HIFU技术换能器探头的比较研究
作者：霍彦明 陈亚珠
单位：霍彦明(上海交通大学生物医学工程系 (上海，200030))；陈亚珠(上海交通大学生物医学工程系 (上海，200030))
关键词：高强度聚焦超声；换能器；超声频率
中国医疗器械杂志000209 提 要：高强度聚焦超声(HIFU)外科技术是医学超声的一项重要应用，由于超声探头置于体外，所以该技术属于无损伤体外治疗技术，它可以有选择的对病变组织进行破坏，而不会损伤其它组织(声束所经过的组织和焦区外组织)。超声探头的研制是该项技术的核心技术。
分类号：TB552 文献标识码：A
文章编号：1000-6974(2000)02-0097-05
Comparative Study of Ultrasound Transducers in HIFU
, http://www.100md.com
HUO Yan-ming CHEN Ya-zhu
(Biomedical Engineering Department of Shanghai Jiaotong University)
Abstract：The high intensity focused ultrasound (HIFU) surgery technique is an important application of medical ultrasound. As the ultrasound transducer is placed out of the body， HIFU technique belongs to non-invasive extracorporeal therapeutic technology. It is able to focus ultrasound energy deep into the body， forming destruction in pathologic change tissues and coagulating them without any damages to tissues out of the focus. The development of ultrasound transducer is the key technology of HIFU.
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Key words：High intensity focused ultrasound；Transducer；Ultrasound frequency▲
医学超声学涵盖了一个非常广的临床应用范围。从应用角度区分：医学超声可分为：诊断超声和治疗超声。诊断超声是超声波以高频低能量形式应用于医学领域，主要以探查和提取人体信息为目的。不管是各种类型的成像技术，还是多普勒效应的应用，超声强度都足够小，一般不会在超声所经过的组织内产生不可逆转的生物变化。与诊断超声不同，治疗超声是以低频高能量形式作用于人体以达到治疗目的。超声能量在组织内经过一定时间的集聚后，可以使人体组织发生某种有利于疾病治疗或使身体恢复健康的变化。
根据所用强度不同，治疗超声又分为理疗超声、热疗超声和高强度聚焦超声。理疗超声使用的能量较低，其目的是在超声辐照的组织内产生有益的、通常是可逆的变化，从而促进组织伤口愈合或激发某类细胞使其恢复正常功能。热疗超声是将大块组织加温至43℃—45℃，加热时间为1小时或更长，使被加热组织受热而死，通常热疗不单独使用，而是与放疗或化疗结合使用。当被加热组织中存在大血管时，热疗难以达到良好效果，因为大血管与周围组织热量交换多，该区组织温度难以达到43℃—45℃。高强度聚焦超声(HIFU)外科手术是将超声能量会聚到病变组织中的一个较小区域，使该区内病变组织发生不可逆转的凝固性坏死，而对该区以外的组织基本无损。临床应用上，HIFU技术优越于传统外科手术在于它能定位于深部组织，而不必对病人进行开刀手术，因此聚焦超声技术属于无损伤外科技术范围。医学超声的基本划分见表1。
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表1 医学超声应用划分 应用
范围
超声
功率
声强
(ISPTA)
脉冲长度和
脉冲发生状态
诊断
超声
B-模式
20mW
0.017W/cm2
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1μs；1kHz
多普勒
效应
60mW
1.380W/cm2
1μs-10μs；10kHz
治疗
超声
理疗
5W
1.500W/cm2
2ms；100Hz或连续波
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热疗
几十瓦
5W/cm2
10-50ms；1kHz或连续波
外科
200W
1000W/cm2
0.1-10s；单次照射
1 HIFU技术的起源和基本原理
HIFU技术用于外科手术首先由Lynn[1]等于1942年提出，并应用于神经外科手术研究。从五十年代起，对该项技术的研究有了极大的发展，从声场到热场研究以及超声与组织作用的物理机制等方面做了大量的工作，在应用研究方面也有许多探讨和报道[2][6][7][13][17]。
