高强度聚焦超声周边三维消融模式的实验研究

发布时间：2018-01-19 14:35

本文关键词： 高强度聚焦超声热消融剂量学周边消融模式离体肝脏灌注流量　出处：《重庆医科大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：背景与目的恶性肿瘤已成为严重威胁人民生命健康的疾病，发展具有靶向性、特异性杀灭肿瘤，而对正常组织和机体影响小、甚至无创性治疗肿瘤的方法是医学发展的重要方向。大量的基础研究及临床试验表明，高强度聚焦超声（high-intensity focused ultrasound, HIFU）技术可将低能量的超声波在靶区内聚焦，通过焦点处的高能量对组织细胞迅速产生不可逆的凝固性坏死，从而达到无创消融肿瘤的目的。近年来， HIFU对肝癌、前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌、恶性骨肿瘤及肾癌等实体肿瘤的热消融取得了较好的疗效。HIFU技术由于无创、定位精确、适形消融、穿透力较深、无电离辐射、不增加恶性肿瘤转移的风险及能增强宿主的抗肿瘤免疫反应等特点，临床应用价值较高。聚焦超声辐照形成的焦域（focal region）较小，通常为毫米级。目前临床治疗的传统模式以“点-线-面-体”的组合方式直至完全覆盖整个肿瘤。当HIFU消融大体积肿瘤、深部肿瘤、中晚期肿瘤时，所带来的治疗时间过长、辐照剂量大、治疗效率低、医疗成本增加及临床风险增高等问题不容忽视。另一方面，就恶性肿瘤的生物学行为特性而言，肿瘤的边缘部分呈浸润性生长、血供丰富、耗氧量高、传热快，是整个肿瘤生长最快、最活跃、恶性行为最突出的部分；而肿瘤内部由于灌注不足、低代谢、缺血缺氧，，常常造成不同程度的坏死。因此，针对大体积肿瘤，我们课题组提出这样的假设：拟在靶组织的周边形成一个完整的凝固性坏死隔离带，以期造成肿瘤内部继发性缺血、缺氧性坏死，达到有效抑制肿瘤生长、缩小肿瘤，最终实现整个靶组织的完全性坏死。基于上述研究背景，本课题针对大体积和深部肿瘤，探讨HIFU在肝脏靶组织的整个周边进行“削苹果皮式”的三维消融模式，以期形成包裹整个靶区的完整凝固性坏死隔离带；初步探讨这种新型消融模式下HIFU扫描路径、最优化剂量学组合、能量投放策略及其消融效果；探讨建立适用于HIFU基础实验研究的离体猪肝机械灌注模型；并初步探讨离体猪肝机械灌注模型下的肝脏大血管流量变化对HIFU周边消融模式的影响，以期达到减少所需消融体积、缩短治疗时间、提高治疗效率和安全性的目的，为临床上“更高效、更安全的高强度聚焦超声治疗”模式提供理论基础、实验依据和参考。本课题的研究主要包括以下三部分：第一部分HIFU周边三维消融模式在离体牛肝的研究目的：在离体牛肝实验中探讨HIFU周边三维消融模式的扫描路径、可行性及能量投放的策略，并与传统的完全性消融模式对比，阐述这种新型消融模式在治疗时间、能量消耗等方面与传统的完全性消融模式之间的差异，为下一步研究奠定基础。材料与方法：新鲜牛肝组织（屠宰6h以内）选择血管、胆管较少的部分切成120mm×80mm×60mm大小的组织块，真空泵脱气30min后备用。采用JC-200型聚焦超声肿瘤治疗系统（双凹球面聚焦、频率0.9MHz、焦距140mm、超声实时监控，PVDF针式水听器在脱气水中测定声焦斑呈椭球形，纵轴最大值为8mm、横轴最大值为3mm），采用连续波、连续点打法首先依次从深度40mm、32mm、24mm、16mm处，以辐照后即刻声图像出现点状强回声为辐照有效的标志，辐照结束后沿声束长轴以每层2mm的厚度逐层切开牛肝，依次找到损伤的最大剖面直视下观察并测量形成单点凝固性坏死的大小、形态，从而确定不同深度处的辐照参数及组合；随后，根据单点坏死的结果，依次从深度40mm、32mm、24mm、16mm处，扫描线长为40mm、确定形成边界清晰、内部无正常组织残留的线状凝固性坏死的各个剂量学参数及其组合方式；再根据设定的坐标、以周边式消融组为实验组、完全性消融组为对照组，按照由深至浅的扫描顺序，靶区顶面完全覆盖超声能量、中间层面沿靶区周边扫描、底面完全覆盖超声能量的辐照方式；对照组则由深至浅逐层完全扫描。TTC染色后测量坏死范围，组织切片HE染色光镜观察。辐照剂量为声功率与辐照时间的乘积，数据统计后分析。结果：深度分别为40mm、32mm、24mm、16mm处，声功率输出范围180W～330W、单点辐照时间2s时形成了界限清晰、灰白色、椭球形的点状凝固性坏死；采用上述单点坏死的辐照参数，以相邻两点间隔时间10s、相邻两点间隔距离3mm，由深至浅地依次形成了形态较规整的完全性线状凝固性坏死。周边式消融组靶区的六个表面坏死完全、边界清晰，内部未扫描区域无明显损伤；对照组靶组织完全坏死；两组靶区周边坏死范围无明显差异（P值＞0.05），周边式消融组的总辐照时间和总能量消耗均明显低于完全性消融组（P值＜0.05）。