Схема, показывающая, как HIFU может использоваться для разрушения тканей в организме. Акустическая линза используется для фокусировки звука в небольшой точке в организме. Звук распространяется через множество слоев ткани. Из-за фокального усиления разрушается только ткань в фокусе.
Другие имена
Фокусированная ультразвуковая хирургия под контролем магнитного резонанса (MRgFUS), фокусированная ультразвуковая хирургия (FUS), фокусированная ультразвуковая абляция под контролем МРТ
[править на Wikidata]
Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук ( HIFU ) или фокусированная ультразвуковая хирургия под контролем МРТ (фокусированная ультразвуковая абляция под контролем МРТ) — это терапевтическая техника без разреза [1] , которая использует неионизирующие ультразвуковые волны для нагрева или абляции ткани. HIFU можно использовать для увеличения притока крови или лимфы или для разрушения тканей, таких как опухоли , с помощью тепловых и механических механизмов. Учитывая распространенность и относительно низкую стоимость механизмов генерации ультразвука, предпосылка HIFU заключается в том, что ожидается, что это будет неинвазивная и недорогая терапия, которая может, по крайней мере, превзойти лечение в операционной.
Технология отличается от той, что используется в ультразвуковой визуализации , хотя для достижения необходимых тепловых доз используются более низкие частоты и непрерывные, а не импульсные волны. Однако импульсные волны также могут использоваться, если желательно механическое, а не термическое повреждение. Акустические линзы часто используются для достижения необходимой интенсивности в целевой ткани без повреждения окружающей ткани. Идеальная диаграмма паттерна — это фокусировка луча увеличительным стеклом солнечного света; только фокусная точка увеличительного стекла имеет высокую температуру.
Исследования локализованного рака предстательной железы показали, что после лечения показатели выживаемости без прогрессирования были высокими для пациентов с низким и средним риском рецидива рака предстательной железы. [3] InsighTec ExAblate 2000 была первой системой MRgFUS, получившей одобрение FDA на рынок, [4] патент США 5,247,935.
Медицинское применение
This section needs more reliable medical references for verification or relies too heavily on primary sources. Please review the contents of the section and add the appropriate references if you can. Unsourced or poorly sourced material may be challenged and removed. Find sources: "Focused ultrasound" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR(April 2016)
Нет четкого консенсуса относительно границ между HIFU и другими формами терапевтического ультразвука . В специальной литературе HIFU относится к высоким уровням энергии, необходимым для разрушения тканей посредством абляции или кавитации , хотя иногда его также используют для описания приложений с более низкой интенсивностью, таких как трудотерапия и физиотерапия.
В любом случае, HIFU используется для неинвазивного нагрева тканей глубоко в организме без необходимости разреза. [1] Основные области применения — разрушение тканей, вызванное гипертермией, увеличение перфузии и физиотерапия . Использование ультразвука при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата — еще одно применение в физиотерапевтических условиях. [5]
Неврологические расстройства
Одним из первых применений HIFU было лечение болезни Паркинсона в 1940-х годах. Хотя в то время HIFU был неэффективен, он способен поражать патологию. Система сфокусированного ультразвука одобрена в Израиле, Канаде, Италии, Корее и России для лечения эссенциального тремора , [6] невропатической боли , [7] и паркинсонического тремора . [8] Такой подход позволяет лечить мозг без разреза или облучения. В 2016 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США ( FDA ) одобрило систему Exablate компании Insightec для лечения эссенциального тремора. [9] Лечение других таламокортикальных дисритмий и психиатрических состояний находится в стадии изучения. [10]
Раковые заболевания
простата
HIFU может быть эффективным для лечения рака простаты . [11] [12] [13]
Печень
HIFU изучается при раке печени, и во многих исследованиях сообщается о высоком уровне ответа и положительном результате. [14] Во время лечения метастазирующего рака печени с помощью HIFU иммунные реакции наблюдались в местах, удаленных от очаговой области. [15]
В некоторых странах, не в США, HIFU также предлагается изнутри простаты, то есть через катетер в простатической уретре . Доказательства по состоянию на 2019 год отсутствуют. [18]
This section needs more reliable medical references for verification or relies too heavily on primary sources. Please review the contents of the section and add the appropriate references if you can. Unsourced or poorly sourced material may be challenged and removed. Find sources: "Focused ultrasound" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR(April 2016)
Лучи HIFU точно фокусируются на небольшом участке пораженной ткани, чтобы локально доставить высокие уровни энергии.
