关键词：高强度聚焦超声；卵巢癌；细胞温度
摘 要 目的：探讨一定声功率下,高强度聚焦超声(high-intensityfocused ultrasound,HIFU)辐照肿瘤细胞的时间-温度关系。方法：应用频率0.8MHz,焦点平均声强3000W/cm2 的HIFU连续辐照人卵巢上皮癌细胞(HO8910),通过热电偶温度计连续测温,观察时间与温度的关系。结果：在超声强度一定的前提下,随 着辐照时间的延长,温度增加。但两者不成比例。结论：HIFU辐照时的时间-温度关系为非线性关系。
The Time-temperatureRelationship of Tumor Cells Receiving
High-intensity Focused Ultrasound Irradiation
Wang Huaibi,Lai Cundong,Zhou Pin
Dept.Tumor, First People′s Hospital, Chongqing 400011 China
Wang Wenjian, Wang Zhilong, Bai Jin, et al
Institute of Ultrasound Engineering in Medicine, Chongqing Medical University, Chongqing400046 China
ABSTRACT Objective:To determine thetemperature rise in ovarian carcinoma cell suspension exposed to high-intensity focusedultrasound.Methods：HO8910 cells were irradiated by ultrasound with 3000w/cm2 intensityand 0.8MHz frequency. Temperature alteration of suspension was measured bythermocouple.Result:The temperature got higher under protractedirradiation.Conclusion:Nonlinear relationship between temperature rise and duration ofirradition exposure was witnessed.
KEY WORDS High-intensity focused ultrasound Ovarian carcinoma Celltemperature
本文旨在探索高强度聚焦超声(HIFU)辐照的时间-温度关系,为以后HIFU的临床应用提供基础资料。
资料与方法
1.HIFU系统,由可调变压器、功率源、换能器组成。重庆医科大学超声工程研究所研制。热电偶温度计(精确度±0.1℃),机电部仪表材料研究所研制。聚乙烯试管,江苏海门三和万红玻璃仪器厂制造。
2.肿瘤细胞:人卵巢上皮癌细胞(HO8910)。北京医科大学肿瘤研究室提供。
3.实验方法:将人卵巢上皮癌细胞(HO8910)制备成浓度为1×107 /ml的单胞悬液,并分装到9只聚乙烯试管中,每管2ml。超声探头固定于盛37℃脱气水之容器底部,超声波由下向上发出。探头直径50mm,焦距50mm～80mm,采用声波频率0.8MHz,焦点平均声强3000W/cm2 的HIFU连续辐照聚乙烯试管中的细胞悬液。试管底部距探头50mm。通过安置在管盖中央的热电偶温度计连续测温(图1)。当温度上升到42℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、80℃、90℃、100℃时即刻关机,观察各温度值所需辐照的时间,重复10次。
图 1 实验装置示意图
结 果
时间-温度关系曲线:在超声强度一定的前提下,HIFU辐照HO8910细胞悬液时,随着辐照时间延长,温度增高,但两者不成线性关系。见表1和图2。
表1 HIFU辐照的时间-温度关系
| 时间(秒) | 温度(℃) |
| 42.40±0.30 | 2.20±0.89 |
| 50.20±0.45 | 4.33±0.75 |
| 55.20±0.45 | 7.80±1.20 |
| 60.20±0.45 | 8.00±1.00 |
| 65.20±0.45 | 10.75±1.50 |
| 70.00±0 | 12.33±1.53 |
| 80.20±0.45 | 22.67±2.08 |
| 90.00±0.71 | 22.50±6.36 |
| 100.00±0.71 | 33.50±0.71 |
图 2 HIFU辐照的时间-温度关系
讨 论
离体实验常受多种因素的影响,即使同一类研究也可出现不同结果。Feigl对体外实验的影响因素比较研究指出,细胞浓度为5×106 /ml～6×107 /ml,体积0.5ml～2ml时,实验结果相对稳定〔1〕 。所以本实验采用浓度为1×107 /ml的细胞悬液2ml。聚乙烯声阻抗值与人体接近,而且能很好透过超声波,是体外实验较合适的材料,故本实验采用。虽然核磁共振(MRI)等无损测温方法较为理想,但目前尚未成熟〔2〕 ,而且价格昂贵,难以普及,所以本实验采用热电偶温度计。本实验采用频率0.8MHz,声强3000W/cm2 的HIFU,既能产生明显的温升效应,又有良好的空化效应,能较好地反映HIFU的作用特点。
在肿瘤热疗中,准确测温与控温是十分必要的,这关系到治疗的成败。有作者指出〔3〕 热的生物学效应与加热温度和时间有关,而且加热温度和时间这两个热剂量的主要因素中,温度更有决定意义。传统的肿瘤温热疗法需42℃以上才能达到目的〔4〕 ,研究表明,当加热温度超过42.5℃时,每增加1℃则对细胞的杀伤效应增加两倍。有研究指出,65℃为一次性灭活肿瘤细胞的最佳温度〔5〕 。均有明确的温度界限。进一步说明在肿瘤热疗中,温度是至关重要的。
热效应和空化效应是超声的两个主要作用因素〔6〕 。其中,热效应是它和传统肿瘤热疗的共同之处;空化效应和其它非热效应对治疗有很大影响,而且可能是治疗的关键。这也是超声区别于传统热疗的独特之处。所以超声对肿瘤组织的作用机制有别于热疗。因此,超声破坏肿瘤组织的温度界限不同于传统的热疗。而HIFU是将高强度超声聚焦于组织中某一点,使其急剧升温, 局部温升非常显著,所以HIFU又被称为聚焦高温疗法。同样,HIFU的空化效应以及其它非热效应在组织局部的表现也更加强大明显。可是,HIFU辐照的时间-温度关系如何,目前尚未见明确报道。而这是掌握HIFU破坏肿瘤的温度界限及灭活肿瘤细胞最佳温度所必需的。
本实验通过HIFU辐照肿瘤细胞悬液的观察。结果说明HIFU辐照时实时、连续、准确测温是可能的。这为研究HIFU治疗肿瘤的量-效关系提供了条件。结果显示HIFU辐照的时间-温度关系为非线性关系,并用曲线显示出来。从而间接地将HIFU的剂量量化, 这不但可以克服HIFU体内辐照测温不便的困难,而且为临床掌握HIFU治疗肿瘤的有效剂量提供了资料。
参考文献
1 Feigl T,Volklein B,Iro H,etal.Biophysical effects of high-energy pulsed ultrasound on human cells.Ultrasound MedBiol,1996,22:1267～1275.
2 Dewhirst MW,Prosnitz L,Thrall D,et al.Hyperthermic treatment of malignantdiseases:Current status and a view toward the future.Semin Oncol,1977,24(6):616～625.
3 林世寅,李瑞英主编.现代肿瘤热疗学原理、方法与临床.北京,学苑出版社,1997,35～36,152～155.
4 赵彼得,郭新娜编著.高频透热治癌.北京:人民军医出版社，1993，37～38.
5 李 宁,刘世庚,黄皎琳,等.高温(65℃/5min)固化癌细胞的实验研究.中国肿瘤临床,1994,21(3):233～235.
6 Sibille A,Prat F.Chapelon JY,et al.Extracorporeal ablation of liver tissue byhigh-intensity focused ultrasound.Oncology,1993,50(5):375～379.
(1999-11-15 收稿,214天刊出) , http://www.100md.com