高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound)已被广泛用于实体肿瘤,特别是子宫肌瘤、肝癌、乳腺癌、胰腺癌以及肾脏肿瘤等的无创治疗,取得了良好的治疗效果。随着HIFU技术不断发展和肿瘤治疗的广泛应用,临床研究发现由于肿瘤位置较深、血供较为丰富、肋骨遮挡等因素,可能会影响靶区组织能量的沉积,达不到满意的消融效果。而高功率长时间辐照会增加靶区声通道能量的沉积,导致并发症的出现。因此如何增加靶区能量沉积,减少并发症的发生成为HIFU急需解决的难题之一。HIFU空化效应产生宽带噪声被靶组织大量吸收,使局部温度明显升高,而热效应也能使空化加强,两者可相互促进增强损伤靶区组织。近年来,许多研究者尝试使用液态氟碳纳米材料,通过空化效应和热效应来提高HIFU的治疗效率。脉冲波HIFU能够增强瞬态空化活动,提高靶区热效应和消融体积,减少HIFU并发症的发生。本研究通过观察脉冲波HIFU结合相变液态氟碳纳米材料的消融效果,并与连续波HIFU比较,探讨脉冲波能否提高相变液态氟碳纳米HIFU消融效率,并对其增效机制进行研究,为HIFU的临床应用提供新的治疗模式和依据。第一部分空化效应对液态氟碳纳米粒增强聚焦超声消融作用的影响:体外仿组织体模研究目的以仿组织体模为研究模型,从体外观察空化效应对液态氟碳纳米材料增强HIFU消融作用的影响。材料和方法体外仿组织体模分实验组和对照组:实验组含介孔二氧化硅包裹的液态全氟己烷纳米(perfluorohexane droplet-encapsulated mesoporous silica nanocapsule,MSNC-PFH),而对照组为等量磷酸盐缓冲液(PBS)取代MSNC-PFH的相同体模。两组体模接受0.9MHz、声功率150W、占空比分别为2%、5%、10%和100%、时间5s或10s的HIFU点辐照。B超实时记录两组体模辐照前后靶区灰度变化,辐照结束后切开两组体模,分别测量每个靶点损伤大小,计算损伤体积。结果与对照组比较,MSNC-PFH能够明显增加体模中HIFU点辐照的消融体积,使B超声像图靶区高回声区域的出现时间更早。脉冲波HIFU辐照可以明显改变MSNC-PFH体模的消融体积,与连续波HIFU比较,10%脉冲波、辐照时间5s后形成的消融体积明显增大(P<0.01),而2%脉冲波辐照后形成的消融体积明显减少(P<0.01)。结论MSNC-PFH纳米能明显增强HIFU的消融作用,脉冲波HIFU可以明显改变MSNC-PFH体模的消融体积,与连续波比较,10%脉冲波HIFU的消融体积明显增大。第二部分血流和灌注流量对液态氟碳纳米粒增强聚焦超声消融离体灌注肝脏的影响和空化效应的作用目的以离体灌注肝脏为研究模型,探讨血流速度对HIFU消融肝脏作用的影响,液态氟碳纳米能否增强HIFU消融灌注肝脏的效果及其空化效应的作用。材料和方法取新鲜猪肝脏,建立体外离体灌注肝脏模型。门静脉灌注液流量分别为0、100、200、400和800ml/min。本部分有三组实验:第一组实验HIFU辐照参数为声功率100W、200W,占空比100%,辐照时间1、2、3、4、6 s;第二组实验HIFU参数为声功率200W、400W,占空比50%、100%,辐照时间1、2、3、4、6 s;第三组实验在门静脉灌注液中均匀加入液态氟碳纳米,声功率150W,占空比分别为10%、20%、50%和100%,辐照时间3、5、10 s。各组实验中B超实时记录HIFU辐照前后靶区灰度变化,被动空化检测系统检测焦域处宽带声散射信号。辐照结束后,立即切开肝组织,测量并计算靶区凝固性坏死体积,取坏死与正常组织交界处组织送病理学检查。结果(1)门静脉灌注液流量可以影响离体灌注肝脏靶区凝固性坏死体积的大小。HIFU连续波100W辐照,辐照时间1 s、2 s、3 s时,随着灌注液流量增加,辐照后肝脏凝固性坏死体积无明显变化;而在辐照时间4s、6 s时,随着灌注液流量增加,辐照后肝脏凝固性坏死体积明显减小(P<0.001)。但增加HIFU声功率至200W,辐照时间1 s、2 s、3 s、4 s、6 s时,观察到灌注液流量可以明显影响肝脏靶区凝固性坏死体积的大小,随着灌注液流量的增加,肝脏凝固性坏死体积明显减小(P<0.001)。同时,被动空化检测发现100W和200W辐照开始后可见宽带噪声和高次谐波信号。100W辐照时宽带噪声较弱,灌注液流量对RMS值的大小影响不明显;而200W辐照时灌注液流量可以明显影响RMS值,随着灌注液流量的增加,RMS累积值逐渐降低,差异具有统计学意义(P<0.01)。