Фокусированный ультразвук может использоваться для создания высоколокализованного нагрева для лечения кист и опухолей (доброкачественных или злокачественных). Это известно как магнитно-резонансный фокусированный ультразвук (MRgFUS) или высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU). Эти процедуры обычно используют более низкие частоты, чем медицинский диагностический ультразвук (от 0,7 до 2 МГц), но более высокая частота означает более низкую фокусирующую энергию. Лечение HIFU часто проводится под контролем МРТ .
Температура ткани в фокусе поднимется до 65–85 °C, разрушая больную ткань путем коагуляционного некроза . Если ткань поднимается выше порога 60 °C дольше 1 секунды, этот процесс необратим. [20] Каждое ультразвуковое воздействие (индивидуальное воздействие ультразвуковой энергии) обрабатывает точно определенную часть целевой ткани. Вся терапевтическая цель обрабатывается с помощью многократного ультразвукового воздействия для создания объема несжимаемого материала, например, водопроводной воды. [21]
с интегралом по времени обработки, R=0,5 для температур выше 43 °C и 0,25 для температур от 43 °C до 37 °C, опорная температура 43 °C, а время T указано в минутах. Уравнения и методы, описанные в этом отчете, не предназначены для представления каких-либо клинических результатов, это всего лишь подход для оценки тепловой дозы в несжимаемом материале, состоящем только из водопроводной воды; . [22]
Поскольку ультразвуковая акустическая волна не может распространяться через сжимаемую ткань, такую как резина, часть человеческих тканей, и ультразвуковая энергия будет преобразована в тепло, с помощью сфокусированных лучей можно достичь очень небольшой области нагрева, которая находится неглубоко в тканях (обычно порядка 2–3 миллиметров). Ткань возникает как функция как легкого встряхивания, которому нагревается вода, так и того, как долго часть воды подвергается воздействию этого уровня тепла в метрике, называемой «тепловой дозой». Фокусируясь более чем в одном месте или сканируя фокус, можно термически удалить объем. [23] [24] [25] Тепловые дозы 120–240 мин при 43 °C коагулируют клеточный белок и приводят к необратимому разрушению ткани.
Имеются некоторые сообщения о том, что HIFU можно применять при раковых заболеваниях, чтобы нарушить микросреду опухоли и вызвать иммунный ответ, а также, возможно, повысить эффективность иммунотерапии. [26] [27]
Механический
Инерционная кавитация
При достаточно высокой акустической интенсивности может возникнуть кавитация (образование микропузырьков и взаимодействие их с ультразвуковым полем). Микропузырьки, образующиеся в поле, колеблются и растут (из-за факторов, включающих выпрямленную диффузию ), и в конечном итоге могут схлопнуться (инерционная или переходная кавитация). Во время инерционной кавитации внутри пузырьков возникают очень высокие температуры, а коллапс во время фазы разрежения связан с ударной волной и струями, которые могут механически повредить ткани. [28]
Стабильная кавитация
Стабильная кавитация создает микропоток, который вызывает высокие сдвиговые силы на клетках и приводит к апоптозу. Развиваясь, пузырьки, образующиеся при испарении воды из-за акустических сил, колеблются под акустическим полем низкого давления. Сильное течение может вызвать повреждение клеток, но также снижает температуру ткани за счет конвективной потери тепла. [29]
Теория
Существует несколько способов фокусировки ультразвука — с помощью линзы (например, полистирольной линзы, параболического преобразователя , фазированной решетки и т. д.). Специальные патенты и очень точная технология решают эту проблему. Это можно определить с помощью экспоненциальной модели затухания ультразвука . Профиль интенсивности ультразвука ограничен экспоненциально убывающей функцией, где уменьшение ультразвука является функцией расстояния, пройденного через ткань:
— начальная интенсивность пучка, — коэффициент затухания (в единицах, обратных длине), а z — расстояние, пройденное через ослабляющую среду (например, ткань).