结论：在离体牛肝组织，采用HIFU连续波、连续点打法，以不同辐照深度处形成的生物学焦域（BFR）为核心，选用较高声功率和短时间辐照的组合方式，动态地调整声功率、单点辐照时间、相邻两点间隔距离、相邻两点间隔时间、不同层面间隔时间等参数，由深至浅地扫描、靶组织顶面及底面完全扫描而中间层面仅扫描靶区周边的方法，能够形成边界清晰、形态较规整、完整的周边凝固性坏死带。周边消融模式较完全性消融模式可降低总能量消耗、缩短总辐照时间。第二部分离体猪肝机械灌注模型的建立及评价目的：由于HIFU周边消融模式中治疗头扫描范围较大，声通道上的腹壁组织、肋骨、胃肠道气体、机体呼吸运动、体表声耦合条件等因素可影响超声能量地有效积聚，为减小这些因素对声场的干扰，本部分实验旨在探讨建立适用于HIFU基础研究的离体猪肝机械灌注模型，并探讨相关的监测、评价方法。材料与方法：从屠宰场获取36例猪肝（肝脏热缺血时间小于30min）经门静脉和肝动脉双血管插管，以等渗性灌注液、体外循环机离体灌注3h，监测灌注期间肝脏的颜色、质地、质量变化率，采用生物血压传感器、多通道生理信号采集处理系统监测门静脉及肝动脉的流量和压力，彩色多普勒超声检测肝脏大血管流体动力学变化，经胆总管持续吸引监测胆汁分泌量，肝组织随机活检、HE染色光镜观察组织学改变等方法评价肝脏的灌注效果。结果：33例猪肝经门静脉和肝动脉插管成功，同时经胆总管穿刺胆汁引流通畅；3例猪肝经肝动脉插管失败未灌注。持续灌注3h期间，31例肝脏质地柔软、呈土黄色、包膜光滑、边缘锐利，2例肝脏呈红黄相间的花斑样改变；灌注3h后肝脏较灌注前增重率为（18.3±3.5）%；调节门静脉和肝动脉压力范围分别为7～10mmHg、70～80mmHg时，门静脉和肝动脉的平均流量分别为（37.1±1.3）ml/min/100g、（17.5±0.8）ml/min/100g；彩色多普勒超声显示灌注后肝脏实质呈均匀的低回声、肝内管道走行正常，门静脉和肝动脉充盈好，门静脉平均流速为（13.6±2.0）cm/s、肝动脉平均流速为（37.4±2.8）cm/s；3h内胆汁分泌总量为（19.6±0.8）ml，胆汁呈淡黄色；灌注后3h组织学检查见肝组织结构完整、肝窦扩张、少许肝细胞水样变性，肝窦内淋巴细胞及Kupffer细胞增多。结论：该离体肝脏机械灌注模型稳定、可重复、干扰因素较少、操作可控，既能定量评估灌注效果，又可减少实验所用大动物的数量，能够较好地满足HIFU基础研发中的实验需求。第三部分肝脏流量对HIFU周边三维消融模式的影响目的：基于已建立的离体猪肝机械灌注模型，探讨HIFU周边消融模式在灌注猪肝的可行性及剂量学组合方式、能量投放策略，初步探讨肝脏流量变化对HIFU周边消融模式剂量投放、能量消耗的影响，以期阐明肝脏流量在HIFU周边消融模式中所起的作用。材料与方法：采用HIFU连续波、直线扫描法，基于离体猪肝灌注模型，44例猪肝随机分为：实验组1（同时灌注门静脉和肝动脉，平均总流量53ml/min/100g）12例，实验组2（仅灌注门静脉,平均流量38ml/min/100g）11例，实验组3（仅灌注肝动脉，平均流量15ml/min/100g）10例，对照组（肝脏无灌注）11例。每例样本靶区均定位于肝脏同一叶，计划消融范围均为30×20×18mm3。以HIFU辐照即刻出现线状强回声为治疗有效标准，通过动态地调整辐照深度、声功率、扫描速度、相邻两条直线的间隔距离等辐照参数沿整个靶组织的周边扫描。扫描结束后，依次沿声束长轴切开肝脏，测量并计算消融范围；各组取辐照区、辐照区与内部未辐照区的交界处肝组织做组织学检查；计算各组的能量消耗，收集数据并统计分析。结果：根据辐照即刻出现的完整、连续的线状强回声确定HIFU剂量输出，声功率随辐照深度降低而逐层减低，扫描速度随辐照深度降低而逐渐增快，相邻两条线的间隔距离为4mm、层面间距为6mm的组合方式，能够沿靶组织周边形成完整的坏死带，组织学结果显示凝固性坏死完全、与未扫描区域分界清楚；4个组的消融范围无显著性差异（P＞0.05）；实验组1～3的总能量消耗均明显高于无灌注组，随肝脏流量降低，各组间的总能量消耗依次明显减少（P＜0.01）。结论：采用HIFU连续波、直线扫描法能够在离体猪肝灌注模型沿靶组织周边形成完整的凝固性坏死带。通过动态调节辐照深度、声功率输出、扫描速度、直线间距、层间距等参数，在靶组织坏死范围一致的前提下，减少肝脏流量能够相应地明显降低HIFU的总辐照剂量；反之，增加肝脏流量则显著增加HIFU周边消融的能量消耗，提示肝脏流量是影响周边消融模式总能量消耗的重要因素。这可为HIFU周边三维消融模式的临床应用在制定治疗计划、优化剂量学参数等方面提供实验依据和参考。
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【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R730.55

【参考文献】