第一节 概 述
胰腺癌起病隐匿，恶性程度高，多数患者确诊时已失去手术机会，且单用化疗、放疗效果欠佳，故需要新的治疗手段改善现状。近年来，“功能保护解剖型手术”越来越多地替代了“解剖型手术”。高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）是一种无创性的肿瘤治疗技术，具有患者痛苦小、术后恢复快等优势，其治疗特点与肿瘤治疗发展的大趋势相吻合，适用于多种良恶性实体肿瘤的治疗。HIFU技术治疗肿瘤的一个重要特点是在杀死肿瘤时对机体的影响很小，甚至没有影响。在治疗中晚期癌症时，HIFU技术与其他治疗方法联合应用，可使有效性叠加，而不良反应不叠加或少叠加，这样更有利于肿瘤的综合治疗。
胰腺癌是HIFU治疗最好的适应证之一。因为胰腺癌的恶性程度高，常规治疗手段疗效欠佳，期待新技术弥补治疗上的缺陷；胰腺位于腹膜后，而腹膜后器官的位置相对固定，随呼吸运动上下活动的幅度较小，可以确保HIFU治疗焦点不偏移；胰腺癌属于乏血供肿瘤，对温度敏感，血流不易将热量迅速带走，从而更易产生热累积效应，最大程度地灭活肿瘤；HIFU可较容易破坏胰腺后方的腹腔神经丛分支，治疗肿瘤相关性疼痛；HIFU可同时对胰腺癌常见的肝脏转移病灶进行治疗。
临床研究显示，HIFU作为综合治疗手段之一，可提高胰腺癌患者的治疗有效率、中位生存期及1年生存率，并能有效控制癌痛，改善患者的生活质量。HIFU治疗胰腺癌的优势包括：
①胰腺为腹腔深部器官，射频消融术等其他微创治疗手段较难达到病灶；
②HIFU治疗不损伤直径＞0.2mm的血管，故部分因肿瘤侵犯肠系膜上静脉、门静脉等无法手术的胰腺癌患者仍可接受HIFU治疗，甚至在HIFU术后由于癌组织易与血管剥离，有可能获得手术切除的机会；
③对于一般情况差、无法耐受手术的患者，也可通过HIFU行局部治疗，对老年胰腺癌患者的临床研究显示，HIFU术后未见明显并发症，并可缓解疼痛、改善生活质量；
④HIFU治疗胰腺癌安全、可靠。Wang等对224例晚期胰腺癌患者行HIFU治疗，未观察到严重并发症（如皮肤烧伤、损伤出血、胃肠道出血或消化道穿孔等），个别患者出现血清淀粉酶水平升高和胃肠道功能紊乱（如腹胀、厌食与轻微的恶心等），均在术后恢复。
一、HIFU发展历史
超声波用于医学上的诊断和治疗始于1881年Pierre和Jacques Curie发现的压电现象。早在1942年，Lynn等就引入了聚焦超声的概念，试图通过体外超声的体内聚焦，破坏处于中心焦点的病灶区，达到无创治疗的目的。20世纪50年代，Fry等将HIFU技术用于治疗神经系统性疾病，研究发现超声波可以在机体选定的深度产生一个很好的焦域，通过该聚能点来破坏焦域处组织而对邻近组织不损伤，于是超声波进一步在体表和腔内的一些疾病的治疗中得到推广应用，但由于当时缺乏有效的监控手段等原因，临床应用受到显著限制。50年代至80年代，低能量的聚焦超声温热疗法得到了很大发展，如Sonotherapy 1000型超声波热疗设备通过了美国FDA认证，但由于热扩散的不可控性，影响了该类设备的有效性和安全性的统一。1993年，Sibille等证实40℃～45℃不能引起组织即刻损害，但因肿瘤组织比正常组织对温度更敏感，这种效应可以强化其他疗法如放疗、化疗的效果。