В этой идеальной модели [30] является мерой плотности мощности тепла, поглощаемого из ультразвукового поля. Это показывает, что нагрев ткани пропорционален интенсивности, а интенсивность обратно пропорциональна площади, по которой распространяется ультразвуковой луч. Поэтому фокусировка луча в острую точку или увеличение интенсивности луча создает быстрый рост температуры в фокусе. [ необходима цитата ]
Ультразвуковой луч можно сфокусировать следующими способами:
Геометрически, например, с помощью линзы или сферически изогнутого преобразователя .
Электронно, путем регулировки относительных фаз элементов в массиве преобразователей (« фазированная решетка »). Динамически регулируя электронные сигналы к элементам фазированной решетки, луч можно направлять в разные места, а аберрации в ультразвуковом луче, вызванные структурами тканей, можно корректировать. [ требуется цитата ] Это предполагает отсутствие отражения, поглощения и диффузии промежуточной ткани. Сам ультразвук может проникать через несжимаемые материалы, такие как вода, но сжимаемые материалы, такие как воздух, резина, человеческая ткань, жир, волокна, полые кости и фасции, отражают, поглощают и рассеивают ультразвуковую энергию.
Доставка луча
Доставка луча состоит из управления лучом и наведения изображения. Луч имеет возможность проходить через вышележащие ткани без повреждения и фокусироваться на локализованной области с предельным размером 2–3 мм, что определяется клинической частотой ультразвука. После абляции формируется четкая граница между здоровой и некротической тканью (ширина менее 50 микрон). [31]
Управление лучом
Наиболее распространенным преобразователем является вогнутый фокусирующий преобразователь с фиксированной апертурой и фиксированным фокусным расстоянием. [31] Фазированные преобразователи также могут использоваться с различными компоновками (плоские/чашечные). [31]
Изображение руководства
Терапия HIFU требует тщательного мониторинга, поэтому ее обычно проводят в сочетании с другими методами визуализации.
Предоперационная визуализация, например, КТ и МРТ , обычно используется для определения общих параметров целевой анатомии. С другой стороны, визуализация в реальном времени необходима для безопасного и точного неинвазивного нацеливания и мониторинга терапии. Как МРТ, так и медицинская ультразвуковая визуализация использовались для руководства при лечении FUS. Эти методы известны как магнитно-резонансная фокусированная ультразвуковая хирургия (MRgFUS) [32] [33] и ультразвуковая фокусированная ультразвуковая хирургия (USgFUS) соответственно. [1] [34] MRgFUS — это метод 3D-визуализации, который отличается высокой контрастностью мягких тканей и предоставляет информацию о температуре, что позволяет контролировать абляцию. Однако низкая частота кадров делает этот метод плохо работающим при визуализации в реальном времени, а высокая стоимость представляет собой существенное ограничение для его использования. [35] USgFUS, по-другому, представляет собой метод 2D-визуализации, в котором, хотя до сих пор не было разработано ни одной коммерческой системы для предоставления количественной информации о температуре, используются несколько преимуществ, таких как высокая частота кадров (до 1000 изображений в секунду), низкая стоимость и минимальные неблагоприятные последствия для здоровья. Еще одна причина, по которой ультразвук идеально подходит для визуального контроля, заключается в том, что он проверяет акустическое окно в реальном времени, поскольку это тот же метод, что и терапия. [36] Из этого следует, что если целевая область не визуализируется с помощью ультразвуковой визуализации до и во время терапии HIFU, то маловероятно, что терапия HIFU будет эффективна в этой конкретной области. [36] Кроме того, результаты лечения можно оценить в реальном времени путем визуального осмотра гиперэхогенных изменений на стандартных изображениях в B-режиме. [37]
Ссылки
^ abc Dubinsky TJ, Cuevas C, Dighe MK, Kolokythas O, Hwang JH (2008). «Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук: текущий потенциал и онкологические применения». American Journal of Roentgenology . 190 (1): 191– 199. doi :10.2214/AJR.07.2671. ISSN 0361-803X. PMID 18094311.