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通过一定聚焦方式，将超声源发出的声能量聚焦于组织内，会在组织内形成一个声强较高的区域—焦区，经过一定时间细胞与超声相互作用，位于焦区内的组织细胞被破坏，而焦区外组织细胞基本不受损伤，基本原理如图1所示。组织内超声聚焦形成的强度相对较高的区域称为‘焦区’，焦区内组织在照射下发生病变坏死区域称为‘焦斑’(lesion)。
图1 高强度聚焦超声治疗原理图
M、N表示未受损伤区域
焦斑一般为椭球形[10]，大小为轴向1.5cm，径向1.5mm。当病变组织体积较大时，需要扫描来形成较大体积的焦斑。
2 HIFU源研究
与检测超声不同，HIFU技术要求声焦点处能量相对集中。超声探头是HIFU技术的核心部分，因此超声探头聚焦方式的选择是非常重要的。目前所用聚焦方式有：多元非相干聚焦、多元相干聚焦、电子扫描聚焦、相控聚焦、声透镜聚焦及凹面自聚焦等多种方式。根据阵列分布特点，多元聚焦又可分为环阵、线阵、面阵等。
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早期的超声发射由石英晶体产生，现在石英材料被压电陶瓷材料(PZT)所取代。现在，治疗超声主要由PZT-4或PZT-8产生。Fry[4]将四块透镜聚焦换能器聚焦在同一个焦点上，在焦点输出较高强度。
治疗用聚焦换能器可分为两大类：一类是腔内治疗换能器(Transrectal devices)，主要用于治疗泌尿系统疾病，尤其是在治疗前列腺增生上应用最为广泛，该类换能器的特点是：体积小(例如30mm×12mm×8mm)，焦距短(2cm-3cm)。另一类是体外聚焦换能器，该类换能器根据不同治疗部位可作灵活选择，一般换能器探头越大，焦距越深。
Transrectal devices的基本形状如图2所示，成像换能器和治疗换能器集成在一起[5]，成像换能器起定位和实时监测作用，图2是体积为30mm×12mm×8mm的换能器，中心是一直径为8mm的B超探头。现在治疗换能器多采用环阵结构(图2)，可以对焦距进行微调。
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图2 腔内换能器环阵结构示意图
Foster[6]设计的换能器所用频率为4MHz，焦点强度为1680W/cm2，该换能器可以产生轴向7mm，径向0.6mm的焦斑，采用机械扫描来完成大块焦斑的形成。Gelete[7]等采用了7.5MHz的成像换能器和2.25MHz的治疗换能器(焦距3.5cm，强度700-1000W/cm2，焦斑大小为8×1.5mm)。有的腔内换能器采用线阵结构[8]，通过电子扫描或相控来实现聚焦和扫描。
体外用聚焦换能器多根据不同需要而设计，种类比较多。常见的有以下几种：
1) 大功率多元超声换能器。该类换能器采用大面积多阵元设计，加热深度一般为15cm或更深。Vallancien[9]等将商用结石粉碎仪改做体外高强度聚焦超声设备就属于该类换能器，换能器探头采用多元共焦形式，焦距为320mm，强度超过10000W/cm2，产生焦斑大小为：10×2mm。一个3.5MHz的成像换能器放在换能器阵的中心，病人躺或爬在带有防水薄膜的床上，床下是一个水池，超声探头置于水池中央，通过机械旋转来完成扫描。
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2) 球面聚焦换能器。该类换能器直接做成球冠状或将多个球面环粘合为一个球冠状，该类换能器可根据不同深度需要选取大小，比较灵活，一般采用机械扫描方式，当采用环阵结构时，通过相控或电子扫描与机械扫描结合来完成对大块组织的三维立体扫描。
有一种频率为1.7MHz的聚焦碗状换能器[11]，焦距为140mm，换能器探头安装在一个机械手上，有5°的自由度进行三维立体转动。超声探头置于水袋之中，超声直接向下穿过水袋(内含去气水)进入组织，水袋和探头固定在同一轴上，成为一个整体。
3) 电子扫描或相控阵列聚焦换能器[21][22][23]。该类聚焦换能器是近年来探讨较多的一类换能器(图3)。与其它聚焦换能器相比，阵列换能器具有以下优点：①阵列换能器可以通过电子扫描或相控聚焦方式实现对超声束的旋转，替代传统的机械扫描方式，易于实现计算机精确控制。②阵列换能器可以产生多个焦点，加大加热范围，有利于治疗较大体积肿瘤。③通过优化焦点控制方式，阵列换能器可以对目标有选择性定位，可以避免人体组织不均匀所造成的焦点偏移等。但是该类换能器控制电路较为复杂，成本较高，尤其是当需要深度聚焦时所须阵元数大大增加，设备复杂度也大为增加。
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图3 二维相控阵列示意图
除了上面所介绍的几类换能器外，一些研究工作者对聚焦超声在声波导管中的传播进行了研究。由于气体和骨骼对声束的吸收、反射等限制，聚焦超声受限制于含有上述两类介质的部位。用声波导管将声能绕过骨骼或空气直接送入组织，可以大大提高超声治疗的应用范围。研究表明[20]：声波导管确实可以将HIFU源发出的超声送入目标组织，被加热组织温度可以达到80℃以上，照射组织被有效破坏。
