Zhu Q, Liu C, Liu L, Li Y. Effect of pulse parameters on ablation efficiency in dual-frequency HIFU therapy. Ultrasonics. 2023 Sep;134:107064. doi: 10.1016/j.ultras.2023.107064. Epub 2023 Jun 5. PMID: 37331052.
高强度聚焦超声（HIFU）现已广泛用于消融各种良性和恶性肿瘤。但在许多临床应用中提高消融效率仍然至关重要。双频HIFU已被证明消融效率更高，但该方法中脉冲参数的选择原则仍有待探索。本研究比较了不同脉冲重复频率（PRF）、占空比和频率差下的体外病变面积，并监测了 HIFU 暴露期间的空化活动。结果表明，不同的脉搏参数引起不同类型的病变。在 HIFU 治疗中，应考虑那些最大化热效应、减少散热并产生足够的空化活动的脉冲参数。但利用空化剂量来评估或预测损伤的方法仅适用于机械损伤。
HIFU治疗将超声精确聚焦于体内肿瘤通过聚焦换能器，将组织加热到在短时间内凝固坏死温度。由于其靶向性好、无创性和副作用小的优点，HIFU目前广泛应用于良恶性肿瘤的消融子宫、肝脏、肾脏、前列腺和其他器官的肿瘤[1]。然而，HIFU使用点消融治疗，其面积有限一次性切除病变，大肿瘤的消融时间为相对较长。因此，缩短消融时间，提高HIFU治疗的效率在该领域引起了极大的兴趣，并且仍然仍然是未解决的问题。近年来，利用空化来增强热效应是一种热门研究课题。许多研究表明，空化会导致不仅有化学和光学效应，还有热效应[2,3]。这个气泡的体积振荡增加了超声能量耗散通过声学等三种机制在气泡附近辐射、热和粘性阻尼，导致增强的加热效果[4-6]。多频超声波是提高空化活性的有效方法[4,7–9]。阿夫瓦鲁和潘迪特发现水听器检测到的空化信号为在双频或三频驱动下更强[10]。它有有报道称，体外鸡组织的温度升高多频超声治疗比治疗快使用单频超声波[11]。他证实了双频在猪肝组织的体外暴露中，HIFU引起的损伤比单频HIFU更大[12]。在另一项研究中，据报道空化气泡的可重复性和有效性非常高对HIFU治疗的疗效和安全性具有重要意义[13]。最近，脉冲HIFU已被引入超声碎石术[14]、体外溶栓[15]、超声药物输送[16]，以及其他研究。在组织学中，空化的机械效应是用于撕裂病灶区域的组织。因此，在选择脉冲时参数，惯性空化应尽可能增加。
同时，预计不会产生热效应。然而，在HIFU治疗中，热效应应该是首要考虑因素强化空化只是为了增强热效应。目前，PRF、占空比和频率等参数的选择双频HIFU治疗的差异尚不清楚。因此，它是需要进一步研究不同脉冲参数的影响双频HIFU治疗的消融效率。气蚀活动在HIFU中起着至关重要的作用，许多研究也致力于寻找空化剂量与病变之间的关系，希望将空化剂量作为一种治疗反馈信息[17-21]。目前，没有有效的治疗反馈HIFU热消融的方法。
2.材料和方法
2.1. 实验动物模型 本研究选取了30只健康的新西兰白兔，体重在2.5-3.0kg之间。所有动物均按照国际实验动物福利和伦理要求进行饲养和处理。实验前，所有兔子均进行了为期一周的适应期，以减少因环境变化引起的应激反应。实验开始前，对兔子进行禁食12小时，但不禁水。实验过程中，所有兔子均在麻醉状态下进行HIFU治疗。
2.2. 实验方案 本研究设计了三种不同的HIFU治疗参数：低剂量组（功率为100W，脉冲宽度为10ms）、中剂量组（功率为200W，脉冲宽度为20ms）和高剂量组（功率为300W，脉冲宽度为30ms）。每组10只兔子随机分配。在治疗过程中，通过B超监测系统实时观察肿瘤区域的变化，并根据需要调整换能器的位置和角度。治疗结束后，对兔子进行24小时、48小时和72小时的观察，并记录肿瘤体积、组织损伤程度以及空化活动的变化情况。此外，还收集了治疗前后的血液样本，用于评估肝肾功能、血常规等指标的变化。 通过对比不同剂量组的治疗效果和副作用情况，可以初步评估HIFU治疗的安全性和有效性，并为后续的临床应用提供参考依据。同时，通过分析空化活动的频谱特征与治疗效果之间的关系，可以进一步探讨空化效应在HIFU治疗中的作用机制。
2.3. 实验设计和参数设置
在本研究中，我们设计了一系列实验来评估HIFU治疗的效果。实验参数包括声压、脉冲宽度和治疗时间等。声压范围从10 MPa到100 MPa，脉冲宽度从0.1 ms到1 ms，治疗时间从10秒到60秒。这些参数的设置是基于前期的文献综述和预实验结果。我们选择了三种不同的声压水平（低、中、高）和三种不同的脉冲宽度（短、中、长）进行组合，以覆盖不同的治疗强度。每种组合的治疗时间都设置为30秒。此外，我们还设置了对照组，即不施加HIFU治疗。
2.4. 数据分析 收集到的空化声发射信号经过傅里叶变换后，可以得到不同频率范围内的频谱信息。我们对这些频谱数据进行了统计分析，包括频谱能量分布、峰值频率和频谱宽度等指标。这些指标可以反映空化活动的程度和特性。此外，我们还对不同实验组的治疗效果进行了比较分析，包括肿瘤体积变化、组织损伤程度和治疗效果等指标。通过对比分析，我们可以评估不同实验参数对HIFU治疗效果的影响，并优化最佳的治疗方案。所有数据处理和统计分析均采用SPSS软件完成，并采用t检验或方差分析进行显著性检验。
3.结果
3.1. PRF对治疗效果的影响
图2（b）显示了牛肝脏病变沿轴向的照片
超声功率为160W时的横截面接近临床HIFU治疗功率，PRF在1-1000Hz之间频率差40kHz（内环和外环的频率换能器的频率分别为1 MHz和1.04 MHz）循环40%，暴露时间6秒在所有暴露点，观察到气蚀引起的组织撕裂病变部位PRF高。损伤面积随时间变化的趋势不同的PRF如图2（a）所示。在低PRF或高PRF下损伤区域相对较小。然而，整体受损区域不同PRF下的差异不大。
3.2. 占空比对治疗效率的影响
图3（b）显示了在160 W超声功率下，频率差为40 kHz的情况下（
换能器分别为1 MHz和1.04 MHz），在200 Hz PRF下占空比为5%至70%的轴向病变横截面照片。不同占空比下的精确曝光时间为2.4秒占空比在5%~20%之间，病变显示由以下原因引起的空洞未见凝固性坏死。当占空比高于30%时，出现凝固性坏死。如图3所示.
