治疗超声热疗技术

1、超声热疗 治疗超声 热学机制 超声热疗 未来发展趋势 超声热疗技术 发展历史、现状 超声肿瘤 温热治疗技术 1866 年德国医生Busch 首先报告1 例经病理证实的面部肉瘤, 因两次感 染丹毒, 高烧后肿瘤消失, 患者存活。1884年B runs 报告1 例晚期恶性 黑色素瘤,因感染丹毒高烧数天后肿瘤消失, 随访8年, 仍无复发、转移。 1893 年Coley 在美国医学杂志上发表了 他研究的“发热疗法”, 意外地或实验性地给患 者注射化脓性链球菌及绿脓杆菌混合提取物 (即丹毒毒素, 也称Coley 毒素) , 诱发患者发 热38 40, 治疗晚期癌症38 例, 访27 年, 其中12 例治

2、愈, 19 例好转, 5 年生存率达60 %。Coley 曾用人工接种丹毒的方法治愈10 例肉瘤, 其中2 例发热最高的患者, 分别存活 27 年和7 年, 这是国际上第一个应用人工高 热治疗恶性肿瘤的报告. hyperthermiahyperthermia 热 疗 气化热疗 固化热疗 常规热疗 压高温热疗 hyperthermiahyperthermia 利用超声在人体中传播的吸收等引起的温升现象治疗疾病, 已有70 余年历史。在治疗神经痛、软组织劳损及关节炎方面已普及, 在治疗 脑血管疾病与中医针灸穴位结合疗效显著。在内科、神经系统、运动 系统、外科、妇产科、眼科、五官科、皮肤科等方面均已

3、推广应用, 与电疗结合疗效更佳。 典型的超声热疗应用是治疗肿瘤。一种是升温治癌法, 用强度为 3102W/cm2 的非聚焦超声透过体壁照射肿瘤, 保持温度4345 几十分钟, 可使癌细胞凋亡, 而正常组织损伤甚少。与放射疗法或化学 疗法结合, 效果更好, 可减少放射量或化疗剂量。 Ultrasound-hyperthermiaUltrasound-hyperthermia High intensity focused ultrasound (HIFU) High intensity focused ultrasound (HIFU) technologytechnology 国际上90年代初兴

4、起了一种旨在用于治疗肿瘤的高强聚焦超声 （HIFU）无创外科技术。 主要特点主要特点：对超声束在体外施以聚焦，使焦点处的高强（几千、上 万W/cm2）超声能量定位到体内靶组织（如肿瘤）上，短时间 （0.55s）辐照，即可使靶组织升温到65左右迅速使蛋白质固化 至坏死，又不损伤周围的正常组织，达到无创ablation肿瘤的目的。 超声换能器超声功放 循环冷却装 置 B超成像仪 温度显示 中央控制台 PC机 探头机械 驱动器 肿瘤 Ultrasound-hyperthermiaUltrasound-hyperthermia Ultrasound Ultrasound thermologytherm

5、ology mechanism mechanism PENNES EQUATION Ultrasound Ultrasound thermologythermology mechanism mechanism Ultrasound Ultrasound thermologythermology mechanism mechanism 聚焦超声换能器聚焦超声换能器-核心核心, 最关键最关键 聚焦换能器设计方聚焦换能器设计方 案的选择是十分重要的案的选择是十分重要的 关键参数及聚焦声场的控制、测量关键参数及聚焦声场的控制、测量 HIFU的温度场测量的温度场测量 三维重建、计算机辅助手术干预三维重建

6、、计算机辅助手术干预 超声肿瘤热疗发展技术超声肿瘤热疗发展技术 高精度超声相控阵驱动系统高精度超声相控阵驱动系统 针对相控阵技术的核心针对相控阵技术的核心相位差（延时）控制相位差（延时）控制 研究研究FPGA技术，利用技术，利用FPGA技术开发了技术开发了64路可路可 控移相系统，实现高能相控聚焦超声驱动系统控移相系统，实现高能相控聚焦超声驱动系统 给予给予DDS技术的信号驱动系统技术的信号驱动系统 超声肿瘤热疗发展技术超声肿瘤热疗发展技术 FPGA技术（FieldProgrammable Gate Array ）： 现场可编程门阵列现场可编程门阵列 是美国是美国Xilinx公司于公司于198