总之，各类聚焦换能器设计各有优点和缺点。单元聚焦换能器制作简单，通过改变透镜及晶片形状来满足不同的要求，对某些浅表及声源尺寸要求较小情况下具有特殊优势。多元聚焦一般采用非相干聚焦，对于深部肿瘤治疗具有很大优势，但是电路复杂、体积大，难以保证各单元之间协调一致。电子扫描或相控阵列对高强度聚焦超声从理论上讲是最为理想的设计结构，但是目前也存在电路结构复杂、非线性效应影响、控制复杂等诸多不利因素，许多工程技术问题尚待解决。将聚焦超声用声波导管传播目前报道较少，有待进一步研究讨论。
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3 HIFU源频率选择
治疗用超声频率一般较低(不超过5MHz)，频率的选择很大程度上由目标深度所决定，超声频率越低，穿透组织能力越强，组织的声吸收系数越小，对声能吸收能力越低。超声频率的选取应兼顾组织的低衰减和高吸收两方面，因为低衰减可以保证一定的穿透深度，而高吸收可以保证焦区内组织能迅速吸收声能以提高温度。文献[12]从理论上探讨了治疗一定深度组织时治疗频率选择，为设计换能器提供了理论依据。近年来许多研究表明超声照射时在组织内注射一定的药物或液体可以明显提高聚焦准确性和加热效率[18][19]。
早期对超声辐照的量化处理主要参考对石英换能器所加电压大小[1]，辐照强度也主要用电压大小来表示。当认识到超声对组织的破坏主要来源于组织的热效应后，超声对组织热作用的测量改用热敏探针[13][14]。在早期研究报到中，通常给出强度的空间峰值和时间平均值，但是没有指明强度的具体含义。Hill[15]等建议采用强度参数ISAL来表示辐照剂量。ISAL定义为声强度，是指在线性条件下，对声压最大值一半所包围的区域取空间平均。该值的大小可以从总功率和声束形状来确定。一般说来ISAL是线性条件下，最大空间声压值处强度的55.7%。在最大声压半值轮廓线内取强度平均值，相应焦斑宽度也就可以确定下来。
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4 对HIFU技术的制约
一般说来，超声聚焦外科能用于检测超声应用的大部分部位，但尚存在一些限制。
1)当进行深部组织切除时，由于组织对声的吸收，在靠近皮肤的声窗应保证足够大，否者有可能灼伤皮肤，而达不到预期治疗目的。出于安全性和有效性考虑，高强度聚焦超声在皮肤组织表面的强度不能过高，以致灼伤皮肤。Fry[16]等建议当用1MHz的超声照射时，皮肤表面强度应低于100W/cm2，对于浅表组织，应尽量采用宽孔径声束。
2)由于声的传播特性，声束传播的通路上不能有骨胳或气体出现，这样就限制了HIFU技术在许多组织部位的应用，在将来有可能通过声波导管传递声能来解决这一问题。
5 发展前景
HIFU技术已进入许多医学研究领域：神经外科、眼科、泌尿科、肿瘤学等。早期的设备大多比较笨重，而且当时成像技术也比较低，难以保证能精确地将焦斑定位于目标区和进行实时监测治疗。进入80年代，许多相关问题逐步得到解决，该项无损伤外科技术也得到了较大发展，时至今日，聚焦超声技术用于泌尿科治疗已进入商品化阶段。HIFU技术已被当作肿瘤治疗的一种重要手段加以研究[17]。目前许多国家(如美国、日本、英国、法国、德国、挪威、芬兰等)都介入了该技术的开发和应用研究，日本的Toshiba公司声称在3到5年内，将高强度聚焦超声将应用于临床。我国虽然起步较晚，但是进展也较为迅速，上海交通大学研制的高强度聚焦超声前列腺增生治疗仪正在进行动物实验和临床实验。重庆医科大学研制的高强度聚焦超声治癌仪，已有实验样机出现。总之，随着对该项技术的深入研究，HIFU技术作为一项重要的体外无损治疗手段，将取得重要的临床应用价值，造福于人类。■
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作者简介：霍彦明(1971～)，男，博士生。主要研究方向：高强度聚焦超声换能器研制及应用研究。陈亚珠(1936～)，女，中国工程院院士，上海交通大学生物医学仪器研究所所长。
参考文献：
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[4]Fry, F.J.Precision high intensity focusing ultrasound machines for surgery.Am.J.Phys.Med.37:152—156；1958.
[5]Sanghvi, N.T. et al; High intensity focused ultrasound(HIFU)for the treatment of rectal tumors:A feasibility study.IEEE Ultrasonics symposium. 1895—1898，1994.
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[6]Foster, R.S. et al;High intensity focused ultrasound in the treatment of prostatic disease. Eur Urol.23(suppl.1):29—33；1993.
