肿瘤治疗用高强度聚焦超声换能器的研究现状

中枢神经系统进行实验观察。1955 年美国依利诺大学的 W.J.Fry 等用四个 X 切石英圆形平板换能器，每个换能器前 附加一平凹形塑性材料声透镜，4 个换能器的波束预聚集 于共同焦点，每个换能器可单独调节相位，以达到焦域声 强的最大值，研究高强度超声对动物神经组织的选择性损 伤作用。这时的换能器材料大多是石英材料，它的优点是 压电性能与谐振频率的稳定性好，缺点是因其各向异性而 需定向切割，阻抗高需要高压激励，材料来源少且尺寸难 做大。
20 世纪 60 年代石英换能器逐渐被压电陶瓷多晶材料 （如锆钛酸铅 PZT 等）换能器所取代。到 20 世纪 90 年代， 英国伦敦皇家马斯顿医院的 G.ter Haar 和 C.R.Hill 等使用凹 球壳压电陶瓷换能器研制了供临床应用的治疗设备，在治 疗前列腺、肝和膀胱的良性及恶性肿瘤疾病方面，取得疗 效。这种单元凹球壳压电陶瓷换能器结构简单，转换效率高， 阻抗低，易与驱动电路匹配，但其焦点位置及焦域形状固定， 因而在治疗较大病灶时，需借助精密而多维的机械调节装
LIU Gang, YIN Jun-gang Medical Equipment Department, Weihai Maternal and Child Hospital,Weihai Shandong 264200, China
Abstract: As non-invasive technique with non-toxic side effects and great potential, high-intensity focused ultrasound(HIFU) has received widespread attention from scholars both at home and abroad in recent years. High-intensity focused ultrasound transducer is the core component of HIFU treatment equipment for oncotherapy, which chould affect the therapeutical result directly. Therefore, this paper summarizes some related issues of high-intensity focused ultrasound transducer, including its development, working principle, applications and so on. Key words: high-intensity focused ultrasound; transducer; oncotherapy
产生的热量不散失，那么辐照t 秒后，软组织升温为：
式中 0 为吸收常数，声强为 I，软组织密度为 ，比热 为 C0，频率为 f。由此可见，组织升温取决于超声波的频率、
声强、辐照持续时间和组织的声学特征，除此之外，超声 波的衰减、组织比热、血流状况对组织升温也有重要影响。 在频率和组织吸收系数不变的情况下，声强越大，辐照时 间越长，组织吸收的热量越多，组织温度上升越快，就越 易使组织受损伤。因此，健康组织所受的辐照量要尽量少， 满足治疗条件的情况下 , 要尽量降低发射源声强和减少健 康组织受辐照的时间。
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的聚焦效果不仅与媒质有关，还与透镜材料有关，界面 反射及声透镜衰减还会造成声能量损失，电声效率低， 焦距不可调节。
（3）相控阵聚焦 ：相控阵换能器包含许多小的阵元， 小阵元本身并不聚焦，通过控制阵元激励信号的相位，使 声波阵面曲率和中心位置发生变化，实现一点或多点聚焦， 同时可实现焦距调节和扫描。与球面自聚焦和超声透镜聚 焦相比，相控阵列换能器具有更加灵活的聚焦方式，可以 根据具体的治理区域形成不同的焦点强度和分布模式，形 成单焦点或多焦点 ；声束路径控制更加灵活，避免声束穿 越骨骼等障碍使正常组织免受损伤。因此，相控阵列聚焦 对高强度聚焦超声从理论上讲是最为理想的设计结构。但 相控阵列同时存在由于换能器阵列中阵元数目及其结构复 杂庞大的技术难点，这大大制约了高强度聚焦超声相控阵 列治疗系统的发展进程。