7、4年首先开发的一种年首先开发的一种 通用型用户可编程器件通用型用户可编程器件 FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用既具有门阵列器件的高集成度和通用 性，又有可编程逻辑器件，用户可编程的性，又有可编程逻辑器件，用户可编程的 灵活性。灵活性。 美国美国QUALCOMMQUALCOMM公司的公司的Q2334Q2334，Q2220Q2220 STANFORDSTANFORD公司的公司的STEL-1175STEL-1175，STEL-1180STEL-1180 ADAD公司的公司的AD7008AD7008，AD9850AD9850，AD9854AD9854 DDS: 是一种全数字化的频率合成器 由相

8、位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器 构成 DDS技术技术 这些这些DDSDDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等 芯片从一般功能到集成有芯片从一般功能到集成有D/AD/A转换器和正交调制器。转换器和正交调制器。 DDS技术的优点技术的优点: 频率分辨率高，输出频点多，可达频率分辨率高，输出频点多，可达 个频点个频点(N(N为相为相 位累加器位数位累加器位数) )； 频率切换速度快，可达频率切换速度快，可达usus量级；量级； 频率切换时相位连续；频率切换时相位连续； 可以输出宽带正交信号；可以输出宽带正交信号； 输出相位噪声低，对参

9、考频率源的相位噪声有改输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改 善作用；善作用； 可以产生任意波形；可以产生任意波形； 全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻，全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻， 1. 实时模拟仿真的高精密信号实时模拟仿真的高精密信号 2. 实现各种复杂方式的信号调制实现各种复杂方式的信号调制 3. 实现频率精调，作为理想的频率源实现频率精调，作为理想的频率源 三维重建、计算机辅助手术三维重建、计算机辅助手术 16 多模态图像配准技术多模态图像配准技术 -交互式的图像导航 用手术前用手术前MRI图像重建的三维图像与手术中的图像重建的三维图像与手术中的 超声图像进行配准的

10、方法超声图像进行配准的方法 HIFU的温度场测量的温度场测量 17 HIFU的温度场测量的温度场测量 18 空化效应空化效应（ultrasonic cavitatuin） 空化效应：空化效应：超声作用于生物组织的一个特有特超声作用于生物组织的一个特有特 质。在声强足够大，声压幅度值大时作用于物质。在声强足够大，声压幅度值大时作用于物 质微元间的拉力，会把组织撕破，造成空腔。质微元间的拉力，会把组织撕破，造成空腔。 有利：有利：形成凝固性坏死，提高治疗效率形成凝固性坏死，提高治疗效率 弊端：弊端：空化发生可使焦斑扩散且扩散点位置难空化发生可使焦斑扩散且扩散点位置难 以预测。特别是局部治疗的精确性

11、。以预测。特别是局部治疗的精确性。 19 超声微泡造影剂超声微泡造影剂 提高提高HIFU疗效的增效剂疗效的增效剂 机制：机制： 空化效应的诱导空化效应的诱导 自身的生物学效应自身的生物学效应 20 空化效应空化效应（ultrasonic cavitatuin） 纳米乳剂：纳米乳剂： PSNE加速加速HIFU介导的加热速率，显著提高介导的加热速率，显著提高 高强度聚焦超声高强度聚焦超声 （MRgHIFU）的效率及临床应用的可行性的效率及临床应用的可行性 国外已有应用国外已有应用MRI定位和测温的定位和测温的HIFU设备设备-价格昂贵价格昂贵 其用于其用于子宫肌瘤的子宫肌瘤的治疗已经治疗已经FDA

12、认证，目前我国尚未引认证，目前我国尚未引 进进 上海爱申公司正和复旦、交大、华东师大等高校联合攻上海爱申公司正和复旦、交大、华东师大等高校联合攻 关，研制低磁场、能实时测温的关，研制低磁场、能实时测温的MRI-HIFU设备。和现有设备。和现有 的用超声引导的的用超声引导的HIFU设备相比，设备相比，MRI引导的引导的HIFU能从根能从根 本上确保本上确保HIFU治疗的有效性和安全性治疗的有效性和安全性 将是将是21世纪肿瘤局部治疗领域中最有激动人心的一次革世纪肿瘤局部治疗领域中最有激动人心的一次革 命。命。 超声热疗未来发展趋势超声热疗未来发展趋势 HG-2000HG-2000体外高频热疗机体