^ Sandilos G, Butchy MV, Koneru M, Gongalla S, Sensenig R, Hong YK (август 2024 г.). «Гистотрипсия — шумиха или надежда? Обзор инноваций и будущие последствия». J Gastrointest Surg . 28 (8): 1370– 1375. doi :10.1016/j.gassur.2024.05.038. PMID 38862075.
^ Gelet A, Murat FJ, Poissonier L (2007). «Рецидив рака простаты после лучевой терапии – спасительное лечение с помощью высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука». European Oncological Disease . 1 (1): 60– 2. Архивировано из оригинала 4 октября 2013 г. Получено 4 октября 2013 г.
^ Элиас В.Дж., Хусс Д., Восс Т., Лумба Дж., Халед М., Задикарио Э., Фрайзингер Р.К., Сперлинг С.А., Уайли С., Монтейт С.Дж., Друзгал Дж., Шах Б.Б., Харрисон М., Винтермарк М. (2013). «Пилотное исследование таламотомии с помощью фокусированного ультразвука при эссенциальном треморе». Медицинский журнал Новой Англии . 369 (7): 640–8 . doi : 10.1056/NEJMoa1300962 . ПМИД 23944301.
^ Jeanmonod D, Werner B, Morel A, Michels L, Zadicario E, Schiff G, Martin E (2012). «Транскраниальная магнитно-резонансная томография с фокусированным ультразвуком: неинвазивная центральная боковая таламотомия при хронической невропатической боли» (PDF) . Neurosurgical Focus . 32 (1): E1. doi :10.3171/2011.10.FOCUS11248. PMID 22208894. S2CID 2231685.
^ Magara A, Bühler R, Moser D, Kowalski M, Pourtehrani P, Jeanmonod D (2014). «Первый опыт использования фокусированного ультразвука под контролем МРТ при лечении болезни Паркинсона». Journal of Therapeutic Ultrasound . 2 : 11. doi : 10.1186/2050-5736-2-11 . PMC 4266014. PMID 25512869 .
^ Пресс-релиз FDA. «FDA одобряет первое устройство с фокусированным ультразвуком под контролем МРТ для лечения эссенциального тремора», FDA , 11 июля 2016 г.
^ Мартин-Фиори, Э. (2014). «Функциональная нейрохирургия с МР-наведением HIFU». Интраоперационная визуализация и терапия под визуальным контролем . Нью-Йорк: Springer. С. 591– 599. doi :10.1007/978-1-4614-7657-3_45. ISBN978-1-4614-7657-3.
^ Chaussy CG, Thüroff S (апрель 2017 г.). «Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук для лечения рака простаты: обзор». Журнал эндоурологии . 31 (S1): S30 – S37 . doi :10.1089/end.2016.0548. PMID 28355119.
^ Hu JC, Laviana A, Sedrakyan A (28 июня 2016 г.). «Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук при раке простаты». JAMA . 315 (24): 2659– 60. doi :10.1001/jama.2016.5002. PMID 27367874.
^ Lepor H, Gold S, Wysock J (2018). « Фокальная абляция рака простаты». Обзоры урологии . 20 (4): 145– 157. doi :10.3909/riu0809 (неактивен 1 ноября 2024 г.). PMC 6375006. PMID 30787673.{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
^ Ng KK, Poon RT, Chan SC, Chok KS, Cheung TT, Tung H, Chu F, Tso WK, Yu WC, Lo CM, Fan ST (май 2011 г.). «Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук при гепатоцеллюлярной карциноме: опыт одного центра». Annals of Surgery . 253 (5): 981– 987. doi : 10.1097/SLA.0b013e3182128a8b. hdl : 10722/135541 . ISSN 1528-1140. PMID 21394012. S2CID 25603451.