HIFU可以在深部组织形成损伤点，但控制其大小和形态有一定难度，如果再将每点加起来形成束状的损伤，让束状加起来形成片状的损伤，每片加起来形成一个立体块，就更困难。早在1993年，Fry等指出聚焦超声的实用性取决于对超声源到焦域前所经过的通道和焦域处的能量存积的研究。Ter Haar等研究认为，聚焦超声在临床上的安全使用依赖于对超声束在组织中的影响有足够认识。Adams等在用HIFU切除兔肾肿瘤的研究中发现，探头发出的超声能量要破坏肿瘤组织除了取决于焦距、组织的声学特征外，还与超声能量和组织的相互作用有关。2000年，Goldberg提出影响组织热的重要因素是Pennes生物热方程的解，即一个给定损伤组织凝固性坏死的热范围等于能量沉积乘以局部组织的相互作用减去致热损害前的热丢失。HIFU所致的组织坏死体积称为超声所致的损害（lesion），损害在焦域内形成，主要的破坏机制是热。随着能量的增加，组织内的水可以汽化而形成微气泡。另外，空化效应也可能产生微气泡。在不产生气泡时，损害灶的形态与焦域区域一致。而当有气泡产生时，损害灶的大小和形态易变，并且在组合叠加各点时，会导致点与点之间残留组织损害。这种情况叫损伤-损伤干涉效应（lesion-lesion interaction）。由于这一效应的存在，致使早年应用HIFU技术来完整地切除肿瘤有一定困难。
Wang等提出用生物学焦域来描述组织内凝固性坏死形成的范围，以此与理想声场中测试的物理学焦域进行对应性研究。通过研究生物学焦域在不同组织器官、不同功能状态下的形成规律，即生物学焦域组合成束、成片、成块的规律，监控生物学焦域形成和组合过程中的超声成像特点，得到了许多量化的指标。Wang等总结认为：HIFU是一种将超声波经体外发射透入组织内，在靶区聚焦，产生一个高能点，瞬态致组织凝固性坏死，所产生的空化效应可使细胞膜失去连续性，在不损伤超声所经组织和邻近脏器的前提下达到切除深部肿瘤的目的；并提出HIFU治疗肿瘤技术要在临床上可行，应同时满足以下条件：
①对应理想声场的物理学焦域，在组织内一定有凝固性坏死的生物学焦域；
②生物学焦域的形态和大小可控，并作为基本单位根据需要能组合成任一形状的立体块；
③治疗效果能实时监控；
④有良好的临床方案。
经过近20年来的不断完善，HIFU作为一种肿瘤无创治疗新技术在临床实践中得到巨大发展，已使越来越多的肿瘤患者临床获益。
二、治疗主要机理
目前认为HIFU治疗肿瘤的机制主要包括以下几点。
1.热固化效应
在超声治疗学中，辐照剂量是非常重要的。用于肿瘤治疗的HIFU技术，焦域区的声强可大于10 000W／cm2，瞬间使组织凝固性坏死。HIFU治疗系统能将高强度的超声能聚焦于治疗区域，并且可以在0.5s内迅速将目标区域组织温度升至65℃～100℃，使靶区内细胞蛋白质迅速发生凝固性坏死，达到治疗目的，而靶区以外的周围组织因温度不高不损伤或损伤较小。
图3-15-1 HIUF治疗后肝脏凝固性坏死区及其组织病理学改变
A.活体猪肝，HIFU定点扫描5s、10s剖面观，扫描时间延长，生物学焦域增大；B.在体猪肝，HIFU损伤后即刻组织学变化。
HIFU定位损伤活体肝组织的研究发现，受辐照肝组织发生即刻凝固性坏死（图3-15-1A）。坏死区周围有一充血带，治疗后3d靶区与周围组织分界清楚，肉眼即可见明显灰白色凝固性坏死改变，3～7d达高峰，14d靶区开始收缩，周围可见新生组织，21d凝固性坏死组织逐渐液化、吸收，28d坏死灶逐渐被纤维结缔组织和新生肝组织替代。组织学观察发现，HIFU辐照后肝板和肝细胞索结构被破坏，肝细胞核固缩，胞浆气球样变（图3-15-1B）；3d可见大片坏死组织、肝细胞核碎裂溶解、炎细胞浸润，7d坏死组织继续发展，14d坏死灶周围出现纤维母细胞和新生毛细血管，21d可见致密纤维组织包裹坏死区及大量新生毛细血管，淋巴细胞浸润，28d周边有假小叶形成，而中心仍是细胞坏死，可见新生的结构基本为正常的肝小叶。
