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暑秦
5 years ago
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1 230 doi /j.issn 基础研究不同脉冲高强度聚焦超声辐照方式损伤离体灌注猪肝的实验研不同脉冲高强度聚焦超声辐照方式损伤离体灌注猪肝的实验研究究焦娇伍烽邹建中李发琪刘芳赵欣王琦重庆医科大学生物医学工程学院省部共建超声医学工程国家重点实验室超声医学工程重庆市市级重点实验室重庆摘要目的比较不同脉冲高强度聚焦超声 HIFU 辐照方式损伤离体灌注猪肝靶区临近含较大血管时的损伤情况为临床应用提供依据方法建立离体猪肝经肝动脉和门静脉的体外循环灌注模型在超引导下选择直径为 4 mm血管于血管方向离管壁 3 mm 位置给予相同剂量 PHIFU 辐照实验组选择脉冲波对照组用连续波辐照结束后观察声通道血管及靶区损伤情况并取血管与靶区处组织送病理检查结果 PHIFU 相同剂量辐照声通道内含4 mm大血管后实验组和对照组的声通道血管均未见损伤两组凝固性坏死体积比较存在差异 P<0.05 实验组坏死体积大于对照组声通道血管进行HE染色血管弹力纤维和胶原纤维染色显示没有损伤实验组和对照组没有差别 P>0.05 结论当靶区临近含有较大血管时脉冲辐照能够提高 HIFU治疗效率有效的形成损伤且不会损伤血管关键词脉冲高强度聚焦超声离体猪肝灌注模型血管 Effect of ablations by pulsed versus continuous high-intensity focused ultrasound on isolated perfused porcine liver JIO Jiao, WU Feng, ZOU Jianzhong, LI Faqi, LIU Fang, ZHO Xin, WNG Qi State Key Laboratory of Ultrasound Engineering in Medicine Co-founded by Chongqing and the Ministry of Science Technology, Chongqing key Laboratory of Ultrasound in Medicine and Engineering, College of iomedical Engineering, Chongqing Medical University, Chongqing , China bstract: Objective To compare the effect of ablations with pulsed and continuous high-intensity focused ultrasound (HIFU) on the target area containing large blood vessels in isolated perfused porcine liver. Methods n isolated perfused liver model was established by perfusing the isolated porcine liver with autologous blood through the portal vein and hepatic artery using an cardiopulmonary bypass machine. With -mode ultrasound guidance, a blood vessel about 4 mm in diameter was selected, and pulsed and continuous HIFU ablation at the same dose was delivered along the blood vessel at 3 mm to the vascular wall. fter the ablation, the damages of the blood vessels as the acoustic channel and the target area were inspected, and the tissues at the interface of target volume and blood vessels were sampled for pathological examination. Results Neither pulsed nor continuous HIFU caused noticeable injuries of the acoustic channel vessels, but the volume of necrotic tissues in the target area differed significantly between the two groups (P<0.05). HE staining and vessel staining did not show any injuries of the blood vessels in the pathway of ultrasound ablation in neither of the groups (P>0.05). Conclusions When the target area contains large blood vessels in the pathway of ultrasound ablation, pulsed HIFU can have better therapeutic efficiency to effectively induce tissue damages without affecting the blood vessels Key words: pulsed high-intensity focused ultrasound; isolated porcine liver; perfusion model; blood vessels 外科治疗肝癌过程中由于肝脏质地脆弱血供丰富缝合较为困难加上肝癌病人90%合并有肝硬化切除时极易发生出血临近肿瘤的血管损伤或破裂是其主要面临的问题之一因此目前对不能手术切除的肝癌患者十分强调肝癌综合治疗高强度聚焦超声 HIFU 收稿日期基金项目国家重点基础研究发展计划973计划 2011C 国家自然科学基金重点项目国家自然科学基金面上项目 Supported by National Key asic Research Program (2011C707900) and National Natural Science Foundation of China ( ). 作者简介焦娇硕士 zhouleijiao@163.com 通信作者伍烽教授博士生导师 mfengwu@yahoo.com 作为一种非侵入性的治疗技术在肝癌的治疗领域已成 1 为热点但现有治疗显示由于胃肠胀气肋骨遮挡肿瘤血供丰富等局部影响因素的干扰可能会降低靶区 HIFU 能量或者增加辐照通道组织的能量沉积使得 HIFU治疗在部分病例中出现一些并发症如皮肤烧伤 2-4 胃肠道穿孔等脉冲高强度聚集超声 PHIFU 与传统的高强度聚焦超声发射连续波消融组织不同其辐照 5-6 方式是脉冲式有未辐照间隙能量不连续累积因猪肝的解剖结构与人类相近而且它在生物合成解毒等肝脏功能方面都与人类的肝脏功能相吻合离体猪肝灌注因可避免活体上的肋骨呼吸等影响保证肝脏的 7-8 结构完整血流动力学可以模拟体内可以作为医学实