[7]Gelet,A.; et al;High intensity focused ultrasound experimentation on human benign prostatic hypertrophy. Eur. Urol.23(suppl.1):44—47；1993.
[8]Sanghvi,N.T. et al;Ultrasound intracavity system for imaging, therapy planning and treatment of focal disease. IEEE Ultrasonics symposium. 1249—1252，1992.
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[10]ter Haar, G.R. Ultrasound focal beam surgery. Ultrasound Med. Biol.21:1089—1100；1995.
[11]ter Haar, G.R.et al.Trackless surgery using focused ultrasound:technique and case report.Minimal. Invas.Ther.1:13-19；1991a.
[12]Hill, C.R.Optimum acoustic frequency for focused ultrasound surgery. Ultrasound Med.Biol.20:271—277；1994.
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[13]Fry,W.J. et al.Production of focal destructive lesions in the contral nervous system with ultrasound.J.Neurosurg.11:471—478；1954.
[14]Hueter, T.F. et al Production of lesions in the central nervous system with focused ultrasound:a study of dosage factors.J.Acoust.Soc.Am.28:192—201；1956.
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[25]Seppi, E, et al. A large aperture ultrasonic array system for hyperthermia treatment of deep-seated tumors.IEEE.Ultrasonics Symposium.942—945，1985.
收稿日期：1998-12-9, 百拇医药
单位：霍彦明(上海交通大学生物医学工程系 (上海，200030))；陈亚珠(上海交通大学生物医学工程系 (上海，200030))
关键词：高强度聚焦超声；换能器；超声频率
中国医疗器械杂志000209 提 要：高强度聚焦超声(HIFU)外科技术是医学超声的一项重要应用，由于超声探头置于体外，所以该技术属于无损伤体外治疗技术，它可以有选择的对病变组织进行破坏，而不会损伤其它组织(声束所经过的组织和焦区外组织)。超声探头的研制是该项技术的核心技术。
分类号：TB552 文献标识码：A
文章编号：1000-6974(2000)02-0097-05
Comparative Study of Ultrasound Transducers in HIFU
, http://www.100md.com
HUO Yan-ming CHEN Ya-zhu
(Biomedical Engineering Department of Shanghai Jiaotong University)
Abstract：The high intensity focused ultrasound (HIFU) surgery technique is an important application of medical ultrasound. As the ultrasound transducer is placed out of the body， HIFU technique belongs to non-invasive extracorporeal therapeutic technology. It is able to focus ultrasound energy deep into the body， forming destruction in pathologic change tissues and coagulating them without any damages to tissues out of the focus. The development of ultrasound transducer is the key technology of HIFU.