^ Маури Г, Никосия Л, Сюй З , Ди Пьетро С, Монфардини Л, Бономо Г, Варано ГМ, Прада Ф, Делла Винья П, Орси Ф (март 2018 г.). «Фокусированный ультразвук: абляция опухоли и ее потенциал для улучшения иммунологической терапии рака». Британский журнал радиологии . 91 (1083). дои : 10.1259/bjr.20170641. ISSN 0007-1285. ПМЦ 5965486 . ПМИД 29168922.
^ Sommer G, Pauly KB, Holbrook A, Plata J, Daniel B, Bouley D (2013). «Аппликаторы для ультразвуковой абляции доброкачественной гиперплазии предстательной железы под контролем магнитного резонанса». Invest Radiol . 48 (6): 387–94 . doi :10.1097/RLI.0b013e31827fe91e. PMC 4045500. PMID 23462673 .
^ Salgaonkar VA, Diederich CJ (2015). «Катетерная ультразвуковая технология для термотерапии с визуальным контролем: современная технология и применение». Int J Hyperth . 31 (2): 203– 15. doi :10.3109/02656736.2015.1006269. PMC 4659534 . PMID 25799287.
^ Zhou YF (10 января 2011 г.). «Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук при клинической абляции опухолей». World Journal of Clinical Oncology . 2 (1): 8– 27. doi : 10.5306/wjco.v2.i1.8 . ISSN 2218-4333. PMC 3095464. PMID 21603311 .
^ Sapareto SA, Dewey WC (1984). «Определение тепловой дозы в терапии рака». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики . 10 (6): 787– 800. doi :10.1016/0360-3016(84)90379-1. PMID 6547421.
^ Mouratidis PX, Rivens I, Civale J, Symonds-Tayler R, Haar Gt (1 января 2019 г.). «Связь между тепловой дозой и гибелью клеток при «быстром» абляционном и «медленном» гипертермическом нагреве». Международный журнал гипертермии . 36 (1): 228– 242. doi : 10.1080/02656736.2018.1558289 . ISSN 0265-6736. PMID 30700171.
^ Хейсман М., Лам М.К., Бартельс Л.В., Ниенхейс Р.Дж., Мунен КТ, Кнуттель Ф.М., Веркойен Х.М., ван Вульпен М., ван ден Бош М.А. (2014). «Возможность использования объемного фокусированного ультразвука высокой интенсивности под контролем МРТ (MR-HIFU) при болезненных метастазах в костях». Журнал терапевтического ультразвука . 2:16 . дои : 10.1186/2050-5736-2-16 . ПМК 4193684 . ПМИД 25309743.
^ Köhler MO, Mougenot C, Quesson B, Enholm J, Le Bail B, Laurent C, Moonen CT, Ehnholm GJ (2009). «Объемная абляция HIFU под 3D-наведением быстрой МРТ-термометрии». Medical Physics . 36 (8): 3521– 35. Bibcode :2009MedPh..36.3521K. doi :10.1118/1.3152112. PMID 19746786.
^ Монтейт С.Дж., Касселл Н.Ф., Горен О., Харноф С. (2013). «Транскраниальный сонотромболизис с фокусированным ультразвуком под контролем МРТ при лечении внутримозгового кровоизлияния». Neurosurgical Focus . 34 (5): E14. doi : 10.3171/2013.2.FOCUS1313 . PMID 23634918.
^ Haen SP, Pereira PL, Salih HR, Rammensee HG, Gouttefangeas C (2011). «Больше, чем просто разрушение опухоли: иммуномодуляция путем термической абляции рака». Клиническая и эволюционная иммунология . 2011 : 1– 19. doi : 10.1155/2011/160250 . PMC 3254009. PMID 22242035 .
^ Wu F (2013). «Высокоинтенсивная фокусированная ультразвуковая абляция и противоопухолевый иммунный ответ». Журнал Акустического общества Америки . 134 (2): 1695–701 . Bibcode : 2013ASAJ..134.1695W. doi : 10.1121/1.4812893. PMID 23927210.
