高强度聚焦超声（HIFU）治疗监控成像及评价的研究现状钟徽，万明习西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，生物医学工程系，西安（710049）摘要：HIFU技术由于无创或微创治疗的特点，近年来成为国际超声治疗学领域一个热门课题，并在我国初步实现了临床应用。

高效、准确、个性化的治疗是HIFU治疗追求的目标，于是对于HIFU治疗前引导、定位，治疗中监控及治疗后评价的研究成为HIFU研究领域不可或缺的重要组成部分。

本文首先介绍了以HIFU治疗物理机制（热机制、空化机制）为基础的监控成像方法；接着探讨了监控、评价HIFU形成的损伤常采用的几种组织参数定征方法（包括声学参数、力学参数等）；然后比较了主要的三种成像方式，即MRI、CT和US成像方式各自的优缺点和适用范围；最后讨论了HIFU监控成像及评价技术所存在的问题和未来的研究方向。

关键词：高强度聚焦超声，监控成像高强度聚焦超声（HIFU）可从体外将超声波聚焦到体内，在焦区处形成局部的高能量，产生热效应、空化效应等物理现象，使靶区组织发生凝固性坏死，并同时可以最大限度的不伤及周围正常组织，目前已成为国际超声治疗学领域的一个热点，并在我国实现了临床应用。

高效、精确、个性化的治疗也是包括在HIFU物理治疗发展中的一个必然趋势。

为了实现对治疗靶区的精确定位、治疗过程的精确控制以及治疗效果的适当评价，HIFU治疗的监控成像及评价问题已被提上日程。

本文分别从以下三个层次——以HIFU治疗物理机制为基础的监控成像方法、以组织参数定征为基础的监控成像方法以及目前较为普遍使用的三种成像方式——对HIFU治疗监控成像及评价的研究现状做了阐述。

1. 以HIFU治疗物理机制为基础的监控成像方法HIFU治疗的物理机制主要包括机械机制、热机制、空化机制以及细胞、分子层次的物理机制，其中热机制和空化机制是与HIFU治疗监控成像相关的机制。

1.1热机制：HIFU治疗的物理机制主要是热机制，其原理是利用组织对超声波的吸收，将声能转换为热能，在短时间内（0.5～5s）使焦区处的靶组织（如肿瘤）温度上升到65℃以上[1]，产生不可逆的凝固性坏死，从而达到治疗的目的。

（1）MRI的温度成像研究核磁共振成像（MRI）是目前医学影像学诊断中获得广泛应用的方法之一。

MRI可对组织温度的改变进行成像，其原理为：MRI的T1驰豫时间对温度比较敏感，它与温度呈正比关系，其信号强度则和温度呈近似反比关系，即温度越高的区域，在MRI图像上的亮度越低。

通常可采用T1加权图像对组织温度的改变进行间接成像。

MRI在引导激光热疗的方面已做了比较全面的研究，自从Jolesz 和 Jakab在1991年证明了超声换能器可在MRI扫描器内使用后，Cline和Hynynen等人[2]的研究表明，利用MRI 的温度成像引导HIFU治疗也是可行性。

Hynynen提出了MRI引导HIFU治疗的具体方案，即在治疗前用HIFU进行低剂量的辐照（不形成组织损伤），使组织温度适当上升，用MRI 温度成像来进行HIFU焦区定位，以引导HIFU治疗。

Bohris和Jenne等人[3]进一步将MRI用于HIFU治疗的“实时”温度监控中。

他们的研究表明，MRI温度测量可与HIFU治疗同步进行，而不会干扰治疗过程，MRI的温度分辨率优于1℃，成像时间约为3s，可近似看作“实时”。

（2）超声的温度估计研究八十年代以来，许多学者在超声估计温度的方面开展了大量的研究工作。

超声估计组织温度的主要原理是：温度的升高会使声速发生改变，并使组织产生热膨胀，从而使超声回波信号在时域或频域的特性发生改变，通过估计这些参数的变化可间接地估计组织温度的改变情况。

Maass-Moreno和Damianou等人[4][5]进行了超声回波信号估计HIFU引起的组织温度改变的研究。

他们建立了组织温度与回波时移关系的解析模型。

从他们的模型中可以得出，时移主要取决于回声路径上的平均声速，组织热膨胀对时移的影响较小，但限制了焦区处的温度估计精度，时移与温度近似呈线性关系。

在HIFU照射离体肌肉实验中，他们采用了互相关技术估计时移。

实验结果表明，在组织温度上升约10℃以下，时移与温度呈线性关系，但上升到更高温度时，即组织温度达到50℃以上时，线性关系不再存在，认为这一现象可能与高温下的组织损伤有关。

