马大钊，邹建中，杨素英，文 静，曾 涛，王 琦

(重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)

·基础与实验研究·

血管位置及血管与声轴角度对HIFU表面消融效果影响的体模实验

马大钊，邹建中*，杨素英，文 静，曾 涛，王 琦

(重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，重庆 400016)

目的 探讨靶区内血管位置及血管与声轴角度对HIFU表面消融效果的影响。方法 将56块含血管的仿组织体模分为A组(血管位置)和B组(血管角度)，A组按血管中心与HIFU表面消融最深层面(顶面)距离d分为A1(d=0)、A2(d=10 mm)、A3(d=20 mm)亚组，B组按血管长轴与声轴之间夹角角度α分为B1(0～5°)、B2(60°～65°)、B3(90°～95°)、B4(115°～120°)亚组。另设A4、B5亚组为空白对照组。测量各组血管内径、管壁厚度，观察辐照后损伤形态，计算能效因子(EEF)。结果 A、B各亚组间血管内径、管壁厚度差异均无统计学意义(P均>0.05)。损伤形态：A1、B1亚组靶区完全消融，无残留；余各亚组血管深侧靶区有残留。A组中A4亚组、A1亚组、A2亚组(由小到大排列)EEF两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)，A1与A3亚组差异无统计学意义(P>0.05)；B组中B5亚组、B2亚组、B3亚组(由小到大排列)EEF两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)，B2亚组与B4亚组、B5亚组与B1亚组的EEF差异无统计学意义(P均>0.05)。结论 血管中心距HIFU表面消融最深层面10 mm、靶区内血管与声轴角度90°～95°对靶区消融影响最大，效率最低，消融时应注意调整以提高消融效率。

高强度聚焦超声消融；血管；体模

HIFU表面消融(壳式消融)是进行靶区周边辐照而中心区不投放能量的一种辐照方式，多用于大体积的肿瘤，较常规“线—面—体”辐照方式具有较低总能量消耗、较短消融时间，较高消融效率[1-2]。而靶区血管的存在可能导致HIFU表面消融辐照后靶区周边组织残留、凝固性坏死带完整性被破坏等，降低了HIFU表面消融的安全性和可靠性。蛋清仿组织体模具有与人体软组织相近的声学特性，已用于HIFU特性的相关研究[3-4]。本文旨在以蛋清仿组织体模为研究对象，建立含离体兔胸主动脉的实验模型，探讨靶区内血管位置及血管与声轴角度对HIFU消融效果的影响。

1 材料与方法

1.1体模材料 新鲜蛋清、丙烯酰胺(0341，500 g，Amresco)、N,N-亚甲基双丙稀酰胺(M7256，25g，Sigma)、过硫酸铵(0486，25 g，Amresco)、TEMED(0761，100 ml，Amresco)。血管保存试剂：PBS缓冲液(SH30256.01，500 ml，HyClone)、D-hank's平衡液 (SH30030.02B，500 ml，HyClone)、肝素钠 (150 U/mg， 1 g，Biosharp)、青霉素钠(80万U，四川制药制剂有限公司)。

1.2设备 采用海扶刀®JC200型聚焦超声肿瘤治疗系统(重庆海扶医疗科技股份有限公司)，治疗头频率0.9 MHz，直径150 mm，焦距140 mm；有机玻璃模具；不锈钢支架。

1.3 方法

1.3.1兔胸主动脉的获取[5]取健康成年新西兰兔112只，体质量2.0～2.2 kg，雌雄不限(重庆医科大学实验动物中心提供)。经耳缘静脉注射肝素化生理盐水2 ml，5 min后处死兔迅速开胸，取出胸主动脉全段，用4℃肝素化(25 U/ml)生理盐水反复冲洗动血管腔，置于4℃肝素化D-hank's平衡液中保存。

1.3.2含兔胸主动脉仿组织透明体模制备[6]新鲜蛋清搅拌均匀后过滤，烧杯中加入40%(体积比)蛋清、30%脱气水、23%丙烯酰胺(浓度22%)搅拌 10 min。将4.7%过硫酸铵(浓度1.6%)缓慢加入烧杯搅拌20 min，分液漏斗中加入混合液，控制流速过滤气泡。将血管悬挂于模具后，体模液中加入2.3%TEMED(浓度2%)，搅拌均匀后沿模具壁倒入至淹没血管，抽取混合液注入管腔充分排出气泡后倒入余体模液，室温高纯氮气环境下4 h凝固。无血管的空白对照组体模，采用同样的方法制备。实验分组：将56块含血管仿组织体模按血管位置和角度不同分为A组(n=24)和B组(n=32)，A组按血管中心与HIFU表面消融最深层面(顶面)距离d平均分为A1(d=0)、A2(d=10 mm)、A3(d=20 mm)亚组(图1A)，B组按血管经过Y—Z平面靶区边界对角线交点时血管长轴与声轴之间的夹角角度α平均分为B1(0～5°)、B2(60°～65°)、B3(90°～95°)、B4(115°～120°)亚组(图1B)；两组各设A4(n=8)、B5(n=8)为空白对照组。各组血管中心与平行于血管长轴的HIFU表面消融侧面(前面)的距离为6 mm。d、α的变化通过悬挂血管前调节模具两侧壁扎丝位置实现。