2 验的理想模型 9 本实验基于此采用离体猪肝灌注模型研究脉冲高强度聚焦超声辐照离体灌注猪肝声通道上含有较大血管时血管及其靶区的损伤情况为临床应用提供新的治疗途径 1 材料与方法 1.1 实验材料体外循环离体肝脏灌注模型实验用猪由附近屠宰场提供处死家猪后 2~3 min 内取出肝脏 10 快速行肝动脉门静脉插管并经门静脉肝动脉分别灌注含有25 U/ml肝素的生理盐水200和50 ml 将肝脏内的血液驱除防止肝内凝血并在 4 下保存后运至实验室 11 参考Czymek 和Gravante 12 Fol的方法门静脉和肝动脉分别采用滚压泵的双管灌流另一滚压泵引流肝脏下腔静脉血所组成的体外灌流系统将切取猪肝同时采集的含有肝素的猪血1000 ml和乳酸林格液体1500 ml 加入体外灌流系统猪肝的门静脉肝动脉灌流管与体外灌流装置相应管路连接灌注前对各管路用灌注液预先冲液肝脏下腔静脉引流管与回流至集血器的体外灌流装置管路相连结扎胆囊管的近侧端在胆总管近端插入输液用导管负压吸引以备引流胆汁入肝前的门静脉肝动脉血经鼓泡式氧合器氧合灌流过程中肝 231 动脉门静脉压力采用 PT-100 生物血压传感器进行监测使肝动脉的平均压力保持 70~80 mmhg 门静脉压力保持7~10 mmhg的范围 13 通过调整转流泵的流量来控制肝动脉及门静脉压灌流的血流量逐渐加大约在 0.5 h 内门静脉灌流速度调整为 800 ml/min 肝动脉为300 ml/min 调整下腔静脉转流泵的流出量使之与肝脏的总流入量相等以防止肝脏淤血整个灌注过程持续3 h 仪器 JC 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生产由功率源操作平台床体治疗头和诊断探头组成治疗头频率为 0.94 MHz 焦距 140 mm 开口直径220 mm POLYSTN 体外循环机单头滚轮泵三个丹麦产西京-87 型鼓泡式氧合器东莞科威医疗器械有限公司生产 PT-100生物血压传感器成都泰盟科技有限公司 1.2 方法灌注模型建立成功标准灌注 30 min 后纳入下列条件的模型 20 例被保留下来继续进行实验 ① 超图像与灌注前相比肝实质回声均匀图 1 ②猪肝在整个灌注期间颜色红润质地柔软边缘锐利图 1 灌注前后肝脏的超声图像 Fig.1 Ultrasound images before and after the perfusion. : efore perfusion, the liver parenchyma echo was slightly enhanced and heterogeneous, with scattered strong signals (red arrow); : fter 30 min of perfusion, the liver parenchyma became homogeneously hypoechoic (yellow arrow) with liver weight gain 血管及靶区定位离体猪肝灌注 30 min 后用 HIFU 机载超声确定治疗层面并找到管径为 4 mm 左右的血管采集治疗层面多普勒彩色血流图图2 确定辐照靶区辐照过程整个辐照过程均在灌注情况下进行在距离血管壁3 mm的上下方图2 采用定点点打的方式辐照深度设为40 mm 脉冲重复频率为100 Hz 功率为 80 W 实验组占空比为 20% 即脉冲波辐照时间为50 s 对照组占空比为100% 即连续波辐照时间为 10 s 使占空比与辐照时间的乘积相等即总的有效辐照时间相同每组实验重复15次 4组共进行实验60次辐照后处理将辐照后的猪肝组织以1~2 mm 厚度切开找到靶区最大的损伤面测量并记录坏死区域的最大长径 L 宽径 W 厚度 D 计算凝固性坏死体积

