BMEF | 超声融合影像为精密组织切除术保驾护航
https://doi.org/10.34133/2022/9794321
近日，达尔豪斯大学的Thomas G. Landry教授团队在Science合作刊 BMEF 上发表题为 “Endoscopic co-registered ultrasound imaging and precision histotripsy: Initial in vivo evaluation” 的文章。
声空化是液体暴露在高强度超声下形成低压空洞，并由小变大，短暂振荡，然后先后内爆，瞬间产生高压高温的物理现象。科学家基于该原理研发出了一种治疗性消融方法：Histotripsy（超声组织切除术），该方法利用高负压超声脉冲聚焦在组织中产生小的空化气泡云。这些气泡云在几微秒内形成并坍缩，产生足够强的机械力，以非侵入性和非热的方式破坏细胞和亚细胞水平的组织，且对于主要目标区域之外的组织几乎没有损坏。在脑肿瘤切除手术中，外科医生通常会使用术前脑部扫描作为参考沿着到达目标区域组织的路径前进。然而，开颅手术会导致颅压降低，与术前扫描相比大脑可能会发生移位，这会使导航到目标区域变得更加困难和危险。因此，通过显微镜进行的实时图像引导对于准确导航至关重要。然而，传统的光学显微镜只能显示表面可见的特征，并且可能会受到血液遮挡手术区域的影响，在狭长路径中导航的用处有限。因此，开发具有实时成像模式和深度穿透能力的内窥镜对于医生精准手术至关重要。
在该论文中，作者团队采用内窥镜形式并使用了高分辨率成像和组织切片的新组合在几秒钟内完成了亚毫米区域的完全消融。使用功率多普勒成像可以实时监测消融进展，B-mode可有效监测消融后出血，附带损伤最小，细胞损伤距离消融边缘的最大距离为100 µm。
作者首先测试了超声组织切除设备的性能（图1），用水听器测量不同空间位置的峰值负压，−3 dB焦斑长度和直径分别为0.8 mm和0.15 mm，而对于−6 dB，值为1.2 mm 和0.3 mm。在三个测试设备中，在12个循环脉冲的焦点处测量的平均峰值负压变化为0.22 MPa/V（0.20–0.24范围）。循环数越低，输出斜率效率越低，1个循环的斜率约为12个循环的50%–70%，3–5个循环达到稳定输出。光学气泡云成像结果显示，在不同的循环参数下，定义明确的密集气泡云在焦点外几乎没有观察到空化现象。对于相同的压力，气泡云的大小在3到5个循环之间增加，然后保持稳定。与临床使用的700 kHz气泡云相比，6.3 MHz的云更小且更清晰，这会直接提高治疗精度（图1E）。
图1：超声组织切除设备的多项参数表现
在超声组织切除术和超声成像期间，气泡云呈快速变化的明亮斑点。这种快速变化非常适合通过多普勒进行检测。因此，气泡云主要通过功率多普勒数据进行监测，因为该信号通常比B-mode中的信号更强、更清晰。图2显示了在正常皮质灰质组织切除术之前（图2A）、期间 （图2B）和之后（图2C）观察到的实时成像变化。在组织分析期间，可以在叠加于B-mode成像帧上的能量多普勒模式下看到气泡云（图2B的橙色区域）。超声组织切除术信号停止后，气泡云消失，没有任何残留气泡的迹象。在接下来的10–20秒内，组织碎裂部位逐渐出现高回声区（图2C和2D）。这种效果在整个实验中是一致的，表现为明亮的斑点缓慢流入该区域，然后在10–20秒后固定到位。这些消融后的动态变化很可能是由于血液立即从受损血管流入空间，然后在10–20秒内凝结。
图2：实时成像变化情况