采用HIFU治疗VX2兔早期肝癌，治疗后立即行组织学检查可见肿瘤区组织变疏松、血窦破裂、癌细胞固缩、核浓缩变性。电镜观察见膜消失、细胞器不能辨别、核膜破裂、染色质边集，可见无结构的均质性坏死灶，治疗后7d可见肿瘤治疗区与未治疗区分界清楚，治疗区组织坏死，周围可见纤维组织增生、炎性细胞浸润，靶区肿瘤细胞固缩、溶解，21d可见致密纤维组织包裹坏死灶。治疗后存活150d的动物，病灶处见结缔组织增生（图3-15-2）。
2.空化效应
空化效应是指液体中存在的微小气泡被超声波激活所表现出的强烈膨胀和萎缩运动，使病变组织产生机械性的破坏。Prat等定位损伤兔肝实验已证实，HIFU可有效靶向破坏肝组织，而经股动脉插管注入微气泡可加重损伤程度。另外，超声还具有声化学作用，产生冲击波、液体微射流等机械作用，这对组织细胞也会引起物理、化学改变，影响细胞生物学功能。
3.HIFU可使微血管栓塞、凝固性坏死
研究表明，HIFU能破坏直径小于200μm的血管，包括肿瘤的滋养血管，可使直径0.6mm的兔肾动脉血管痉挛。HIFU可使内径1.1mm的兔股动脉血管壁发生病理学改变，使动脉血流阻滞或血流量显著降低，有利于增加焦域组织能量沉积，加速靶组织形成凝固性坏死。Yang等进一步观察兔腹腔动脉和下腔静脉HIFU治疗后的病理变化，发现6个月后除血管壁层有损伤外，均无破裂、出血、栓塞，认为HIFU治疗靠近大血管的肝肿瘤是安全的，原因是大血管内血流快，散热强。Wu等应用HIFU治疗164例实体性恶性肿瘤的研究结果表明，HIFU能完全破坏肿瘤营养血管，使肿瘤发生继发性缺血坏死，从而增强HIFU对肿瘤直接破坏，这种选择性破坏血管作用具有重要临床意义。Chan等报道HIFU辐照后可使人的复发性肝细胞癌的主要供血血管血流量减小而间接损伤肿瘤组织，此可称为HIFU的继发性肿瘤抑制作用。
4.多种途径激发机体的抗肿瘤免疫效应(https://www.daowen.com)
图3-15-2 兔W256肝癌HIFU治疗后的病理变化
A.治疗即刻靶区组织切片示右侧癌组织多数癌细胞胞体固缩，核多浓缩变形，染色深浅不一，靶区内有局部坏死灶（HE×200）；B.治疗后2d示癌巢与周围组织部分分离，癌细胞呈团块样收缩，空泡形成（HE×40）；C.治疗后7d示靶区内的组织已坏死，左下方的癌细胞固缩、溶解、消失（HE×100）；D.存活达150d兔肝靶区内结缔组织增生，增生的结缔组织间有坏死的肝细胞束，未发现肿瘤细胞（HE×100）。
研究发现，HIFU可促进肿瘤抗原释放，诱导机体的免疫反应。Chen等的临床前研究显示，采用聚焦超声介导大鼠脑胶质瘤模型的血脑屏障，可上调肿瘤区域的肿瘤浸润淋巴细胞（TIL），特别是CD3+CD8+细胞毒性淋巴细胞（CTL），并可与IL-12协同上调CTL及CTL／Treg比值，从而显著抑制肿瘤进展、延长生存时间。动物实验证实，HIFU治疗早期外阴癌的疗效与手术治疗无显著差异，但治愈者再次接种同种肿瘤，HIFU组治愈者接种成功率小于手术者，肿瘤转移发生率也明显低于手术治疗者。
5.放、化疗增敏作用
化疗和放疗是治疗胰腺癌的重要手段，但治疗敏感性亟待提高。研究证实，HIFU治疗对胰腺癌以及肿瘤血管的直接破坏作用可以增敏化疗疗效，机制可能包括HIFU热效应的热疗增敏作用，以及HIFU治疗局部高温及机械作用可改善细胞膜的药物通透性，从而增加细胞内药物浓度，同时逆转肿瘤多药耐药。放疗的敏感性与肿瘤的含氧状态相关。胰腺癌属于低血供肿瘤，乏氧明显，特别是中心部位乏氧细胞所占比例明显上升，因此降低了胰腺癌放疗的临床疗效。另一方面，乏氧细胞对热疗表现为高敏感性，HIFU治疗为细胞非特异性热杀伤，对放疗不敏感的乏氧细胞对HIFU则有高敏感性，因此可以增强放疗疗效。
三、HIFU治疗肿瘤的优势
HIFU治疗技术属于非介入式临床治疗的范畴，与其他物理技术如放疗、电磁波、微波等治疗技术相比，具有以下优点。