4.讨论
HIFU已广泛应用于临床。改善处理效率是这项技术的一个重大进步双频HIFU显示出巨大的潜力和优势。相比与单频曝光相比，双频曝光具有更多频谱信息，包括基频、谐波，谐波、次谐波和各种组合。它可以制造气泡更大尺寸范围内的冲击，有效增强空化活性以及声散射和差频的存在该场可能会限制空化气泡的空间范围[21]。此外，脉冲模式能够改善空化气泡的激发效率，充分利用气泡增强加热，减少屏蔽效果。选择合适的脉冲参数至关重要。
在占空比和频率差的条件下PRF决定脉冲激励周期。根据这项研究的结果，当PRF太低或太高。当PRF非常低时，其脉冲长度较长，虽然会产生较长的加热、冷却时间也很长。相比之下，高PRF的加热时间较短，但它可能保证更短的治疗间隔和更少的散热。因此，要沉积更多的热量，PRF过低或过高都不是最佳选择。频率差影响空化活动。在较小的频率差下，拍频周期较长。长脉冲下微泡破坏的压力阈值低。周总结道，小频率差异在他的研究。尽管如此，对于0-100kHz的小频率差范围仍缺乏研究。较小的频率差可能会不可能用短脉冲形成完整的拍频包络脉冲长度，这降低了刺激空化的能力。本研究的实验表明，消融效率最高减少，这将抑制空化活动，从而使病变区域并且占空比不再显示线性相关性（如图6（b）所示）。因此，在这种实验条件下，占空比范围为热消融效率应选择在30%和50%之间。脉冲参数的不同设置可以确定不同的损坏类型。在同一治疗系统中，脉冲参数可以调整以实现空化组织损伤和沸腾组织损伤和HIFU热消融。空化组织病理学使用了许多短脉冲（微秒）在组织之前机械撕裂组织达到凝固坏死温度，这通常需要更低的占空比和更高的功率。煮沸组织学使用毫秒主要通过组织加热产生沸腾气泡的脉冲迅速地。由于超声波能量在冲击波前缘，产生非线性传播效应[24–26]. 这些冲击波阵列具有非常显著的加热效应在组织上，这可能会导致焦点在几分钟内沸腾毫秒[24–26]。这些冲击波与由此产生的蒸汽腔导致组织分解成亚细胞碎片。如果脉冲长度与开始沸腾的时间相似并且脉冲间隔长于热扩散时间热效应可以忽略]。
如果HIFU热消融结合煮沸组织切片术，可能会带来更高的效率。高速照相机被用来拍照在焦点处观察整个沸腾过程，发现巨大的沸腾气泡云将在焦点处几毫秒内被激发。由于气泡的阻挡和反射声波、空化很快就会在预聚焦区域发生，以及一种新的将产生空化云[28,29]。它最终可能会导致在预聚焦区域形成新的病变。在这项研究中，我们得到许多花生样损伤，这些参数的设置符合产生沸腾组织学的条件，这可能是沸腾和热效应的结合。控制脉冲长度为比沸腾时间长，脉冲间隔小于散热时间。在这种情况下，焦点处的两个沸腾气泡预聚焦区域中的空化气泡可以增强热效应。气蚀起着辅助作用，而不是主导作用在HIFU热消融中。热损伤区域主要为与焦点区域的热沉积有关。因此，有一个空化剂量与最终损伤之间的非线性相关性区域。本文对两种情况下的稳定空化没有进行深入讨论原因。首先，稳定空化对温度的贡献不如惯性空化显著。其次组织和沸腾中的非线性效应也会产生高次谐波，目前还没有实用的方法来分离它们。未来需要在这方面进行进一步调查。本研究的局限性总结如下。首先，体外和体内组织之间存在很大差异体内声环境更加复杂，热扩散更快。因此，本实验得出的结论需要进一步的体内验证。其次，脉冲参数的选择可能不适用于不同功率和不同深度。第三，加热和热扩散理论要求更多的模拟计算。此外，双频HIFU暴露应在凝胶胶片上进行，并高速拍摄相机在未来的研究中。通过这种方式整个曝光过程可以直观而深入地理解。本研究调查了PRF、占空比和频率差对消融结果的影响。结果表明，不同参数设置可以产生不同类型的损伤结果。增强HIFU的热效应是通过参数设置确保加热和散热之间的最佳关系，并产生足够的空化活动。此外，当空化剂量被用作治疗监测的反馈信息，它可能只适用于检测机械损伤。总之，双频HIFU在以下方面显示出良好的优势和潜力组织消融，但需要更深入的临床研究应用程序。
