从超声波到高强度聚焦超声消融技术

科学以神奇的力量改变着我们的生活，本文的写作是处于一个偶然的原因，无意接触到HIFU，通过整理前后资料，将与每个人健康有关系的大事介绍清楚，因为这里有许多物理术语，读到术语，每个人并不一定能理解，有时甚至会误解，所以通过学物理人的解读，有助于理解，达到爽心悦目的效果。

1超声波的发现

超声波是一种波，顾名思义，超过声音频率，是我们听不见的一种波，我们耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。频率高于20000赫兹的声波，其每秒的振动次数（频率）较高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），所以叫超声波，虽然听不见，但超声波是一种机械波，不含放射线，对人体无任何伤害。虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有感觉到它的本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。比如蝙蝠能发出2万～10万赫兹的超声波，利用这种“声呐”判断飞行前方是昆虫，还是障碍物，如同一座活动的“雷达站”。

人类在第一次世界大战时开始利用超声波，利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等，此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。在医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了超声技术的新篇章。国内超声治疗起步于20世纪50年代初，从1950年开始，用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病，到了70年代有了各型国产超声治疗仪，40多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和丰富的临床经验。特别是80年代出现的超声体外机械波碎石术和超声外科等技术。

2高强度聚焦超声消融技术

能不能有一种从体外照射，就能把身体内部的病治好的技术呢？听上去似乎天方夜谭，但这种技术已经存在，而且是由中国人首创的，不出国，在家门口就能体验到无创手术的神奇。近10年来，外科手术已经发生了巨大的变化，从用刀切开伤口的巨创手术，到从身体打洞把腹腔镜放入体内的微创手术，再到用高强度超声聚焦的无创手术，病人可以对自己的治病方案做出选择，了解现代外科手术的发展现