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Key words：High intensity focused ultrasound；Transducer；Ultrasound frequency▲
医学超声学涵盖了一个非常广的临床应用范围。从应用角度区分：医学超声可分为：诊断超声和治疗超声。诊断超声是超声波以高频低能量形式应用于医学领域，主要以探查和提取人体信息为目的。不管是各种类型的成像技术，还是多普勒效应的应用，超声强度都足够小，一般不会在超声所经过的组织内产生不可逆转的生物变化。与诊断超声不同，治疗超声是以低频高能量形式作用于人体以达到治疗目的。超声能量在组织内经过一定时间的集聚后，可以使人体组织发生某种有利于疾病治疗或使身体恢复健康的变化。
根据所用强度不同，治疗超声又分为理疗超声、热疗超声和高强度聚焦超声。理疗超声使用的能量较低，其目的是在超声辐照的组织内产生有益的、通常是可逆的变化，从而促进组织伤口愈合或激发某类细胞使其恢复正常功能。热疗超声是将大块组织加温至43℃—45℃，加热时间为1小时或更长，使被加热组织受热而死，通常热疗不单独使用，而是与放疗或化疗结合使用。当被加热组织中存在大血管时，热疗难以达到良好效果，因为大血管与周围组织热量交换多，该区组织温度难以达到43℃—45℃。高强度聚焦超声(HIFU)外科手术是将超声能量会聚到病变组织中的一个较小区域，使该区内病变组织发生不可逆转的凝固性坏死，而对该区以外的组织基本无损。临床应用上，HIFU技术优越于传统外科手术在于它能定位于深部组织，而不必对病人进行开刀手术，因此聚焦超声技术属于无损伤外科技术范围。医学超声的基本划分见表1。
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表1 医学超声应用划分 应用
范围
超声
功率
声强
(ISPTA)
脉冲长度和
脉冲发生状态
诊断
超声
B-模式
20mW
0.017W/cm2
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1μs；1kHz
多普勒
效应
60mW
1.380W/cm2
1μs-10μs；10kHz
治疗
超声
理疗
5W
1.500W/cm2
2ms；100Hz或连续波
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热疗
几十瓦
5W/cm2
10-50ms；1kHz或连续波
外科
200W
1000W/cm2
0.1-10s；单次照射
1 HIFU技术的起源和基本原理
HIFU技术用于外科手术首先由Lynn[1]等于1942年提出，并应用于神经外科手术研究。从五十年代起，对该项技术的研究有了极大的发展，从声场到热场研究以及超声与组织作用的物理机制等方面做了大量的工作，在应用研究方面也有许多探讨和报道[2][6][7][13][17]。
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通过一定聚焦方式，将超声源发出的声能量聚焦于组织内，会在组织内形成一个声强较高的区域—焦区，经过一定时间细胞与超声相互作用，位于焦区内的组织细胞被破坏，而焦区外组织细胞基本不受损伤，基本原理如图1所示。组织内超声聚焦形成的强度相对较高的区域称为‘焦区’，焦区内组织在照射下发生病变坏死区域称为‘焦斑’(lesion)。
图1 高强度聚焦超声治疗原理图
M、N表示未受损伤区域
焦斑一般为椭球形[10]，大小为轴向1.5cm，径向1.5mm。当病变组织体积较大时，需要扫描来形成较大体积的焦斑。
2 HIFU源研究
与检测超声不同，HIFU技术要求声焦点处能量相对集中。超声探头是HIFU技术的核心部分，因此超声探头聚焦方式的选择是非常重要的。目前所用聚焦方式有：多元非相干聚焦、多元相干聚焦、电子扫描聚焦、相控聚焦、声透镜聚焦及凹面自聚焦等多种方式。根据阵列分布特点，多元聚焦又可分为环阵、线阵、面阵等。
