评估术中高强度聚焦超声设备治疗肝转移瘤的可行性、安全性和准确性

摘要

本文介绍了一项消融与切除的前瞻性研究，旨在评估术中高强度聚焦超声消融在肝转移瘤患者肝切除术中的可行性、安全性和准确性。

摘要

目前，结直肠癌肝转移患者唯一可能实现治愈的治疗方式是手术。然而，仅有不到20%的患者适合接受肝切除术。为了扩大以根治为目的的治疗适用范围，手术常联合射频消融、冷冻治疗或微波治疗使用。然而，这些技术在应用中存在多项局限性（例如对肝实质造成创伤性穿刺、可处理病灶尺寸受限，以及无法实时监测治疗过程）。高强度聚焦超声（HIFU）技术能够实现对生物组织的精准消融，且无需切口或电离辐射。现有的HIFU设备多采用体外聚焦方式，对肝脏的可及性有限。我们开发了一种专为术中使用设计的HIFU设备。该设备采用环形聚焦换能器，消融速率（10 cm³·min^-1）高于其他任何治疗方法，且不受组织灌注影响。

在一项消融后切除的前瞻性研究中，评估了术中高强度聚焦超声（HIFU）消融的可行性、安全性和准确性。该临床I期和IIa期研究针对接受肝切除术治疗肝转移瘤的患者开展。HIFU治疗应用于计划切除的正常肝组织。在IIb期（目前正在进行中），将针对直径小于20 mm的肝转移瘤进行治疗。该研究设计可在保护受试患者免受该新技术相关任何不良反应影响的同时，实现对HIFU消融效果的实时评估。

I–IIa 期研究纳入了 15 名患者，共成功实施了 30 次 HIFU 消融，每次消融均在 40 秒内完成，精度达到 1–2 mm。HIFU 消融区域的平均尺寸为 27.5 × 21.0 mm²，对应体积约为 7.5 cm³。正在进行的 IIb 期研究的目标是，对直径小于 20 mm 的转移灶实施消融，并确保 5 mm 的安全边缘。

引言

结直肠癌肝转移（CLM）是一个重要的公共卫生问题。当能够实施CLM的切除和/或消融治疗时，患者有可能被治愈，已有研究报道其5年生存率可达51%¹。尽管在外科手术（复杂的外科技术）²以及通过化疗实现肿瘤缩小方面取得了进展³，但仅有少数患者适合接受手术治疗（不足20%）。当转移灶局限于肝脏时，由于转移灶的大小和/或位置、数量，或因必要的切除将导致剩余功能性肝组织体积不足，患者无法接受手术治疗⁴。

射频消融（RFA）和微波消融（MWA）已广泛与手术联合使用，以增加接受根治性治疗的患者数量。然而，这些技术需要将探针插入实质组织内。此外，由于血流的热沉降效应，这些技术的效果受限，且无法实现这些技术的实时监测。

医学超声主要被用作一种诊断成像技术。然而，超声也可作为一种有意造成组织损伤的治疗手段。高强度聚焦超声（HIFU）束的能量比标准诊断超声束高出数个数量级。通过将声束精确聚焦于组织深部一个微小体积，同时保护周围组织，HIFU束所携带的高能量得以进一步放大。焦点处组织温度迅速升高至70–90 °C，导致组织发生凝固性坏死，造成不可逆的破坏⁵。HIFU已在多种临床应用中被证实有效，尤其在前列腺癌治疗中表现突出^6,7。目前基于HIFU的医疗设备多采用体外治疗方式，单次消融范围较小，呈椭球形。每次消融病灶的具体尺寸取决于换能器的特性，通常横向为1–3 mm，沿声束轴向为8–15 mm⁸。为治疗肿瘤，需将数百个病灶系统性地并列布置，以覆盖目标肿瘤及部分周围正常组织边缘。将微小病灶紧密排列需要极高的精度，在活动器官中难以保证，且导致治疗时间较长（通常为1–2小时）。尽管已有大量文献报道微波消融（MWA）和射频消融（RFA）用于肝转移瘤（CLM）的治疗^{9,10,11,12,13}，但关于HIFU用于CLM的研究报道较少^14,15。与MWA或RFA相比，HIFU治疗具有若干潜在优势：无需穿刺实质组织、治疗效果不受组织灌注影响⁸，并可实现治疗过程的实时监测。然而，肝脏的体外治疗较为困难，因为肝脏的呼吸运动会干扰声束的聚焦效果，且肋骨结构可能阻碍超声波的传播。