Simon，Philip等人[6]提出利用超声回波的复自相关函数相位来估计时移，得到了组织仿体的二维温度估计图像，其温度估计精度为0.5℃，空间分辨率为2mm。

由于热－声透镜效应，会使温度图像产生横向波纹，研究中采用了可分离的二维有限冲激响应滤波器对数据进行滤波，以消除图像中的横向纹波，但这是以降低空间分辨率为代价的。

他们的实验仅在较低的温度水平（<40℃）下有效。

Seip和Ebbini等人[7]提出了另一种组织温度的超声回波估计方法。

该方法基于离散散射模型，认为大多数生物组织具有半规则的网格状散射子群，可通过估计由温度引起的散射元平均间距的改变来估计组织温度。

他们发现散射元平均间距与超声背向散射信号频谱的谐△振频率有关，从而建立了谐振频率的变化f△的关系，理论和实验均表明f△与温度变化T△，他们采用了AR模型。

在得到一维实验结果的基础上，△呈线性关系。

为精确估计f与T他们也得到了二维的温度图像，并第一次将超声温度估计法用于超声热疗的实时温度控制中。

他们的方法其温度估计精度为0.4℃，空间分辨率为3mm。

同样，他们的所有实验也是在较低温度水平下进行的，并且该方法理论上只适用于肝等具有规则间距散射子的组织。

另外，最近关于超声温度成像有一些新的报道。

Miller，ter Haar等人利用温度产生的回声应变来进行温度成像，研究中的温度上升范围为2～15℃，他们提出可以将此方法应用于超声治疗前的引导。

Konofagou等人研究了超声刺激声发射（Ultrasound-Stimulated Acoustic Emission ,USAE）与温度的关系。

他们的研究表明，在超声低功率辐照下，USAE的幅度与温度呈线性关系，而较高功率下，线性关系则不存在。

这两种方法尚处于较为初步的研究阶段。

（3）CT的温度成像研究利用CT进行HIFU监控成像研究的报道较少。

Jenne和Bahner等人[8]利用临床CT扫描器对HIFU治疗进行了温度成像研究。

用CT进行温度测量的物理机制为：组织对X射线的吸收值正比于组织的密度，温度的改变由于热膨胀而引起组织密度的改变，故可以通过测量组织密度来进行温度估计。

研究发现CT number（HU）与组织温度近似为线性反比关系。

HIFU 低剂量辐照时图像上产生可逆的亮度变化，高剂量时，则产生不可逆的亮度变化，认为与组织损伤有关。

1.2空化机制空化机制通常是指液体中的微小气泡（空化核或HIFU高热引起的汽化），在超声波作用下所表现出的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。

理论与实验研究已证实，声空化过程可以将声场能量高度集中于极小的空化泡内，并在空化泡崩溃瞬间将其释放出来，形成局部高温(>5000K)，高压(> 5×107Pa)，强冲击波，射流等极端物理条件，使其周围的组织细胞遭到破坏。

一般认为，HIFU治疗中引起的空化效应会使损伤组织的形状、尺寸发生改变，并使损伤位置前移，故治疗过程中应尽量对空化现象进行抑制。

（1）超声成像系统对空化现象的观测空化现象所产生的气泡可以使超声回波信号明显增强，在B超图像上形成亮斑从而易于识别。

实际上，目前临床上应用的HIFU系统，采用了常规B超成像对HIFU治疗进行监控，正是基于这一原理。

刘宝琴、王智彪等人[9]通过比较离体牛肝组织在HIFU靶区辐照前后的超声声像图变化和灰度值变化来观测损伤情况，发现辐照后即刻超声图像明显较辐照前回声增强，即灰度值增高，但随着时间的推移，灰度值又逐渐降低，直至达到稳定状态。

最后的灰度值仍比辐照前有所增强。

但Arefiev等人的研究实验却显示，新生成的焦斑在B超图像上显示回声增强，在对应的位置产生亮斑，等到一定的时间后，焦斑区域产生的回声会逐渐减弱，直至消失，认为这是由于空化气泡逐渐溶解的缘故。

由于空化现象在B超图像上产生的亮斑并非一直稳定存在，究竟如何利用空化形成的亮斑来反映HIFU的实际损伤，一些学者也进行了一定的研究。

刘宝琴等在实验中通过比较超声图像面积与实际损伤面积的关系发现，HIFU辐照后即刻前者明显大于后者，1分钟左右后，二者近似相等，2分钟以后，前者则小于后者，认为辐照后1分钟是反映实际损伤尺寸的适当观测时间。

J. Seo和B.C. Tran等人[10]做了狗的肾脏离体实验，发现空化会引起超声回声增强，其增加强度的衰减情况与HIFU辐照后实际损伤有着一定的关系。

他们提出一个衰减半周期（t half）的概念，即HIFU辐照后即刻增强的回声强度衰减至其一半时所用的时间。

他们的实验研究发现，形成损伤的t half要比未形成损伤的t half大的多，前者平均为13s，后者平均为45s。

他们认为这一参数可以在一定程度上反映HIFU辐照的损伤情况。

以上两种实验研究都是在特定组织内进行的，并且仅做了比较定性的分析，进一步的研究仍有待深入。

一些学者还对HIFU与B超系统的同步，以进行实时监控成像做了研究。

Shahram Vaezy, Xuegong Shi等人[11]选取B超成像一帧中的某一时刻作为HIFU辐照的同步时刻，设定HIFU 辐照时间为B超成一帧像所用时间的一半，使得观测区域不被HIFU信号干扰，实现了HIFU 治疗的实时监控成像。

他们的研究还发现，在较低HIFU剂量下，图像上观测到的强回声区在解剖学上并没有得到相应的损伤，也就是说空化阈值低于损伤阈值，于是他们提出可利用这一现象进行HIFU治疗前引导、定位。

不过他们提出的B超系统需要引出一个同步信号，并不适用于大多数常规B超系统。

于是，Neil Owen, Michael Bailey等人又提出用HIFU探头作为信号接收器，接收成像脉冲信号以提供触发，认为这种方法适用于任意超声成像设备，此方法也正处于研究中。

（2）MRI、CT成像系统对空化现象的观测在MRI与CT监控HIFU治疗的研究实验中，空化现象也被观测到。

Damianou, M. Pavlou等人在研究中发现，T1加权图像不能看到空化气泡的产生，气泡和损伤在图像上的亮度相同。

而T2加权图像可检测到空化气泡，气泡比损伤组织在图像上显得更亮。

他们认为如果HIFU治疗为纯热机制时，利用T1加权的图像较为合适，如果HIFU治疗利用的是空化机制时，则T2加权图像适合用于监控。

在HIFU治疗的CT监控成像研究中，发现在较高HIFU剂量时，CT图像上可观测到可逆的组织低密度的变化。