2 高强度聚焦超声换能器的设计
2.1 HIFU杀灭肿瘤的机制 HIFU 杀灭肿瘤的机制主要有热效应、空化效应和机械
效应。热效应在 HIFU 肿瘤治疗中起重要作用，空化效应 的作用也不可忽视，而机械效应在 HIFU 生物学效应中的 作用不是很大，但机械压力本身可以通过引起空化效应进 而对组织造成伤害。
（1）球面自聚焦 ：利用球面聚焦换能器直接聚焦，球 面自聚焦换能器是将压电陶瓷片研磨成球冠状，或由几十 个甚至几百个平面陶片胶合而成一个球冠状，其制作工艺 和功放电路的性能要求比较高，且此换能器一般采用机械 扫描方式，同时体积大、电声效率偏低，焦距不可调节。
（2）超声透镜聚焦 ：由超声通过透镜材料形成聚焦， 透镜虽然加工容易，但难以找到耐高温、阻抗匹配、衰 减小等性能兼顾的透镜材料，因为高强超声聚焦时，透 镜本身吸声而产生高温会使透镜变形，另外，超声透镜
（3）机械效应。超声波是一种机械波，当超声波在人 体组织中传播时，不论其强度大小都产生机械振动。例如频 率为 1 MHz 的超声，声强为 2 W/cm2，作用于人体时，其质 点振动速度为 0.16 um/s。超声波的机械作用主要是辐射压强 和超声压强所致。辐射压强能引起蛋白质变性、细胞、组织 变形。当组织中存在辐射压差时引起液体流动，即冲流效应。 辐射压可使溶剂和悬浮体获得不同的加速度，而产生内摩擦， 该效应能使生物大分子解聚。超声在液体或人体组织内传播 时，沿波动方向发生周期性变化的正压和负压，使受到超声 作用的质点来回振动。这些振动可能使细胞产生平动、转动， 细胞溶解、细胞功能改变。 2.2 高强度聚焦超声换能器的种类及聚焦方法
[摘 要] 高强度聚集超声（High-intensity Focused Ultrasound，HIFU）作为一种非侵入性、无毒副 作用、具有巨大潜力的肿瘤治疗手段，近年来已经越来越受到国内外学者的广泛关注。高强度聚 焦超声换能器是HIFU肿瘤治疗设备的核心部件，直接影响治疗的效果。因此，本文就其发展过 程、治疗机制及应用等相关问题做一综述。 [关键词] 高强度聚焦超声；换能器；肿瘤治疗
（2）空化效应。超声空化是生物组织及其液体中的微 小气泡核在超声波的作用下泡核的振荡、生长、收缩、崩 溃等一系列动力学过程。高强度超声场中，正负声压交替 出现，在负压时泡核生长成空化泡，而在正声压时刚刚形 成的空化泡压缩而使之崩溃。在空化泡崩溃时常伴有声、 发光、冲击波、高速射流等现象发生。当超声辐照强度超 过一定值时，空化效应增强。如焦斑中出现小“孔”，这些 孔是由空化效应或组织间液体的“暴沸”所引起。一旦空 化产生，将会使焦斑扩散且扩散点位置难以预测，在高强 度聚焦超声治疗过程中需要在对超声强度和超声辐射时间 的选择上平衡考虑，尽量避免空化的发生。
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相控 问题
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置对治疗部位进行扫描治疗。而制作较大孔径换能晶片所 需材料烧结与制作工艺也要求较高 [3]。多元电子相控阵换 能器的出现，在上述这些方面具有极好的灵活性和巨大的 潜力。Daum 等人于 1999 年研制了在一个凹球面基体上安 装 256 个阵元组成的多元电子相控阵换能器。通过计算机 和电路控制每个阵元发射声束的相位与幅度，可在病灶区 域方便地实现精确的焦点定位，逐点扫描，乃至多焦点同 时治疗。这种多元阵的制作工艺及阵元性能的一致性均要 求甚高，所需控制电路复杂、造价高。另外，由于阵元波 束之间的相互干涉。其声场还存在不希望的栅瓣、旁瓣等 问题。因此，多元电子相控阵换能器还需要进一步进行研究， 优化其设计方案。目前，GE、西门子、日立等公司都已积 极参与到这个领域 [4]。