状和先进的医疗设备所在地，对病人提出

了高要求。不同医院不同科室的医生往往

会根据自己科室现有的设备，提供一个治

疗方案，而对更好的方案只字不提，甚至

假装不了解或真的不了解，比如在北京第

二炮兵总医院妇产科大夫就不知道在同家

医院的肝胆外科可以无创治疗子宫肌瘤这

件事，说那是治疗癌症的，她们用留疤的

射频技术，病人这时如要不清醒，很可能

误上手术台，造成终生不育的后果。病人

在就医之前就要做好功课，了解最新技

术，要具体到哪家医院和哪个科室，甚至

那个大夫，做一个高级病人，不能随便把

自己交代给一个不了解的医生。一般级别

越高的医院设备越好，医院的宣传对病人

也是很重要的。

在理想声场中，低能量的超声波通过

聚焦可在焦点处形成一个强度相对较高的

区域，超声和可闻声本质上是一致的，它

们的共同点都是一种机械振动模式，通常

以纵波的方式在弹性介质内传播，超声波

频率高，波长短，在一定距离内沿直线传

播具有良好的束射性和方向性，人们把焦

点附近声强大于空间峰值声强50％的空间

范围叫做海扶的声焦域，海扶，英文HIFU

（High Intensity Focused Ultrasound的缩

写），即高强度聚焦超声也就是超声聚焦

消融，像看到B超这两个字一样，看到

H IF U就明白是特指这个技术，其原理与

太阳光经放大镜聚焦后点燃在焦点处的纸

片的原理相似，利用超声波可通过人体组

织，并聚焦在特定靶区，将能量聚集到足

够的强度，使焦点区域达到瞬间高温，破

坏靶区组织，在组织病理学上表现为凝固

性坏死，也叫消融，达到破坏病变区域的

目的，而病变区域外的组织没有损伤，超

声波是透过非治疗区进入治疗区，治疗区

与非治疗区的边界只有6到10个细胞的宽

度。理论研究表明,在振幅相同的条件下,

一个物体振动的能量与振动频率成正比,

超声波在介质中传播时,介质质点振动的

频率很高,因而能量很大，超声波会产生

反射、干涉、叠加和共振现象。

利用超声波极强的穿透力，通过超声

发射器发射的数百束高能超声波（相当于

5 万台普通B 超机），像聚集太阳能一样

使焦点汇集在肿瘤组织上，利用高能超声

空化作用使肿瘤组织细胞膜破裂，同时高

能超声波释放出巨大能量迅速转化为热

能，瞬间焦点处肿瘤组织的温度达65 ℃

-100 ℃，通过高温来破坏肿瘤组织，导致

蛋白变性，使靶组织发生不可逆的凝固性

坏死，有效地杀死瘤细胞，同时能选择性

破坏直径2毫米以内的小肿瘤血管，对更

大的血管几乎无损伤。比如子宫肌瘤手

术，通过阻断肌瘤血液供应，不开刀、不

流血、不切除子宫，以点线面体的方式一

次性治疗体积较大、形态各异的肌瘤。治

疗时一方面肌瘤细胞发生凝固性坏死；另

一方面其自身的供血血管也处于闭塞凝固

状态，使肌瘤细胞失去营养，两方面因素

协同作用，最终导致肌瘤细胞死亡，在代

谢过程中脱落或被吸收甚至消失，使病变

结构功能恢复正常。

超声波用于治疗始于1942年，Lynn将

超声波聚焦于活体动物脑部，并提出了用

高强度聚焦超声从体外对体内进行无创性

手术的设想。1958年Fry等在去颅骨的情

况下，将聚焦超声用于治疗帕金森病等神

经系统性疾病。由于超声消融的复杂性，

特别是超声波进入生物组织后致凝固性坏

死的不可预测性，以及如何监控靶点，使

超声消融治疗肿瘤成为一个多因素复杂问

题。上世纪50年代，美国科学家Fry兄弟

首次提出将聚焦超声用于治疗肿瘤的构

想，并进行了初步探索。这一构想主要是

利用超声波具有组织穿透性和能量沉积性

的特点，将体外发生的超声波聚焦到体内

病变组织，利用聚焦点的高温直接“烧死”

病变细胞。1993年S i b i l l e等用“高温

（40～45℃）”的超声作用于组织后发现，

这一温度不能引起组织的即刻损害，但这

一效应可以作为强化放疗、化疗的辅助治

疗手段。超声聚焦在组织内形成损伤。主

要机制是热，当有空化效应发生时，损伤

形态和大小发生改变，控制损伤的形态、

大小是当时的研究难题。Adams等认为换

能器发出的超声波要损伤组织，除了焦

距、组织特征的影响外，还与超声能量和

组织的相互作用有关。Ter Haar等认为聚

焦超声用于临床使用需要对超声在组织内

的作用有足够的了解。G o l d b e r g等认为

Pennes生物热方程已经考虑了影响凝固性

坏死的主要因素。简单地说，对一个组织

凝固性坏死的热剂量等于能量沉积乘以局

部组织的吸收系数减去致热损害前的热丢

失。1988年，王智彪萌发了用高强度聚焦

超声，从体外对体内肿瘤进行非侵入切除

的灵感。在之后的10年中，他和他的团队

在该领域提出了，“生物学焦域”即HIFU

单次辐照后，超声能量在生物组织中沉积

所形成的点状凝固性坏死；“超声治疗剂

量学”即每切除1 mm3需要的焦耳超声能

量，并得到了在动物不同组织中能效因子

的数据；“组织声环境”即探讨引起组织声

环境变化的因素和规律，并用物理或化学

方法改变组织声环境，可大大提高治疗效

率，增加超声治疗的有效性和安全性，建

立标准化治疗模式等概念。在实时超声监

控、治疗系统优化、远程医疗系统、临床

方案等方面，积累了很多临床病例，在该

领域的设备研制、临床应用及若干基础研

究方面走在世界前列。

在九十年代中期，超声专家就开始聚

焦超声对香猪子宫的凝固性坏死进行研

究。从肌肉对超声是否敏感，到详细的剂

量问题，即多少的剂量可以将病灶彻底消

融，超声治疗专家做了几百头香猪实验，

之后开始着手于猴子实验。把在香猪试验

中筛选的剂量，应用在猴子身上，因为灵

长类的子宫，跟人的相对比较接近，让猴

子的子宫增大，增大以后用超声聚焦进

去，将它消融一大块。消融以后，将猴子

养起来，让凝固性坏死组织慢慢吸收，吸

收以后，还让猴子受孕，怀孕了以后再观

察是不是能生育，修复的子宫是不是能够

承受胎儿的长大，妊娠以及分娩的收缩，

在猴子身上完整的做了这个过程，结果都

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.014

从超声波到高强度聚焦超声消融技术刘红孙涛赵立强刘艳 北京物资学院物流学院，北京　１０１１４９