由于局灶性消融在结直肠癌肝转移（CLM）患者的治疗中通常与开腹肝手术相关，我们旨在设计一种新型且高效的高强度聚焦超声（HIFU）设备。该设备能够在较短时间内完成大范围的消融。因此，我们开发了一种基于环形换能器¹⁶的新技术，在初步的体外和临床前研究中已取得令人鼓舞的结果^17,18,19。我们先前在猪模型中已证实，该HIFU设备可在40秒内实现可重复的消融²⁰。这些消融病灶的平均体积为7 cm³，对应平均直径为20 mm，平均长轴为25 mm。上述消融通过同时激活各个发射单元并施加70 W（自由场声功率）的声功率持续40秒实现¹⁸。为验证这些结果，该HIFU设备随后在一项针对接受肝切除术治疗CLM患者的对照试验中得到应用。研究的主要目的是评估该操作的安全性和可行性，同时也收集了有关其有效性和准确性的数据。该HIFU设备并非旨在取代手术中的切除部分。其长期目标是为外科医生提供一种辅助工具，通过HIFU治疗原本无法手术切除的病灶，从而扩大以根治为目的接受治疗的患者数量。

研究参与者无法从参与研究中获得任何个人利益，且优先考虑的是避免任何机会的损失，因此设计了消融后切除的研究方案。手术操作必须与患者未参与研究时所接受的手术完全相同。由于这是高强度聚焦超声（HIFU）设备首次在人体中使用，消融操作仅在计划切除的肝脏部位进行，以保护参与研究的患者免受该新型设备可能带来的任何不良影响。

研究设计：

该方案是一项前瞻性、单中心的I/II期研究，旨在三个不同阶段（I期、IIa期和IIb期）评估特定的研究目标。在I期和IIa期中，高强度聚焦超声（HIFU）治疗在计划切除但远离转移灶的肝组织区域实施。在IIb期中，治疗靶向肝转移灶。由于IIb期研究仍在进行中，其数据尚未呈现。

I 期研究的主要目标是评估高强度聚焦超声（HIFU）消融治疗结直肠癌肝转移（CLM）患者的安全性、可行性和耐受性。通过评估能否在无菌条件下使用 HIFU 设备来判断其安全性和可行性。同时评估了在不损伤肝脏邻近器官的情况下完成两次 HIFU 消融的能力。在所有患者中，一次 HIFU 病变位于浅表，另一次则将焦点区域置于至少深 1 cm 的位置。在 HIFU 消融过程中及消融后 5 分钟内监测患者的生命体征，以评估该操作的耐受性。

次要目标是评估超声图像的可靠性以及设备使用的便捷性。通过使用与 HIFU 设备集成的成像探头对拟治疗区域进行可视化和定位，从而评估超声图像的可靠性。通过判断是否能够正确放置 HIFU 设备，使消融操作可在至少 80% 的全肝范围内实施，来评估其使用便捷性。整个 HIFU 操作过程必须在 30 分钟内完成。

该两阶段方案依据Lee的序贯标准²¹设计，以便在出现不可接受的总体失败率时可提前终止入组。失败的定义包括：实施HIFU手术时间超过30分钟；无法将焦点区域置于距离格利森囊至少1 cm的位置；使用设备时发生无菌操作失败；在邻近器官中出现HIFU损伤；生命体征较基线变化超过10%。若在第一阶段2例患者中至少出现2例失败，或在第二阶段6例患者中至少出现3例失败，则视为入组终止。

在IIa期研究中，通过在肝实质内植入一个直径为5 mm的金属标记物来模拟一个主要的解剖结构。IIa期的主要目的是评估HIFU设备的准确性。在步骤1中，评估了在安全边界范围内对准该金属标记物的能力；在步骤2中，评估了在距金属标记物预定距离处对肝脏进行消融的能力。金属标记物与最近消融边界之间的理想距离固定为7.5 mm，可接受范围为1–15 mm。次要目的是通过在不损伤邻近器官的前提下在肝脏中产生HIFU病灶，以评估该操作的安全性。使用集成超声成像探头对HIFU消融过程进行成像的可行性是IIa期与I期共有的次要终点指标。IIa期的两个步骤均纳入了3至6例患者。采用3例和6例患者的二项分布概率进行分析：若失败率分别达到至少54%和32%，则有90%的概率能够观察到该失败情况。

