摘 要:设计研制一种与医学介入导管技术结合的超声辐照治疗仪。并介绍治疗仪的结构设计、工作原理和性能测试。该医用介入超声治疗仪由超声辐照导管和主机构成。超声辐照导管顶端安装有微型压电换能器,可进入人体深部脏器内近距离直接辐照组织,并较准确控制辐照在组织的超声能量和效应;激发微型换能器发射超声的主机设计为频率、功率大小可调节,满足不同的治疗需要,具有广阔的应用前景。
超声理疗、超声药物透入等多种超声波疗法已广泛运用于临床医学中[1]。但超声波作为一种物理能量,存在治疗的安全阈值剂量[2],大于阈值时会对组织产生不可逆的有害效应或损伤[3];并且超声与组织的相互作用十分复杂,即使同等剂量的体外超声辐照,经不同的超声辐照条件和方式,最终对组织细胞产生的生物效应会表现出较大的差异[4],因此对声波引入方式,超声剂量、强度、频率等参数的控制,是超声治疗的重点[2]。
用体外超声辐照心脏等深部脏器,超声通过含空气的肺、骨骼等介质后明显衰减,加之心脏本身结构的复杂性,最终到达需要辐照部位心肌的声能量、超声辐照效果难以准确控制。因此,研究组在前期的超声辐照导管研究基础上[5],与中国电子科技集团公司二十六研究所共同研制了介入超声治疗仪。该超声治疗仪与医学介入导管技术结合,在介入导管顶端安装微型超声治疗换能器(组合成超声辐照导管),通过成熟的介入技术,使治疗仪的超声辐照导管进入深部脏器腔内,实现以下治疗优点:
(1)可操控、照射范围广。借助医学微创介入技术平台和导管的可操控性,在体外用X线等影像技术引导,超声辐照导管可安全快捷地进入心血管、膀胱及胃肠等人体深部空腔器官内,超声辐照导管的自由延伸和回撤可辐照不同层面组织,并在体腔内较灵活转动,多角度照射,使各个部位均可被超声辐照。
(2)安全准确。超声辐照导管顶端的微型换能器位于深部脏器腔内,近距离直接照射组织,避免声窗等外界因素的影响,通过调节压电超声发生器的频率、功率、以及作用的时间等方式,可以较准确控制超声辐照环境和声波能量,从而实现安全准确的治疗。
(3)多功能。该治疗仪可同时利用超声的热、机械、空化等效应发挥治疗作用,并附带有投递物质的功能,因此具有增强局部药物效应、促进基因转染表达、改善微循环等多种功能;而不同尺寸的超声辐照导管可分别进入心脏、膀胱、胃肠等多种空腔器官,协助炎症、增生、狭窄、肿瘤等多种疾患的治疗,实现一机多用。
1 介入超声治疗仪的结构设计和工艺
介入超声治疗仪由超声辐照导管和主机组成。超声辐照导管总体外观和操控性能类似于临床射频消融所用的可操控导管。导管顶端安装有微型的压电陶瓷超声换能器,导管中空可通过超声换能器的供电线及信号线,并在导管的末端穿出与主机连接。同时导管顶端开有侧孔,容许导引钢丝或微型注射针穿过,尾端可连接注射器(见图1)。
压电超声换能器按照传统工艺制作:按照材料的收缩比设计好模具,采用双面加压法压制、干压成型法成型。最终超声换能器为一薄壁细小圆管,其外径2.3 mm,内径1.5 mm,长3.5 mm,工作频率为4.3 MHz,经重庆市计量研究所测定换能器发射功率为1.0~1.2 W /cm2。换能器的表面均匀涂布一层无毒、无腐蚀性、耐磨、有弹性、声阻抗接近于水、声衰减小并能进行无菌消毒处理的透明橡胶薄膜,既保护了换能器延长其使用寿命,也可防止电解电离作用给血液中的蛋白带来不利影响,阻止在心腔内辐照时在换能器表面出现血凝块现象。进入其他脏器的微型换能器,根据治疗需要可设计为不同的形状和大小。
主机的系统硬件按照功能设置分为控制电路、信号放大整形和超声输出及调控等几部分,包括超声放大器、超声信号发生器、匹配电源电路、振荡及输出电路。原始的超声信号由单片机的晶振产生,再经分频后产生1 MHz方波,此方波经单片机控制信号调制后,变成频率为4.3 MHz的脉冲方波,脉冲通断比由治疗需要设定调节。方波信号再经一级缓冲放大、一级功率放大,最后经滤波输出正负双向的正弦波,就可以直接输送给超声头作为超声激励源。由占空比调节超声主机的功率,以此调控超声换能器的声能大小。
