使得有效辐射能量下降。

t, time; θ, celsius temperature.

图1FEP过程中活体猪肾焦点区域温度分布曲线

Figure 1The distributive thermal curve of focus

area of pig's kidney in vivo in FEP

2.2FEP生物效应实验结果

FEP对活体猪肾的生物效应:FEP即刻部分猪肾焦斑区出现直径5～16 mm瓜子形白斑,病理报告为肾实质内凝固性坏死,原结构消失,伴小血肿及炎性反应,部分猪肾焦斑区未见阳性肉眼改变,病理检查也未见异常,但FEP后靶区肾组织细胞台盼蓝染色率为64%～83%,24 h均为100%,而正常肾细胞均不染色。FEP后24～48 h,镜下见焦斑区肾组织片状坏死、液化和炎性反应,肾小管上皮细胞出现核缩、核凝现象,说明FEP所致细胞死亡形式除凝固性坏死之外，还有变性坏死。1～2周后出现小空洞,空洞最大直径4～10 mm,肾周围被纤维结缔组织粘连，3～4周后焦斑区出现纤维化（图2）。

图2FEP后3周，猪肾焦斑区病理

改变表现为坏死、肉芽和纤维化HE×40

Figure 2The histologic changes of the focal area in pig's

kidney demonstrated necrosis、 granuloma and fibrosisHE×40

FEP对活体肝组织的生物效应:FEP后即刻见焦斑区肝被膜淤血或呈白斑,白斑大小为6 mm×5 mm×5 mm～15 mm×13 mm×10 mm,镜下见肝小叶血管扩张、淤血、片状不规则变性、坏死,24 h～1周焦斑区肝组织出现片状坏死、出血和炎性反应,2～3周焦斑中心出现直径约10 mm空洞,空洞周围出现纤维化,4～5周焦斑区肝组织逐渐被纤维结缔组织代替。

FEP对膀胱壁的生物效应:FEP后3周在膀胱左侧壁外有直径约30 mm粘连区域,膀胱壁病理切片为严重瘢痕和肉芽组织,合并局灶性坏死与感染，未发生穿孔。

FEP对卵巢的<