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早期的超声发射由石英晶体产生，现在石英材料被压电陶瓷材料(PZT)所取代。现在，治疗超声主要由PZT-4或PZT-8产生。Fry[4]将四块透镜聚焦换能器聚焦在同一个焦点上，在焦点输出较高强度。
治疗用聚焦换能器可分为两大类：一类是腔内治疗换能器(Transrectal devices)，主要用于治疗泌尿系统疾病，尤其是在治疗前列腺增生上应用最为广泛，该类换能器的特点是：体积小(例如30mm×12mm×8mm)，焦距短(2cm-3cm)。另一类是体外聚焦换能器，该类换能器根据不同治疗部位可作灵活选择，一般换能器探头越大，焦距越深。
Transrectal devices的基本形状如图2所示，成像换能器和治疗换能器集成在一起[5]，成像换能器起定位和实时监测作用，图2是体积为30mm×12mm×8mm的换能器，中心是一直径为8mm的B超探头。现在治疗换能器多采用环阵结构(图2)，可以对焦距进行微调。
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图2 腔内换能器环阵结构示意图
Foster[6]设计的换能器所用频率为4MHz，焦点强度为1680W/cm2，该换能器可以产生轴向7mm，径向0.6mm的焦斑，采用机械扫描来完成大块焦斑的形成。Gelete[7]等采用了7.5MHz的成像换能器和2.25MHz的治疗换能器(焦距3.5cm，强度700-1000W/cm2，焦斑大小为8×1.5mm)。有的腔内换能器采用线阵结构[8]，通过电子扫描或相控来实现聚焦和扫描。
体外用聚焦换能器多根据不同需要而设计，种类比较多。常见的有以下几种：
1) 大功率多元超声换能器。该类换能器采用大面积多阵元设计，加热深度一般为15cm或更深。Vallancien[9]等将商用结石粉碎仪改做体外高强度聚焦超声设备就属于该类换能器，换能器探头采用多元共焦形式，焦距为320mm，强度超过10000W/cm2，产生焦斑大小为：10×2mm。一个3.5MHz的成像换能器放在换能器阵的中心，病人躺或爬在带有防水薄膜的床上，床下是一个水池，超声探头置于水池中央，通过机械旋转来完成扫描。
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2) 球面聚焦换能器。该类换能器直接做成球冠状或将多个球面环粘合为一个球冠状，该类换能器可根据不同深度需要选取大小，比较灵活，一般采用机械扫描方式，当采用环阵结构时，通过相控或电子扫描与机械扫描结合来完成对大块组织的三维立体扫描。
有一种频率为1.7MHz的聚焦碗状换能器[11]，焦距为140mm，换能器探头安装在一个机械手上，有5°的自由度进行三维立体转动。超声探头置于水袋之中，超声直接向下穿过水袋(内含去气水)进入组织，水袋和探头固定在同一轴上，成为一个整体。
3) 电子扫描或相控阵列聚焦换能器[21][22][23]。该类聚焦换能器是近年来探讨较多的一类换能器(图3)。与其它聚焦换能器相比，阵列换能器具有以下优点：①阵列换能器可以通过电子扫描或相控聚焦方式实现对超声束的旋转，替代传统的机械扫描方式，易于实现计算机精确控制。②阵列换能器可以产生多个焦点，加大加热范围，有利于治疗较大体积肿瘤。③通过优化焦点控制方式，阵列换能器可以对目标有选择性定位，可以避免人体组织不均匀所造成的焦点偏移等。但是该类换能器控制电路较为复杂，成本较高，尤其是当需要深度聚焦时所须阵元数大大增加，设备复杂度也大为增加。
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图3 二维相控阵列示意图
除了上面所介绍的几类换能器外，一些研究工作者对聚焦超声在声波导管中的传播进行了研究。由于气体和骨骼对声束的吸收、反射等限制，聚焦超声受限制于含有上述两类介质的部位。用声波导管将声能绕过骨骼或空气直接送入组织，可以大大提高超声治疗的应用范围。研究表明[20]：声波导管确实可以将HIFU源发出的超声送入目标组织，被加热组织温度可以达到80℃以上，照射组织被有效破坏。
