超声反演法无创测温实验研究

摘  要

目的  评 估 超 声反 演法 无 创 测 温 精 度 和 测 温 范 围 。

方法 分别 以新鲜离体动物组织 、活体动物 、人体肝癌为实验对象 ， 采 用射 频消融 ( R F A )作 为加 热方 法 ，同时用热 电耦 和超 声 反 演 法 测 量 针 尖 外 媒 质 的温 度 。

结 果 超 声 反演 法 测温 精 度 大 约 在 ± 3   C左 右 ，测 温 范 围 可达 9 0   C左 右 。

结论 超 声 反演 法 是一 种新 的无 创 超 声 测 温 手 段 ，有 望 成 为 HI F U 治 疗 过 程 中 的温 度 监 测 手 段 。

关 键 词

超声  射 频 消 融  高 强 度 聚 焦 超 声  无 创 测 温

高强 度聚焦 超声 ( H I F u) 治疗 肿瘤 的原 理主要 是利用 其热 效 应 ，不 同温 度及 加 热 时间 直接 决 定 HI F U治疗 的疗 效及 安全 性 。 由于人 体结构 及 肿瘤 的复杂 性 ，影 响 H I F U 温升 的 因素 非 常复杂 ，而 目前 缺 乏实 用无创测 温技 术 ，使得 H I F U 的量化 研究 不 能满 足 临床需要 ，严重 制 约了 H I F U 在 临床广 泛应 用 。

钱 祖 文 等 [1-2] 创 立 了 超 声 反 演 法 ( a c o u s t i ci n v e r s i o n   m e t h o d ， A I M ) 无创 测 温的理 论模 型 ， 其 主要 特点 是可 以反 映人 体 内部 某一 点治 疗前 后 的温 度变化 ， 这 一 技 术 已经 取 得 了 专 利 。本 文 以 射 频 消 融( R F A)为 加热 源 ，通过 动物 实验 和人 体肝 癌 R F A 治疗 ，同时 采用 热 电耦 测温 和超 声反 演法 测温 ，对 超声反演 法测 温精 度 、 测温 范 围进行 研究 ， 全文报 告 如下 。

超声 反演 法测 温 的理论 基础

图 1 是超 声反 演法 测温 的方 法模 型 ，A 为 测温 超声 探 头 ( 同时具有 B超 和M 超 功能 ) ， 0 为加热 中心 ，其 温 度 为 T m ，周 围组 织 温 度 为 T 。 ，两 者 温 差 设 为A T m， S表示 某一 强反 射界 面 ， 在 实 际工作 中 ， 可 根据不 同器官 、 不 同部 位 选取不 同 的反射 界 面 ， 如肝 包膜 、肾被 膜等 。具 体测 温过 程是先 通 过 B超 确 定动 物或 人体 内某 一测 温点 ( 本 文 选取 R F 电极 头末 端 处 为测 温点 ) ， 并 确 定测温 点后 方 的反射 界 面 ， 然后 将M 超 的声线 ( M 线 ) 对 准测 温点 ， 并 固定超 声探 头使 M 线始 终通 过测 温点 ，分 别记 录加 热前 、加 热后 即刻来 自于反射 界面s的回波信 号 ， 并通 过计算 机 处理 即可 计算 出O点 温 度 。 其 理论依 据 如下 ： 加 热 后 ， O 点周 围 的温度分布满 足热传 导方 程 ，并可 表示 为 ：

态 媒质 中 的声 速 ，声压 P的波 动方 程可 以近似 地表 示为 ：

资 料 与 方 法

1 ．实 验 对 象

( 1 )新 鲜 离体 猪组 织 ( 包括 肌 肉、肝 脏等 ) 。

( 2 )活 体 动 物  杂 种 猪 1 0头 ( 体 质 量 4 0至 5 0k g ) ， 动物 麻 醉采用 1   戊 巴 比妥 钠静 脉麻 醉 ， 分别 以动物 的肝 脏 、 肾脏 作 为 R F治疗 靶 器官 。

( 3 )原 发性肝 癌 患者 3 例 ， 其 中男 性 2 例 ， 女性 1例 ， 平均 年龄 6 2 岁 ， 病理 证实 为原 发性 肝癌 ， 无 法手术 切除 ，拟 行 R F A 治 疗 。

2 ． 测 温探 头  采用 带M 超功 能 的超声探 头 ， 频率为 3 ． 5   MH z ，M 超 信号 可传 输至 F F T频 谱 仪 。

3 ． 射频 消 融 仪  采 用 R I T A   Mo d e l   1 5 0 0 型 射 频消融仪 ， 含 9 根 电极针 ， 其 中5 根 电极 针 尖带 有热 电耦测 温 电 极 。