方案

该方案已根据法国和欧洲的法规，经国家伦理委员会审查和批准，并获得患者的书面知情同意。

1. 纳入标准

1. 纳入可切除结直肠癌肝转移（CLM）且临床状况良好（东部肿瘤协作组ECOG/世界卫生组织WHO体力状态评分为0-1）、年龄至少18岁的患者。获得患者的书面知情同意。
2. 排除既往有肝脏、胆道或重大腹部手术史、妊娠，或在研究期间无法接受随访的患者。

2. HIFU 治疗

1. 使用丙泊酚（2 至 3 mg/kg）、舒芬太尼（0.2 至 0.3 µg/kg）、顺式阿曲库铵（0.15 mg/kg）和氯胺酮（0.15 mg/kg）进行麻醉诱导，实施患者麻醉。
2. 以七氟烷维持麻醉，使双频指数（BIS）维持在 40 至 60 之间。
3. 进行气管插管，采用机械通气，吸入氧浓度为 80%。
4. 在手术室内准备高强度聚焦超声（HIFU）设备，将已灭菌的 HIFU 探头用专用无菌包膜覆盖，包膜内含无菌超声耦合液（图 1）。
   注： HIFU 探头采用低温气体等离子灭菌器进行灭菌。
5. 在常规外科无菌操作后，使用单极电刀行剖腹术。
6. 将拉钩置于肋缘下及手术切口边缘之间。
7. 使用 7.5 MHz T 型探头进行术中诊断性超声成像并结合触诊探查肝脏，以确认术前影像未遗漏可能影响切除的其他转移灶，从而确认肝脏切除的可行性²²。
8. 使用剪刀游离肝脏与其腹膜及血管的连接。
9. 在目标区域下方放置带有可被 X 射线检测的线程的保护性腹腔纱布垫（20 x 20 cm²），以抑制超声传播，防止 HIFU 对邻近器官造成意外损伤。
10. 将 HIFU 探头与肝脏表面接触（图 2）。
11. 在肝脏表面移动 HIFU 探头，直至预期的 HIFU 消融位置（在超声图像上以白色锥形叠加显示）与各阶段目标位置一致（图 3a）。
12. 通过同时激活所有发射器，持续 40 秒，启动 HIFU 照射。表浅消融采用 70 W（自由场声功率），深部病灶采用 90 W（自由场声功率）。
    1. 超声图像未与 HIFU 照射同步，因此在消融过程中超声图像中可见干扰。观察到在 HIFU 单次照射过程中，肝脏组织内产生沸腾现象。注意在病灶部位短暂出现沸腾云，持续约 1 分钟（图 3b）。
       注： 单个病灶在超声图像上表现为中央为高回声区，边界为低回声区（图 4a）。
13. 使用手术标记笔标记 HIFU 探头的位置，主要是其在肝脏表面的声轴位置，以便明确后续进行大体检查时的切肝位置（图 2）。
14. 每次 HIFU 照射后，使用集成的超声成像探头在两个正交平面上测量 HIFU 消融区域的尺寸。
15. 在肝脏表面移动 HIFU 探头，确认无论患者个体肝脏解剖结构如何，均可覆盖全部八个肝段。

3. HIFU病灶的大体及组织学评估

1. 使用Kelly钳钳夹肝实质，剪刀剪切肝脏，完成计划的肝切除术。使用钛夹和/或灌注式双极电凝钳进行止血。
2. 使用单丝、长效可吸收线缝合腱膜° 0 或 N° 1 缝合材料。
3. 使用无色、短期可吸收缝线缝合皮肤° 3/0 缝合材料
4. 给予患者口服对乙酰氨基酚（1 g，每6 h一次）。
   注意： 恶心和呕吐以4 mg静脉注射昂丹司琼治疗。术后次日开始口服补液和进食。给予吗啡以使疼痛视觉模拟评分维持在30/100以下。
5. 使用手术刀将HIFU消融区域与CLM病灶区域分离。
6. 沿暴露轴用手术刀切割消融区域。
7. 拍摄HIFU消融区域的图像。
8. 使用直尺宏观测量消融区域的尺寸，并通过适当的图像分析软件在照片上进行测量。
9. 将每个消融区域切成5 mm的切片，以评估宏观均匀性。
10. 将消融区域置于10%磷酸盐缓冲福尔马林（pH = 7）中固定，经石蜡包埋后，进行苏木精-伊红染色。
11. 对消融及周围组织进行组织学检查。