总之，各类聚焦换能器设计各有优点和缺点。单元聚焦换能器制作简单，通过改变透镜及晶片形状来满足不同的要求，对某些浅表及声源尺寸要求较小情况下具有特殊优势。多元聚焦一般采用非相干聚焦，对于深部肿瘤治疗具有很大优势，但是电路复杂、体积大，难以保证各单元之间协调一致。电子扫描或相控阵列对高强度聚焦超声从理论上讲是最为理想的设计结构，但是目前也存在电路结构复杂、非线性效应影响、控制复杂等诸多不利因素，许多工程技术问题尚待解决。将聚焦超声用声波导管传播目前报道较少，有待进一步研究讨论。
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3 HIFU源频率选择
治疗用超声频率一般较低(不超过5MHz)，频率的选择很大程度上由目标深度所决定，超声频率越低，穿透组织能力越强，组织的声吸收系数越小，对声能吸收能力越低。超声频率的选取应兼顾组织的低衰减和高吸收两方面，因为低衰减可以保证一定的穿透深度，而高吸收可以保证焦区内组织能迅速吸收声能以提高温度。文献[12]从理论上探讨了治疗一定深度组织时治疗频率选择，为设计换能器提供了理论依据。近年来许多研究表明超声照射时在组织内注射一定的药物或液体可以明显提高聚焦准确性和加热效率[18][19]。
早期对超声辐照的量化处理主要参考对石英换能器所加电压大小[1]，辐照强度也主要用电压大小来表示。当认识到超声对组织的破坏主要来源于组织的热效应后，超声对组织热作用的测量改用热敏探针[13][14]。在早期研究报到中，通常给出强度的空间峰值和时间平均值，但是没有指明强度的具体含义。Hill[15]等建议采用强度参数ISAL来表示辐照剂量。ISAL定义为声强度，是指在线性条件下，对声压最大值一半所包围的区域取空间平均。该值的大小可以从总功率和声束形状来确定。一般说来ISAL是线性条件下，最大空间声压值处强度的55.7%。在最大声压半值轮廓线内取强度平均值，相应焦斑宽度也就可以确定下来。
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4 对HIFU技术的制约
一般说来，超声聚焦外科能用于检测超声应用的大部分部位，但尚存在一些限制。
1)当进行深部组织切除时，由于组织对声的吸收，在靠近皮肤的声窗应保证足够大，否者有可能灼伤皮肤，而达不到预期治疗目的。出于安全性和有效性考虑，高强度聚焦超声在皮肤组织表面的强度不能过高，以致灼伤皮肤。Fry[16]等建议当用1MHz的超声照射时，皮肤表面强度应低于100W/cm2，对于浅表组织，应尽量采用宽孔径声束。
2)由于声的传播特性，声束传播的通路上不能有骨胳或气体出现，这样就限制了HIFU技术在许多组织部位的应用，在将来有可能通过声波导管传递声能来解决这一问题。
5 发展前景
HIFU技术已进入许多医学研究领域：神经外科、眼科、泌尿科、肿瘤学等。早期的设备大多比较笨重，而且当时成像技术也比较低，难以保证能精确地将焦斑定位于目标区和进行实时监测治疗。进入80年代，许多相关问题逐步得到解决，该项无损伤外科技术也得到了较大发展，时至今日，聚焦超声技术用于泌尿科治疗已进入商品化阶段。HIFU技术已被当作肿瘤治疗的一种重要手段加以研究[17]。目前许多国家(如美国、日本、英国、法国、德国、挪威、芬兰等)都介入了该技术的开发和应用研究，日本的Toshiba公司声称在3到5年内，将高强度聚焦超声将应用于临床。我国虽然起步较晚，但是进展也较为迅速，上海交通大学研制的高强度聚焦超声前列腺增生治疗仪正在进行动物实验和临床实验。重庆医科大学研制的高强度聚焦超声治癌仪，已有实验样机出现。总之，随着对该项技术的深入研究，HIFU技术作为一项重要的体外无损治疗手段，将取得重要的临床应用价值，造福于人类。■
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作者简介：霍彦明(1971～)，男，博士生。主要研究方向：高强度聚焦超声换能器研制及应用研究。陈亚珠(1936～)，女，中国工程院院士，上海交通大学生物医学仪器研究所所长。
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收稿日期：1998-12-9, 百拇医药