4 ． F F T频谱 仪 采用 T D S 3 0 1   2 B频谱 仪 。

5 ． 实验 方法 及数 据采 集  ( 1 ) 离体 组织 或麻 醉后的活 体动 物组 织 在 B超 引导 下将 R F电极 穿刺 至 靶 目标 ，并将 电极 头张 开约 0 ． 5   c m，使 M 线 经过针 尖处 ，并确 定靶 目标 后方 的超 声反 射界 面 ( 如肝 包膜 、肾包膜等 ) ， 固定 超 声探 头 的位置 及角 度 ， R F A 加热 前分 别记 录界 面 回波信 号和热 电耦 测 温温 度 ( T 。 ， 取 5 根热 电耦 的平 均温度 ) ， 加热 至一定 温度 后 同时采 集热 电耦 温度 ( T 1 )和 回波 信号 ，然后停 止 加热 ， 待 其 温度 冷却至 T 。 时 ， 重新 加热 至 另一温 度 ( T 2 ) 并采 集数 据 ， 多次重 复上述 过程 。回波信 号经 上述 反演 处理 可得 出温度 ，将 计 算 出 的温 度 与热 电耦 测得 的温 度 进行 比较 ；( 2 ) 人 体肝 癌 R F A 治疗 过程 中测 温实 验 ： 测温方 法 同前 ， 但 为 了不增 加 患者 R F A 治疗 时 间 ， 测 温值 仅选 择3 7   C、5 0   C、7 0   C、9 0   C 几 个典 型值 。

结  果

分 别 以热 电耦 测 温结果 ( T r )和超 声 反演 法测 温结果 ( T i   ) 作 为横坐 标和 纵坐 标 ， 将上 述 每组数 据分别 列入 图 中 ， 图2为人体 肝癌 R F A 治疗过 程 中测温 结 果 ， 如 果T   和T 。   结 果完 全一 致 ， 则该 点正 好位 于斜 率为 1的 直 线 上 。结 果 显 示 T   M 和 T   的 平 均 误 差 在 ± 3C以内 ， T   M 的测 温范 围可达 9 0   l C 左 右 。 动物 离体 组织 及 活体组织 测 温结果 与 上述结 果相 似 。

讨  论

高 强度 聚 焦 超声 肿 瘤热 治 疗 技 术 是 上 世 纪 9 0年代 兴 起 的一 种 非 介 入 性 治 疗 手 段 ，其 焦 点 温 度 可 达6 5   C以上 ， 目 前 主要 应用 于前 列腺 癌 、 胰腺 癌 、 肝癌 、膀 胱癌 、 子 宫肌 瘤 的治疗 [ 4 -7] 。 由于缺乏 无创 测 温技术 ，在 临床 H I F U 实际治 疗过 程 中 ，焦 点 区域及 超声 路 径的实 际温度并 不 清楚 ，使得 H I F U 的量 化 治疗 十分 困难 。盲 目追 求高 温可能 导致 严重 并发 症发 生 ，而过 低温度 又可能 达不 到治疗 的要求 ，因此 研究 并 开发实 用的无创 测温 技术 迫在 眉睫 。

近几 年来 ，先后 有多 种无 创测 温技术 报 道 ，其 中之一 就是 利用 MR I 进 行测 温 ， 其原 理是 质子 的纵 向弛豫时 间等 有关物 理量 与温 度有 关 ，文献 报告 测温 精度为 ±3   C， 但 只限 于6 5   C以下 ， 6 5   C以上 由于组织 结构的破 坏 ，对纵 向驰 豫时 间影 响 明显 ，测 温精 度受 到影响[ 8 -9] ， 且 MR I 价 格 昂贵 ， 对H I F U 设备 的兼 容性 及环境 要求较 高 ，因此 MR I 测 温未 能在 I 临床上 广泛 应用 。另外也 有报 道采 用诊 断超声 通过 自回归模 拟方 法进 行无 创测 温 ，但其 只能计 算 出温度 平 均值 ，而 对某一 点的温度 变化 不敏 感[ 10]  。

超声 反演法 的测 温结 果反 映 的是某 一 区域 的温度变化 ，将 回波 信号输 入计 算机 后 ，可在 很短 的 时间 内测 出某一 处 的温 度变 化 ，具 有实 时性 ， 本 文 实验 结果显 示 ，超 声 反演 法 测 温 与 热 电耦 测 温 误 差 大 约 在 ±3   C 左 右 ， 测 温 范 围最 高可 达 9 0℃左 右 ， 因此 超声 反演 法有 可能 成为 一种新 的无 创测 温方 法 ，并可 用 于监测 H I F U 治疗 过程 中焦 点温 度 ，使 H I F U 治疗 成 为一种有 据可 依 的量 化 治疗 。

影 响超 声反 演法 测 温精 度 的 因素很 多 。 由于 R F单 根 电极 针 头非 常细 小 ， B超 下很 难准 确定 位 ， 因此本实 验采 用带 多根 电极 的 R F治疗 设备 ， R F A 治疗 时将电极 张开 至较小 的范 围 ， 便 于 B超和 M 超定 位 ， 但 同时 也会 带来 一定 的实 验误 差 ， 即R F A 治 疗时 每根 电极的温度 可能 不一 致 ， 为 了减少误 差 ， 本文 取 5 根 电极 的平 均 温度 ， 且 测温 时使R F A 电极 张开在 一个 很小 的范围 。另外 ，在活 体动 物或 人体 测温 过程 中 ，只要 最高温 区不 越 出M 超 的波束 范 围 ， 呼 吸不会 产生 太大 的影响 。

综 上所 述 ，超声 反演 法是 一种 新 的无创 超声 测 温手 段 ，其测 温精 度大 约在 ±3   C 左 右 ，测 温范 围 可 达9 0   C 左 右 ， 有 望成 为 H I F U 治 疗过 程 中 的温度监 测手段 。