我国的 HIFU 治疗技术的研究与临床应用，近几年取得 突破性进展。在聚集换能器研制技术上，也具有自己的特色。 重庆医科大学采用单元大直径换能器结构，配合有 6 自由度 微机控制机械调整治疗床，可实现对病灶的精确定位与扫描 治疗 [3]。北京医科大学与中科院声学所合作，采用多元凹面 换能器阵结构，也配有精确机械定位装置，可对治疗过程进 行监视，两家都在换能器中央部分安装有 B 超探头。西安 交通大学万明习等研制了 256 阵元相控换能器，其声场的焦 域形状和聚焦声强均达到了治疗的要求，而且能够减少肋骨 上的声功率累积，避免了正常组织受损 [5-6]。上海交通大学 陈亚珠等对多元电子相控聚焦阵进行模拟设计与计算仿真研 究，提出了相控阵列的优化设计方法 。 [7-8]
（1）热效应 。一定高强度的超声波在组织内传播时， 不断被组织吸收而转变为热量，使组织温度迅速升高，当 温度达到某个临界值并维持一段时间后，组织中的癌细胞 就会产生不可逆性坏死，达到外科手术的效果。当强度为 I 的超声平面行波在声吸收系数为 的媒质中传播时，单位 体积内，超声作用 t 秒时产生的热量为 [9] ：
1 高强度聚焦超声换能器的发展
高强度聚焦超声换能器的历史，可以追溯到 20 世纪 40 年代。1942 年，美国哥伦比亚大学的 I.G.Lynn.，首次 采用单个 X 切石英单晶体凹球壳聚集换能器对活体动物的
收稿日期：2012-05-14 作者邮箱：lluu521@sina.com
修稿日期：2012-07-09
[中图Baidu Nhomakorabea类号] TH774 [文献标志码] B doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.022 [文章编号] 1674-1633(2012)09-0086-03
0 引言
高强度聚集超声被认为是 20 世纪末无创伤外科，特别 是肿瘤治疗技术的一项突破性进展，发展迅速 [1-2]。HIFU 肿瘤治疗技术是指超声换能器发出的超声波在超声聚焦装 置的作用下形成高强度超声能的焦点区域，人体肿瘤组织 吸收焦点区域的高强度超声能量，短时间内使置于焦点靶 区的肿瘤组织温度升到 60℃以上而致死靶区肿瘤组织的治 疗技术。聚焦超声换能器是 HIFU 肿瘤治疗设备的核心部件， 目前国内外诸多学者都致力于对其的研究。
超声加热治疗肿瘤的最大特点是超声波可以聚焦，它 可以把声能聚焦到 2 mm×2 mm×10 mm 的空间里，其体积 小于一般的常见肿瘤，而此时的能量极大（声强 I ＞ 1000 W/cm2）, 这是任何其他加热方法所不能做到的 [10]。现有的 HIFU 聚焦换能器按聚焦原理主要可分为 ：球面自聚焦、超 声透镜聚焦、相控阵聚焦三种。
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肿瘤治疗用高强度聚焦超声换能器的 研究现状
Current Research Situation of High-intensity Focused Ultrasound Transducer for Oncotherapy
刘刚, 尹军刚 威海市妇女儿童医院 医疗设备科, 山东 威海 264200
3 HIFU在肿瘤治疗中的应用
HIFU 目前在临床上最广泛的应用是肿瘤治疗。在 HIFU 肿瘤治疗过程中，应根据肿瘤的分期、部位、与邻 近器官的关系、超声通道条件等，尽可能对肿瘤实施完 全的热消融 。 [11-14] 由于 HIFU 是一种物理治疗手段，不 像化疗那样对细胞的种类依赖性较强，只要符合一定的 物理条件，超声波能够有效到达治疗部位，原则上该部 位的肿瘤均可以采用 HIFU 治疗，因此 HIFU 的适应症在 不断扩大。但由于受到高强度聚焦技术本身诸多不确定 因素的限制及局部解剖结构的复杂性，加上临床应用时 间尚短，因此，目前 HIFU 主要用于肿瘤的局部姑息治疗， 主要用于无法手术根治切除的实体肿瘤，是肿瘤综合治 疗的方法之一 。 [15-16]