(2)与200W连续波辐照比较,400W、50%脉冲波、辐照时间1 s,2s,3 s时,随着灌注液流量增加,辐照后肝脏凝固性坏死体积无明显变化(P>0.05);而在辐照时间4 s,6 s时,随着灌注液流量增加,肝脏凝固性坏死体积明显减小(P<0.05)。被动空化检测观察到400W脉冲波辐照均有宽带噪声和高次谐波信号,表现为辐照开始时RMS幅值上升迅速,达到最大值,随着辐照时间的推移,幅值有所加强,波动幅度加剧,但灌注液流量对RMS值的大小影响不明显(P>0.05)。(3)脉冲波HIFU的消融效率和占空比密切相关。使用150w声功率,脉冲工作周期为10%,辐照时间3s,5s,10s时形成的凝固性坏死体积小于150W,3s,5s和10s的HIFU消融后的损伤体积,差异有统计学意义(P<0.05)。脉冲工作周期为20%,辐照时间3s,5s时形成的凝固性坏死体积小于150W,3s和5s的HIFU消融后的损伤体积,差异有统计学意义(P<0.05)。但是在辐照时间10s时形成的凝固性坏死体积和150W,10s的HIFU消融后的损伤体积比较,差别无统计学意义(P>0.05)。脉冲工作周期为50%,辐照时间为3s,5s,辐照后形成的凝固性坏死体积略小于150W,3s和5s的连续波HIFU消融后的损伤体积,但差别无统计学意义(P>0.05)。辐照时间为10s时形成的凝固性坏死体积大于150W,10s连续波HIFU辐照后形成的凝固性坏死体积,差别有统计学意义(P<0.05)。结论血流速度可以影响离体灌注肝脏HIFU靶区凝固性坏死的体积,随着灌注液流速的增加,肝脏凝固性坏死体积明显减小;短时间脉冲波辐照,灌注液流速与凝固性坏死的体积无关,随着辐照时间增加,灌注液流速能明显影响凝固性坏死的体积;液态氟碳纳米能明显加强连续波HIFU对离体灌注肝脏的消融作用;脉冲波HIFU辐照的消融作用与占空比相关,与连续波HIFU比较,脉冲波HIFU辐照形成的消融体积减少,但随着占空比和辐照时间的增加,消融体积逐渐增大,至50%10 s辐照时形成的凝固性坏死体积明显大于连续波HIFU辐照(P<0.05)。第三部分空化效应对液态氟碳纳米粒增强聚焦超声消融肿瘤的影响:体内肿瘤模型的研究目的以兔皮下种植瘤为研究模型,探讨液态氟碳纳米能否增强HIFU消融肿瘤的效果及其空化效应的作用。材料和方法建立兔VX2皮下种植瘤模型。建模后14-16天,荷瘤兔分为实验组和对照组。实验组在辐照前经兔耳缘静脉注射MSNC-PFH乳液,而对照组注射等量PBS液。HIFU参数为声功率150W、辐照时间5 s、占空比2%和100%。B超实时记录两组辐照前后靶区灰度变化,辐照后1、3天分别处死荷瘤兔,分别测量两组靶区内肿瘤凝固性坏死的体积,靶区边缘组织取材,送光电镜检查,靶区外残留肿瘤细胞检测细胞凋亡和增殖活性。结果(1)病理学变化:光镜下两组靶区肿瘤组织均出现典型的凝固性坏死表现,与周围组织分界清晰。电镜下靶区交界区域肿瘤细胞膜破坏,连续性消失,细胞质内出现空泡,核膜连续性消失,染色质破裂、固缩、融合,并见凋亡小体。(2)HIFU辐照后,各组B超图像上靶区均出现强回声灰度变化,与对照组比较,实验组B超强回声面积和肿瘤凝固性坏死体积明显增加(P<0.01),但实验组之间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。(3)与对照组比较,实验组靶区外肿瘤细胞凋亡指数明显增加,PCNA阳性表达率明显降低,差异均有统计学意义(P<0.01)。但实验组之间比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论液态氟碳纳米能明显增强HIFU消融肿瘤的效果,诱导靶区外肿瘤细胞的凋亡,抑制其增殖能力的表达第四部分空化效应对液态氟碳纳米粒增强聚焦超声消融作用的机理研究目的探讨液态氟碳纳米增强HIFU消融效果的机理及其空化效应的作用。材料和方法实验材料和分组同第一部分,HIFU参数为声功率150W,辐照时间5s,占空比100%、10%、5%和2%。在辐照过程中分别采用被动空化检测系统和热电偶实时检测焦域处宽带声散射信号和温度变化,进行数据分析。结果占空比100%、10%、5%和2%的HIFU点辐照的焦域处峰值温度分别为78.16±5.64℃、70.17±6.43℃、53.17±4.54℃和42.00±5.55℃;与连续波辐照比较,脉冲波HIFU辐照瞬态空化活动更为强烈,RMS值分别为与连续波比较有统计学意义((P<0.01)结论空化效应在液态氟碳纳米增强HIFU消融中发挥了重要的作用,这与其促进液态氟碳纳米相变密切有关。