^ Лейтон Т. (1997). Ультразвук в обработке пищевых продуктов . Глава 9: Принципы кавитации: Thomson Science, Лондон, Blackie Academic and Professional. С. 151–182 .{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
^ Levario-Diaz V, Bhaskar P, Galan MC , Barnes AC (22 мая 2020 г.). «Влияние акустических стоячих волн на жизнеспособность клеток и метаболическую активность». Scientific Reports . 10 (1): 8493. Bibcode : 2020NatSR..10.8493L. doi : 10.1038/s41598-020-65241-4 . ISSN 2045-2322. PMC 7244593. PMID 32444830 .
^ Hariharan P, Myers MR, Banerjee RK (21 июля 2007 г.). «Процедуры HIFU умеренной интенсивности — влияние крупных кровеносных сосудов». Physics in Medicine and Biology . 52 (12): 3493– 3513. Bibcode : 2007PMB....52.3493H. doi : 10.1088/0031-9155/52/12/011. PMID 17664556. S2CID 26124121.
^ abc Izadifar Z, Izadifar Z, Chapman D, Babyn P (7 февраля 2020 г.). «Введение в фокусированный ультразвук высокой интенсивности: систематический обзор принципов, устройств и клинических приложений». Журнал клинической медицины . 9 (2): 460. doi : 10.3390/jcm9020460 . ISSN 2077-0383. PMC 7073974. PMID 32046072 .
^ Kotopoulis S, Wang H, Cochran S, Postema M (2011). «Преобразователи из ниобата лития для ультразвуковой микрохирургии под контролем МРТ» (PDF) . IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control . 58 (8): 1570– 1576. doi :10.1109/TUFFC.2011.1984. PMID 21859576. S2CID 11382728.
^ Medel R, Monteith SJ, Elias WJ, Eames M, Snell J, Sheehan JP, Wintermark M, Jolesz FA, Kassell NF (2012). «Магнитно-резонансная хирургия с фокусированным ультразвуком». Neurosurgery . 71 (4): 755– 763. doi :10.1227/NEU.0b013e3182672ac9. ISSN 0148-396X. PMC 4104674 . PMID 22791029.
^ Belzberg M, Mahapatra S, Perdomo-Pantoja A, Chavez F, Morrison K, Xiong KT, Gamo NJ, Restaino SA, Thakor N, Yazdi Y, Iyer R, Tyler B, Theodore N, Luciano MG, Brem H, Groves M, Cohen AR, Manbachi A (2020). «Минимально инвазивный терапевтический ультразвук: ультразвуковая абляция под контролем ультразвука в нейроонкологии». Ultrasonics . 108 (12): 106210. doi : 10.1016/j.ultras.2020.106210 . PMC 8895244 . PMID 32619834.
^ Cafarelli A, Mura M, Diodato A, Schiappacasse A, Santoro M, Ciuti G, Menciassi A (25–29 августа 2015 г.). «Компьютерная роботизированная платформа для фокусированной ультразвуковой хирургии: оценка доставки высокоинтенсивного фокусированного ультразвука». 37-я ежегодная международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC) . стр. 1311– 1314. doi :10.1109/EMBC.2015.7318609. ISBN978-1-4244-9271-8. PMID 26736509. S2CID 4194253.
^ ab Chen PH, Hsieh KS, Huang CC (2017). «Подход к акустическому отслеживанию для симулятора медицинских ультразвуковых изображений». Журнал медицинской и биологической инженерии . 37 (6): 944– 952. doi :10.1007/s40846-017-0258-9. ISSN 1609-0985. PMC 6208925. PMID 30416414 .
^ Эббини ЭС, Тер Хаар Г (2015). «Терапевтический фокусированный ультразвук под контролем ультразвука: Текущее состояние и будущие направления». Международный журнал гипертермии . 31 (2): 77– 89. doi : 10.3109/02656736.2014.995238 . ISSN 0265-6736. PMID 25614047. S2CID 23590340.