4. 随访

1. 根据本机构对接受CLM切除术患者的指南，对患者进行为期一个月的随访。
2. 汇总有关人口学特征、生命体征（基线及HIFU后5分钟）以及HIFU病灶相关安全观察和测量的数据。
3. 采用斯皮尔曼等级相关系数检验变量之间的关联性。

结果

2010年3月至2011年11月期间共纳入15例患者。其中6例患者纳入I期研究，6例患者纳入IIa期第1步，3例患者纳入IIa期第2步。所有患者均接受了右半肝或扩大右半肝切除术。IIb期研究目前仍在进行中，结果尚未描述。I期和IIa期的完整结果此前已有发表¹⁴。

第一阶段：

在6名I期患者中，共成功创建了十二个HIFU消融灶（图5）。每名患者均创建了一个表浅HIFU消融灶和一个深部HIFU消融灶。深部HIFU病灶的平均深度为12 ± 2（10–20）mm，对应焦距为22 ± 2（20–40）mm（图3a）。HIFU消融灶与Glisson囊之间的平均距离为7 ± 4（2–13）mm。所有患者在设备准备和使用过程中均保持无菌状态。HIFU消融后邻近组织未见损伤。呼吸和血流动力学参数均无明显变化。HIFU操作的平均持续时间为15 ± 7（9–27）分钟。集成于HIFU设备的超声成像探头可平均显示15个预设区域中的88%（95% CI：67至100%）。

IIa 期：

在第1步的前三例患者中，有六次消融中的一次未将金属标记包含在HIFU病灶内。经回顾操作记录，确认是将格利森氏蒂误认为金属标记所致（图6）。根据研究设计要求，又纳入了三例患者，新增的六次HIFU消融均准确地围绕全部六个金属标记完成。由于第1步的主要研究目标已达成，指导委员会批准继续开展该研究。

步骤2的目的是实现距离金属标记物7.5 mm的消融。实际完成的六次消融距离为7.0 ± 2.3（4.3–9.8）mm，表明可以保留特定区域免受损伤。该操作安全，未破坏无菌环境，邻近器官无损伤，Glisson包膜亦无破裂。

I 期和 IIa 期常见的次要研究目的：

在15名患者中创建的全部30个HIFU消融灶均呈轻微的圆锥形。HIFU消融灶的平均长度为27.5 ± 6 mm，平均上部宽度为21 ± 3.9 mm。在超声图像中，HIFU消融灶的平均长度为28.9 ± 4.6 mm，平均上部宽度为23.9 ± 3.8 mm。图4b显示了大体测量结果与超声图像测量结果之间的等级相关系数（r = 0.88；p < 0.001；95%置信区间，0.82至0.91）。

图7展示了成像系统对转移灶的可视化能力。图7a和7c显示了使用集成于HIFU设备的超声成像探头所获取的两个转移灶的成像示例。图7b和7d显示了术后大体病理学观察到的相应转移灶。HIFU焦点区域被叠加显示在超声图像上，并在用户界面中呈现，从而可精确定位消融位置（图7a）。

如图8所示，经治疗与未经治疗的肝组织之间的界限非常清晰（约200 µm）。所有HIFU消融灶周围均可见一圈充血组织形成的晕带。显微镜检查证实，所有HIFU消融区域均表现为均质性坏死。由于HIFU消融与肝切除术之间仅间隔1至2小时，因此无法观察到凋亡的证据。然而，在所有HIFU消融灶中均观察到肝细胞出现明显改变。显微分析证实所有病例的消融均呈均质性，尤其是在血管周围区域（图8）。

图1：HIFU设备的准备。 HIFU设备通过将已灭菌的HIFU探头覆盖上含有超声耦合液的无菌包膜来准备。(a) 本图显示覆盖有无菌包膜的HIFU换能器。(b) 本图显示冷却回路的管道。(c) 本图显示电源连接器。(d) 本图显示超声成像探头的连接器。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：HIFU 探头的使用。 HIFU 探头由手握持，并与肝脏表面接触。(a) 本图显示 HIFU 探头。(b) HIFU 探头在消融时的位置已在肝脏上标记。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3：靶向过程。（a）用户界面将HIFU焦点区域的位置叠加显示在超声图像上，从而可精确定位组织中的消融位置。（b）HIFU照射后即刻，在病灶位置短暂出现气泡云（持续约1分钟）。请点击此处查看该图的放大版本。