1.3.3 HIFU辐照 实验装置见图2A。采用连续波直线扫描法，设定靶区体积为30 mm×20 mm× 12 mm的长方体区域，治疗头沿x、y、z方向移动，焦点根据由深至浅的原则，将靶区分为5个不同深度的区域进行辐照，辐照深度及辐照声功率组合分别为42 mm处250 W、37 mm处190 W、32 mm处140 W、27 mm处100 W和22 mm处55 W。焦点移动速度 3 mm/s[7]，每两条线的线间隔时间为1 min。42 mm和 22 mm深度处完全覆盖式辐照整个X—Y平面，线间隔距离分别为2 mm；37、32 和27 mm深度处仅辐照靶区周边(图2B)。

1.4观察指标 辐照前超声测量血管内径及管壁厚度。机载B超实时监控HIFU辐照过程，并采集血管长、短轴切面声像图。辐照后沿血管长轴方向将体模块切为厚5 mm的薄片，测量每片体模损伤体积，求和获得靶区损伤总体积。根据公式计算能效因子(energy efficiency factory, EEF)：EEF[8](J/mm3)=η×Pt/V[η为换能器聚焦系数，本实验取0.7；P为辐照功率(W)；t为辐照时间(s)；V为损伤区凝固性坏死体积(mm3)[9]]，EEF越小，消融效率越高。

图1 血管位置、血管与声轴角度示意图 A.不同血管位置示意图; B.不同血管角度示意图 图2 实验模型与HIFU表面消融模式示意图 A.实验装置； B.HIFU表面消融模式

2 结果

2.1血管位置对HIFU表面消融效果的影响 血管位置：A组各亚组血管壁厚及血管内径差异无统计学意义(P均>0.05，表1)。表面消融所形成的损伤见图3A，体模血管长轴切面中白色区域为HIFU损伤区域，A1亚组血管位于顶面，损伤区边界完整，边界内损伤均匀，血管浅面损伤区回声较空白对照组低；A2、A3亚组血管浅侧损伤边界完整，边界内损伤均匀，回声均匀，而血管深侧损伤边界中断，有残留，回声减弱，不均匀。A4亚组、A1亚组、A2亚组间EEF两两比较差异有统计学意义(P<0.05)；A1亚组与A3亚组的EEF差异无统计学意义(P>0.05)，见图3B。

表1 不同位置、不同角度血管壁厚与 内径比较

2.2血管角度对HIFU表面消融效果的影响 B组各亚组血管壁厚及血管内径差异无统计学意义 (P均>0.05)，见表1。表面消融所形成的损伤见图4A，体模血管长轴切面中白色区域为HIFU损伤区域，B1亚组损伤区边界完整，边界内损伤均匀，底面损伤沿血管向换能器方向生长，血管左右两侧回声均匀；B2、B3、B4亚组血管浅侧损伤边界完整，边界内损伤均匀，回声均匀，而血管深侧损伤边界中断，边界内存在未损伤区，回声减弱，不均匀。B5亚组、B2亚组、B3亚组(由小到大排列)EEF两两比较差异均有统计学意义 (P均<0.05)，B2亚组与B4亚组、B5亚组与B1亚组的EEF差异无统计学意义(P均>0.05)，见图4B。

3 讨论

HIFU的疗效肯定[10-11]，且能保留患者的器官及功能。但目前HIFU在方法学、剂量学方面仍不完善，治疗时易导致剂量过大、时间过长、易发生严重并发症等问题[12]。如能遵循恶性肿瘤的生长规律，即肿瘤周边部分血供最丰富、增殖侵袭能力最强的特点，HIFU的辐照方法采用表面(周边)消融模式[1-2]，可能解决HIFU治疗存在的主要问题。靶区血管的存在可能导致HIFU表面消融辐照后靶区周边组织残留、凝固性坏死带完整性被破坏等，降低了HIFU表面消融的安全性和可靠性。近年来，有学者[3,13-14]通过仿真体模研究血管位置、血流速度对HIFU肿瘤消融的影响，但血管壁的影响尚缺乏考虑。本研究采用含体积比40%蛋清的仿组织体模，并取兔胸主动脉；通过参考临床治疗中肿瘤组织大小，设定靶区体积为 30 mm×12 mm×20 mm的长方体区域。考虑肿瘤组织内部血供主要源于动脉，血管长度需大于靶区对角线长度36 mm，血管形态需规整，因此，本研究选用兔胸主动脉。