2 基本原理
本仪器同时利用超声波的多种生物物理效应发挥治疗作用。研究发现超声波振荡能产生组织的收缩和舒张,具有类似微按摩的机械作用,也产生摩擦热,而组织的热反应可增强代谢、增加血流量和血流速度、改善局部血液循环和营养状况,结合超声的机械效应使生物膜通透性增加,膜电位改变[6]。超声的非热效应则与空化作用等有关,超声的空化效应可制造高粘性应力,后者可改变膜的结构和功能,或作为一个刺激信号促使细胞的钙内流,同时也促进其他离子和代谢物扩散通过细胞膜[7]。
超声辐照导管借助血管鞘超声辐照导管进入相应组织器官后,根据诊治目的不同,由主机的超声信号发生器激励超声辐照导管头端的微型超声换能器发射相应剂量的超声能量。因生物软组织、血液等内部都有很多微小气泡,当超声辐照导管头端的微型换能器浸在液体(血液或生理盐水)中,在合适的超声辐照剂量和辐照时间下,直接产生空化等多种治疗效应,而超声辐照导管近距离辐照组织器官,除了可以准确控制超声辐照条件和剂量,尚可有效利用上述的超声热效应和非热效应,各种效应综合作用,达到促进血管扩张、促进组织愈合、促使药物或基因等快速进入被照射部位、增强基因表达等治疗效果。
3 介入超声辐照治疗仪在医学试验中的综合性能测试
在进行的医学试验中,分为离体试验和活体实验两部分,从不同角度测定治疗仪的功能和性能。先摘取犬心脏在体外测试超声辐照后温度变化:横断切开心脏,在左心室腔内填充超声偶合剂,将超声辐照导管插入左心腔内的耦合剂中心,电热偶插入左心室室壁肌内,用电热偶测定超声辐照后心肌的温度变化情况。辐照前电热偶显示为室温9℃。辐照1 min后电热偶显示温度升高为11~12℃,表明超声辐照导管辐照后产生热效应。
因离体试验不能完全反应超声辐照导管在活体内辐照的情况,同时也开展活体犬的介入试验。健康杂种犬10只,质量为15~20 kg,雌雄不限,随机分为2组(n=5),分别为:超声辐照组(A组)、对照组(B组)。3 %的戊巴比妥钠(30 mg/ kg)腹腔麻醉犬,在X线影像引导下将治疗仪的超声辐照导管经犬的左颈总动脉插入左心室腔,A组向心肌内注射基因,同时激发超声辐照导管在心腔内发射超声辐照心肌1 min,B组仅插入超声辐照导管用附带的投送器注射基因,不进行超声辐照,术后检测两组犬心肌组织的结构、形态、功能及基因表达量,观测仪器的工作状态和问题。
在实验中发现超声辐照导管经常规介入法可顺利进入犬左心室腔,超声辐照导管在活体犬心腔内工作时,导管上微型超声换能器处于共振状态,工作频率、声能发射均稳定;在试验进行中,无心肌烧灼损伤、穿孔、血栓形成、心律失常等严重并发症发生,犬生命体征平稳、无一只死亡。术后解剖心脏肉眼观察未见心肌损伤,光镜检查心肌细胞无病理形态改变,电镜检测心肌细胞的超微结构发现细胞膜及微血管通透性增加,超声辐照组基因表达量明显高于未辐照组(见图4),达到了增加基因表达的生物治疗效应,辐照前后均未发现毒副作用。仅发现超声换能器在心腔内连续工作约1 min后,换能器表面有少许血液中的蛋白纤维黏附,但发射声能仍良好,与未进入心腔前发射一致。
4 结果与讨论
研制的介入超声治疗仪结合了医学导管技术,充分利用多学科交叉的综合优势,将超声换能器朝着小型化发展;符合介入治疗的要求,实现了超声治疗的微型化、导管化,便于进入人体深部脏器近距离直接辐照组织发挥治疗作用;实现超声治疗的准确可控,并在多次动物试验中证实治疗过程安全可靠、对组织无毒副作用,取得了满意的治疗效果,为深部组织器官疾患理想的介入超声治疗奠定了基础。我们在进一步的研制中将完善超声治疗仪的智能化,用计算机调控超声波的输出方式、强度大小、辐照时间,并使仪器体积更小,操作更方便,性能也更稳定。
参考文献:
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本文作者：袁侨英 朱正伟 黄 晶 邓昌明 刘地川 王志刚 刘光聪 曾德平 刘振华