3 232 图 2 辐照前声通道血管彩色超声图像 Fig.2 Conventional ultrasound and color Doppler ultrasound images before ablation. : -mode ultrasound displaying twodimensional vessels; : -mode ultrasound displaying color Doppler blood flow. V=π/6 L W D 病理检查取靶区肝脏组织和声通道血管行HE 染色和血管纤维双重染色即维多利亚蓝和丽春红染色染色后弹力纤维呈蓝绿色胶原纤维呈红色背景呈淡黄色观察血管内皮细胞和纤维损伤情况统计学处理采用 SPSS 19.0 软件进行统计学分析计量资料以均数±标准差表示统计方法用t检验血管损伤情况比较采用卡方检验检验水准采用α=0.05 C D 图 3 PHIFU辐照猪肝组织后声通道血管及靶区损伤情况方框所示为靶区坏死与临近血管间隔3 mm Fig.3 coustic channel blood vessels and coagulation necrosis in the perfusion liver exposed to PHIFU. The coagulation necrosis and blood vessels have a 3-mm distance (black frames). : 80 W, 20%, 50 s, target area above the blood vessels; : 80 W, 100%, 10 s, target area above the blood vessels; C: 80 W, 20%, 50 s, target area below the vessels; D: 80 W, 100%, 10 s, target area below the vessels. 疗时靶区能量沉积并对周围无影响的增效性研究一直成为热点 14 当前HIFU应用于临床肿瘤治疗是高声强的连续波长时间辐照利用其在组织中产生的热效而避免产生不可控的空化效应但恶性肿瘤往往血供丰富血流速度较快直径大于 200 μm 的滋养血管会将焦点 2 结果 2.1 肝脏靶区及声通道损伤情况 PHIFU辐照后沿辐照方向逐层切开猪肝组织正常肝组织呈暗红色 HIFU辐照靶区组织成灰白色改变边界清晰声通道血管管径约4 mm左右肉眼未见明显损伤图 3 表 1 靶区损伤大小脉冲波组坏死区域的长宽均大于连续波组差异有统计学意义 P<0.05 根据坏死灶的大小计算出体积得脉冲波组与连续波组凝固性坏死体积差异有统计学意义实验 P<0.05 相同辐照参数不同血管位置的坏死体积实验组与对照组差异无统计学意义 P> 声通道血管病理学变化取声通道的血管组织做病理检查实验组与对照组HE 染色显示声通道血管壁结构完整内皮细胞和平滑肌细胞胞浆成红色胞核成蓝色细胞大小形态正处产生的热量很快带走而妨碍了局部组织的热累积因此单纯的热效应机制难以达到肿瘤的完全杀灭 15 研究表明调整 HIFU 辐照参数能有效控制 HIFU 非热效应可能形成不同的作用机制造成不同类型的组织损伤 Hacker 等 16 和 Kohrmann 等 17 在高强度聚焦超声辐照离体猪肾时通过调节声功率与脉冲工作周期来控制组织损伤体积大小本实验采取离体肝脏灌流模型选取临近声通道含有直径为4 mm血管的肝脏组织作为靶区探讨改变脉冲工作周期脉冲波与连续波辐照后的损伤情况灌注建立成功后辐照结果表明总辐照剂量相同情况下脉冲波不管是在血管上方还是血管下方靶区实际凝固性坏死体积均明显大于连续波表明在声通道存在较大血管时脉冲波也能够形成有效的凝固性坏死且在相同剂量下能增大HIFU凝固性坏死的范围其原因有常图 4 血管弹力纤维和胶原纤维染色显示弹力纤可能是脉冲波是不连续发射血管带走的热量要比连维成蓝色胶原纤维成红色分布均匀排列规则连续波持续发射带走少易于能量沉积脉冲辐照方式易续性好图5 即实验组与对照组声通道上靶区前方和于产生空化何炜等 18 实验研究发现低占空比可使兔肝靶区后方的血管均未出现损伤实验组与对照组无差异 VX2肿瘤产生非热效应的损伤空化效应在辐照过程中 P>0.05 占了一部分作用增加了热效应使靶区坏死范围增大本实验中发现与连续波相比脉冲波是可以缩短 3 讨论随着 HIFU 技术的不断发展和扩大提高 HIFU 治实际辐照时间达到与连续波相同的坏死范围在同样的条件下脉冲波的实际辐照时间就要比连续波少而靶