通过对靶区内血管位置、血管与声轴角度各亚组行表面消融辐照，发现空白对照组靶区内未辐照区出现损伤，与Bu等[1]的研究结果不同，可能因靶区“前”“后”面间距为12 mm，之间热量扩散，损伤区融合所致。不同血管位置中，A2亚组EEF最大，表面消融效率最低；A1亚组与A3亚组差异无统计学意义 (P>0.05)，可能由于血管壁对超声波的衰减[15]导致后者血管深侧存在消融残留，同时因血管壁对超声波的折射导致血管浅侧损伤向声源方向生长，进行损伤总体积补偿所致。不同血管与声轴角度中，B1亚组EEF与空白对照组差异无统计学意义(P>0.05)，B2亚组与B4亚组EEF差异无统计学意义(P>0.05)，可能由于设定角度互呈镜相对称所致；B3亚组EEF最大，表面消融效率最低，提示若血管与声轴角度为90°～95°，可通过改变体位或治疗头声束入射角度等，将血管与声轴角度向0°～5°方向调整，以提高治疗效率。

图3 不同血管位置对HIFU表面消融的影响 A.不同血管位置HIFU消融的体模声像图，上、中、下图分别为B超血管长轴切面、B超血管短轴切面、体模血管长轴切面； B.EEF随血管位置变化的柱形图 (*：与A1亚组比较，P<0.05；#：与A2亚组比较，P<0.05；&：与A3亚组比较，P<0.05；△：与A4亚组比较，P<0.05) 图4 血管与声轴不同角度对HIFU表面消融的影响 A.血管与声轴不同角度的体模声像图，上、中、下图分别为B超血管长轴切面，B超血管短轴切面、体模血管长轴切面; B.EEF随血管角度变化的柱形图 (*：与B1亚组比较，P<0.05；#：与B2亚组比较，P<0.05；&：与B3组比较，P<0.05；△：与B4亚组比较，P<0.05；▲：与B5亚组比较；P<0.05)

总之，血管位置及血管长轴与声轴角度对HIFU表面消融效果影响显著，血管中心距HIFU表面消融最深层面10 mm、靶区内血管与声轴角度90°～95°对靶区消融影响最大，效率最低，消融时应注意调整。

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Effect of blood vessels at different locations and angle between blood vessel and sonic axis on HIFU peripheral ablation

MADazhao,ZOUJianzhong*,YANGSuying,WENJing,ZENGTao,WANGQi

(StateKeyLaboratoryofUltrasoundEngineeringinMedicineCo-FoundedbyChongqingandtheMinistryofScienceandTechnology,ChongqingKeyLaboratoryofUltrasoundinMedicalandBiomedicalEngineering,ChongqingCollaborativeInnovationCenterforMinimally-InvasiveandNoninvasiveMedicine,CollegeofBiomedicalEngineering,ChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China)

Objective To investigate the effect of blood vessels at different locations and angles between blood vessel and sonic axis within the target area on HIFU peripheral ablation. Methods Totally 56 phantoms containing rabbit thoracic aorta were divided into group A (different vessel locations) and B (different vessel angles). According to the distance (d) between the blood vessel center and the deepest (top) layer of the peripheral scanning, group A was divided into A1(d=0), A2(d=10 mm), A3(d=20 mm) subgroups. According to the angle (α) between the vessel long axis and the acoustic axis, group B was divided into B1(α=0—5°), B2(α=60°—65°), B3(α=90°—95°), B4(α=115°—120°) subgroups. A4, B5subgroups were set as the control groups. The vessel diameter and vessel wall thickness were measured. The lesion morphology was observed and the energy efficiency factor (EEF) was calculated. Results There was no significant difference in vessel diameter and vessel wall thickness in both group A and B (allP>0.05). There was no residual area in the target area of A1, B1subgroup, while there was residual area in the target area of the other subgroups. EEF of group A in ascending order were A4, A1, A2subgroup, and statistically significant differences in pairwise comparisons (allP<0.05) except for A1and A3subgroup (P>0.05). EEF of group B in ascending order were B5, B2, B3subgroup, respectively, and statistically significant differences in pairwise comparisons (allP<0.05) except for B2and B4, B5and B1subgroup (bothP>0.05). Conclusion It is 10 mm that the distance between the blood vessel center and the deepest (top) layer of the peripheral scanning, and 90°—95° that the angle between the vessel long axis and the acoustic axis has the greatest influence on the ablation of the target area.

High intensity focused ultrasound ablation; Blood vessels; Phantom

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB707900)、国家重大科学仪器设备研制专项资助项目(81127901、2013YQ03062906)、国家自然科学基金面上项目(11574039、11274404)。

马大钊(1990—)，女(回族)，宁夏银川人，在读硕士。研究方向：超声诊断与治疗。E-mail： 540802857@qq.com

邹建中，重庆医科大学生物医学工程学院 省部共建国家重点实验室培育基地—重庆市超声医学工程重点实验室 重庆市生物医学工程学重点实验室 重庆市微无创医学协同创新中心，400016。E-mail： zoujzh@cqmu.edu.cn

2017-03-15

2017-05-26

R454.3; R730.5

A

1672-8475(2017)07-0435-04

10.13929/j.1672-8475.201703017