在组织学中有时会看到周围结构出血，尤其是沿着白质纤维束和裂隙表面。在B-mode明亮区域和组织学中存在的血液之间具有非常好的一致性（图 3）。这表明B-mode对于检测主要消融部位之外的任何出血也是有效的。作者进行了一项实验以确定组织切除术后出血对消融部位的急性影响。首先在一个皮质部位进行组织切除术，一分钟后注射过量的戊巴比妥。监测呼吸/心跳信号，并在不再看到心脏信号2分钟和9分钟后的“循环停止”（Circulatory Arrest，CA）情况下，对其他两个部位以相同的设置进行组织分析。这些CA消融的组织与体内部位的外观非常不同（图3I–3L）。尽管消融期间气泡云功率多普勒信号没有相应的面积差异，但在组织学面积上CA消融大小仅为3–6分之一。CA消融被小而分散的血液包围，可能来自局部血管中的血液，这些血液因组织切除术而破裂。在消融后的B-mode数据中，体内和CA消融之间存在相似的差异：体内消融后显示出典型的高回声点出现和邻近组织的扩张。值得注意的是，2分钟的CA位点显示出一些高回声点，尽管与体内位点的大小和亮度不同（图3K），但两个CA位点之间组织中的血液存在的差异不是很大。围绕中心消融区通常是一个宽度超过10-100 µm的血结节区域，似乎从中心区向外辐射，使消融边缘呈现起泡或起皱的外观。在这个区域之外通常是一个50–100 µm宽的较暗染色光晕，似乎是脑组织向消融方向撕裂。在靠近消融区的石蜡样品中也存在类似的晕区，具有扭曲和深色染色的细胞（图3H，红色箭头），并且可能对细胞外基质造成一些损害。
阈值电压的皮质消融结果是不同的，因为该值是在不同的大脑部位确定的。作者在23次皮质消融实验中发现7次没有消融，8次导致非常小的（< 0.1 mm2）消融点（图2E），8次导致更典型的消融（> 0.1 mm2）。显示的Dalhousie “D”形状（图4A–4D）和1 mm垂直线（图3G）的示例表明，使用移动设备可以轻松实现不规则形状的连续精确消融。当消融点靠近表面或纤维束时，往往会沿着表面/纤维束出现消融后出血（图4E），有时还会沿着这些路径出现气泡云。白质束内的消融趋于更紧凑。具有直接位于目标下方的表面界面的消融通常似乎被表面部分“阻挡”，消融和气泡云被偏转（图4F）或在表面附近显得更密集。
由于该系统与以前的研究相比使用了更高的频率和更短的传播距离，因此脱靶导致的空化损伤数量是未知的。但在该系统中，即使在1 kHz的PRF下，也没有观察到任何脱靶伤害。为了研究这一点，作者团队进行了一项实验，其中在阈值（29.45 MPa）下对特定部位（见图5B和5E）进行了两次3秒消融，在29.84 MPa（见图5C）下进行了一次非常短暂的约1秒消融，而在29.25 Mpa（见图5A和5D）下进行10秒的消融。结果发现：在亚阈值区没有出现气泡云，与没有接受聚焦超声治疗的对照区域相比没有差异（图 5）。虽然仍然存在潜在的更细微的热效应，但不会导致H&E染色中可检测到的明显变化。
总之，这项研究中作者团队设计了一种消融和成像系统，通过实时成像反馈，包括在设备连续运行期间，在焦点处实现了脑组织的快速亚毫米消融。在超过100微米的周边消融区域内，没有细胞损伤的迹象。烧蚀边缘清晰可见，不规则性仅在几十微米量级。消融的形状从椭圆形到倒置的雨滴状，可能在组织表面附近或在白质和灰质之间过渡时出现形状扭曲。该系统可以为外科医生和研究人员提供一种新的工具，用于脑瘤和其他神经疾病的精确定向非热消融治疗。
团队介绍
本文的第一作者兼通讯作者是Thomas G. Landry博士，目前就职于达尔豪斯大学超声实验室，他的研究方向是用于成像和治疗的微型超声设备的开发和性能评估，大部分的研究工作集中于开发脑成像和组织分解消融术内窥镜，包括中耳和内耳结构的超声成像和振动测量，超声辅助药物输送到耳蜗等。撰稿：王忠宇、 张宏
审核：孙敏轩、刘萍萍、邓旻
原文链接：
https://doi.org/10.34133/2022/9794321
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