13、外高频热疗机 适应症：主要适用于慢性前列适应症：主要适用于慢性前列 腺炎、盆腔炎、附件炎等泌尿腺炎、盆腔炎、附件炎等泌尿 生殖系统炎症的治疗。生殖系统炎症的治疗。 DOSDOS操作系统工控主机电操作系统工控主机电 动治疗臂动治疗臂 超声热疗未来发展趋势超声热疗未来发展趋势 比较项目HY7000型射频肿瘤热疗机(南 京恒埔伟业) BSD2000热疗系统 (大连奥瑞) 治疗方式物理治疗物理治疗 频率40.68MHz100MHz（75-100MHz可调） 加热方式垂直人体长轴透热平行人体长轴聚焦 加热深度20cm 17cm 脂肪硬结现象有无 对人体影响有（脂肪吸收能量较大，容易 造成脂肪硬结或脂肪疼

14、痛） 无（水耦合系统兼有耦合和冷却 功能；独特的加热原理，中心能 量大于体表能量，解决脂肪过热 问题） 测温精度保证0.30C0.1 能量聚焦技术无有（通过调整每个通道的相位和 振幅来控制聚焦能量） 加热能量四个极板的控制原理决定了不 能实现靶区定位，工作时需要 根据肿瘤情况选择四个极板中 的部分组合 聚焦能量和聚焦中心可通过调整 每个通道的相位和振幅来进行控 制，并可进行靶区定位 HIFU technology developed by Inserm for Precise and irreversible coagulation necrosis Preservation of surro

15、unding tissue Adjustable treatment strategy 3 treatment options with distinct power algorithms First-line treatment Repeat treatment Recurrence after EBRT Complete, partial or nerve-sparing treatment strategy Flexible patient management Early feed-back with Nadir PSA Repeatable treatment (with no Gl

16、eason score increase) Does not foreclude other treatment options Minimally-invasive - Radiation free Short hospital stay (1-3 days) Spinal anaesthesia (or general) Short recovery time 24 Thank you! Ultrasound Ultrasound thermologythermology mechanism mechanism Ultrasound Ultrasound thermologythermol

17、ogy mechanism mechanism 美国美国QUALCOMMQUALCOMM公司的公司的Q2334Q2334，Q2220Q2220 STANFORDSTANFORD公司的公司的STEL-1175STEL-1175，STEL-1180STEL-1180 ADAD公司的公司的AD7008AD7008，AD9850AD9850，AD9854AD9854 DDS: 是一种全数字化的频率合成器 由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器 构成 DDS技术技术 这些这些DDSDDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等 芯片从一般功能到集成

18、有芯片从一般功能到集成有D/AD/A转换器和正交调制器。转换器和正交调制器。 DDS技术的优点技术的优点: 频率分辨率高，输出频点多，可达频率分辨率高，输出频点多，可达 个频点个频点(N(N为相为相 位累加器位数位累加器位数) )； 频率切换速度快，可达频率切换速度快，可达usus量级；量级； 频率切换时相位连续；频率切换时相位连续； 可以输出宽带正交信号；可以输出宽带正交信号； 输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改 善作用；善作用； 可以产生任意波形；可以产生任意波形； 全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻，全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻， 1. 实时模拟仿真的高精密信号实时模拟仿真的高精密信号 2. 实现各种复杂方式的信号调制实现各种复杂方式的信号调制 3. 实现频率精调，作为理想的频率源实现频率精调，作为理想的频率源 空化效应空化效应（ultrasonic cavitatuin） 空化效应：空化效应：超声作用于生物组织的一个特有特超声作用于生物组织的一个特有特 质。在声强足够大，声压幅度值大时作用于物质。在声强足够大，声压幅度值大时作用于物 质微元间的拉力，会把组织撕破，