1.无创性
HIFU是一种从体外发射高强度超声波使体内组织凝固性坏死的高温治疗方法。该技术所采用的超声波是一种非电离辐射的机械波，因而HIFU治疗时不开刀、不穿刺，治疗只对病变部位产生作用，而不明显损伤临近组织及器官，愈后可保持表层组织完整，不留瘢痕。高强度聚焦超声对深部组织定位损伤在空间上是有效的、安全的。
2.靶区内均匀分布的致死剂量与不明显损伤靶区周围组织
HIFU生物学焦域温场研究显示（图3-15-3），焦域中心温度最高，在空间上远离焦点X、Y、Z轴温升快速下降，其中Z轴远离焦点近换能器一侧温升梯度较远换能器一侧平缓。研究结果表明：在空间上，由生物学焦域中心向外缘，能量递减十分陡峭，具有“刀”的特征。温场分布研究显示，定点扫描时随辐照时间延长，焦域中心温度上升，辐照停止后，温度迅速下降，而焦域外2.5mm组织温度无明显改变（图3-15-4）。采用VX2兔骨肿瘤模型，经HIFU治疗后，治疗区为灰白色无光泽凝固性坏死区，周围为一明显充血带，边界清楚；声像图监控的损伤区大小与实际测量一致，组织学观察见治疗区与非治疗区分界清楚。
图3-15-3 HIFU生物学焦域在焦平面上的X（左）、Y（中）和Z向（右）的温场分布研究
3.适形性
HIFU的作用机制主要为热消融，探头发射聚焦的超声波，在中心位置被组织吸收后会转化为热能，HIFU治疗系统通过探头将超声波汇聚于一点，使该点温度瞬时升高，达65℃以上，引起局部点状凝固性坏死。HIFU是通过体外聚焦超声换能器的运动带动生物学焦域的运动达到“切除”肿瘤的目的（图3-15-5）。这种让小的生物学焦域的移动增加热切除的体积替代小点热扩散增大被破坏体积的方法，是HIFU技术与微波消融、射频消融、高频电流、氩氦刀等方法的不同点之一，也是HIFU技术能做到无创性热切除肿瘤的原因所在。通过“点点成线，线线成面，面面成体”完成整个病灶的热消融治疗，实现对任意大小和形状的实体肿瘤进行完全毁损（图3-15-6，图3-15-7）。
图3-15-4 定点扫描的温场分布曲线（定点损伤20s）
图3-15-5 通过体外治疗头的运动带动生物学焦域的运动“切除”肿瘤示意图
图3-15-6 HIFU“切除”肿瘤的组合方式（左）和3D治疗（右）示意图
图3-15-7 在离体牛肝中按照点点成线、线线成面、面面成体的组合方式形成凝固性坏死块
4.实时治疗与实时监控
HIFU辐照后，受辐照区声像图一般表现为回声增强，肿瘤组织血流信号减弱或消失，受辐照组织的形态改变，这种改变可用于监测和随访治疗效果。HIFU“切除”肿瘤整个过程包括范围、效果能被实时监控和判断，并能适时调整治疗剂量。HIFU定点辐照新鲜离体牛肝脏组织形成生物学焦域的即刻，靶区B超回声强度明显增强，与辐照前正常组织低回声区比较差别显著，辐照结束后靶区超声图像强度回声迅速降低，降低最为显著为前30s，2min时趋于稳定，但相比于辐照前正常组织，靶区超声图像回声仍然很高（图3-15-8）。HIFU辐照靶组织后靶区超声图像回声增强是HIFU有效治疗影像学标志，治疗机制与空化和汽化产生的气泡、靶组织温度升高和组织凝固性坏死有关。
图3-15-8 HIFU辐照新鲜离体牛肝后不同观察时间的靶区声像图（A）；在同一辐照深度下，相同声强、不同辐照时间的HIFU辐照新鲜离体牛肝的靶区灰度值变化（B）
病理解剖肉眼所见生物学焦域的大小与所获声像图的实测范围基本一致，剖开定位点发现生物学焦域中心距肝组织表面的距离与二维超声实测距离一致。实验结果支持，二维超声可实时反映治疗区生物学焦域的动态变化过程。因此，应用B超可以监控HIFU疗效和损伤范围。B超声像图前后灰度变化除了与声功率、辐照时间有关外，还与辐照深度、组织结构、组织功能状态和治疗方式等有关。