233 图 4 血管 HE 染色 Fig.4 Histology of the blood vessel (HE staining, original magnification: 100).

5 Histology of the blood vessels (Vascular staining, original magnification: 100).

1 Different locations adjacent to vascular necrosis after irradiation (Mean±SD,n=15) Irradiation parameters Target area and vascular position (mm) L (cm) W (cm) D (cm) V (cm 3

85 3.18±0.12 3.45±0.87 2.48±0.19 2.54±0.69 25.53±2.08* 28.34±7.28 # *P<0.05, # P<0.05 vs control group.

4 233 图 4 血管 HE 染色 Fig.4 Histology of the blood vessel (HE staining, original magnification: 100). : 80 W, 20%, 50 s, target area 3 mm below blood vessels; : 80 W, 100%, 10 s, target area 3 mm below blood vessels. 图 5 血管纤维双重染色 Fig.5 Histology of the blood vessels (Vascular staining, original magnification: 100). : 80 W, 20%, 50 s, target area 3 mm below blood vessels; : 80 W, 100%, 10 s, target area 3 mm below blood vessels. 表 1 辐照后邻近血管不同位置坏死情况 Tab.1 Different locations adjacent to vascular necrosis after irradiation (Mean±SD,n=15) Irradiation parameters Target area and vascular position (mm) L (cm) W (cm) D (cm) V (cm 3 ) 80W-20%-50s 3 mm above 3 mm below 6.37± ± ± ± ± ± ±4.94* 85.6±10.23 # 80W-100%-10s 3 mm above 3 mm below 4.85± ± ± ± ± ± ±2.08* 28.34±7.28 # *P<0.05, # P<0.05 vs control group. 区组织更易达到损伤, 从而使 HIFU 的治疗效率提高理想的 HIFU 增效方式应该安全无毒副作用, 对声通道的安全性无影响本研究观察了 PHIFU 辐照后声通道上靶区前方和后方的血管肉眼及病理损伤情况, 以判断其对血管的安全性结果表面, 声通道血管均未见 [19] 损伤, 与秦艳辐照山羊肝脏临近 3 mm 血管的损伤情况一致, 脉冲方式进行辐照不会对声通道的血管带来威胁本实验结果表明, 脉冲辐照方式是一种良好而有效的 HIFU 增效方式, 改变脉冲工作周期, 脉冲波利用空化效应增加了热效应, 可以达到与连续波一样的坏死效果, 且对声通道血管影响不大但本实验是利用离体灌注模型, 虽然能够有效满足 HIFU 基础研发中的实验要求, 但离活体实验仍存在一定差距, 因而需要在活体上进行进一步的探索参考文献 : [1] Zhang L, Zhu H, Jin C, et al. High-intensity focused ultrasound (HIFU): effective and safe therapy for hepatocellular carcinoma

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5-25袁宏钧.indd 第 24 卷第 5 期 2015 年 5 月碘 131 doi:10.3978/j.issn.1005-6947.2015.05.005 http://dx.doi.org/10.3978/j.issn.1005-6947.2015.05.005 Chinese Journal of General Surgery, 2015, 24(5):643 647. Chinese Journal of