图4：监测结果。 煮沸处理后，单一病灶在超声图像上表现为中央为高回声区，边界为低回声区。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5：两次高强度聚焦超声（HIFU）消融的宏观可视化。 通过大体病理学检查可清晰观察到HIFU消融区域。(a) 本图显示一次典型的HIFU消融。(b) 本图显示在IIa期第1步中产生的一个HIFU病灶示例，目标是定位金属标记物。肝静脉的存在并未改变消融区域的形态和均一性。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：IIa阶段产生的HIFU消融灶的大体可视化。 在一例中，金属标记未被包含在HIFU消融区域内。经回顾操作记录，确认是将Glisson鞘误认为金属标记所致。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7：使用集成超声成像探头对转移灶进行可视化。 图（a）和（c）显示了利用与HIFU设备集成的超声成像探头所成像的两个转移灶示例。图（b）和（d）显示了术后通过大体病理学观察到的相应转移灶。图（a）中，用户界面显示了HIFU焦点区域的位置叠加在超声图像上，从而可精确定位组织中的消融位置，并可视化判断转移灶是否已被安全边界覆盖。 请点击此处查看该图的放大版本。

图8：HIFU消融后的组织病理学检查。 本图展示了一例典型的肝脏H&E染色检查结果。治疗区域与未治疗区域之间界限清晰，肝细胞出现显著的形态学改变。本图放大倍数为200倍。 请点击此处查看该图的高清大图。

讨论

本研究旨在验证一种新型术中高强度聚焦超声（HIFU）设备的可行性、安全性和有效性。由于这是该设备首次在人体中使用，因此设计了一项“消融后切除”研究，以确认该设备能够实现完全消融和精确定位，同时不损害患者接受潜在根治性治疗的机会。总共在15名患者中安全地完成了30次HIFU消融，每次消融均在40秒内完成。HIFU消融区域的平均尺寸为27.5 × 21.0 mm²。邻近器官未出现继发性病灶。重要的是，主要血管（直径达5 mm）并未改变HIFU消融区域的形状。这一点尤为关键，因为已有报道指出，血流会通过限制消融范围和改变消融形状而在热消融过程中发挥关键作用²³。与射频或微波消融相比，这种术中HIFU设备的另一重要优势在于无需将探针插入肝实质内。

选择开发专用于术中应用的高强度聚焦超声（HIFU）设备，是基于肿瘤学的临床需求以及HIFU技术中尚未解决的技术挑战。已有研究证实，体外HIFU治疗在临床上是可行的。然而，除非进行部分肋骨切除，否则体外HIFU治疗可触及的肝脏体积仅约为30%²⁴。此外，在使用体外HIFU治疗肝肿瘤时，可能引起皮肤灼伤和胃部损伤^25,26。因此选择术中应用方式，以避免这些潜在的重要并发症。更重要的是，无论是否联合手术，术中消融目前已被广泛应用于结直肠癌肝转移（CLM）的治疗。尽管影像学技术不断进步，仍有约15%的患者被发现存在新的肝转移灶²²，而诸如腹膜癌病等新发现可能使肝脏靶向治疗变得不再必要。在该术中HIFU设备首次用于人体时，消融操作仅在临近转移灶的区域进行，且仅限于计划切除的部位。这一初步步骤被视为至关重要，旨在证明该新型HIFU设备的准确性和安全性，之后方可考虑将其常规应用于CLM的治疗。

HIFU探头的尺寸（直径10 cm）并不影响其使用的便捷性，因为可以放置探头以实现对整个肝脏约90%区域的靶向治疗。即使通过有限的中线剖腹切口也能实现这一操作。HIFU消融区域可通过超声成像轻松识别，从而实现对治疗过程的可靠监控，这是相较于其他消融技术的主要优势。超声图像上测得的消融范围与大体病理检查所测得的范围之间存在的轻微差异，是由于难以沿成像平面精确切割新鲜肝脏所致。

尽管本研究证实了高强度聚焦超声（HIFU）在肝脏消融中的理论优势（即无需将探头插入肝实质、可实现实时监测，且不受热沉效应影响），但术中HIFU在肝转移灶治疗中的有效性仍有待验证。若在IIb期研究中证实其可有效靶向肝转移灶，则下一步将设计一项多中心前瞻性队列研究，纳入接受根治性意图术中HIFU治疗的患者。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MFOCUS		N/A	换能器具有环形几何结构，分为八个辐射状超声发射器，每个面积为4.16 cm2。换能器的工作频率为3 MHz。八个发射器中的每一个又被划分为32个面积相等的独立换能单元（每个13 mm2）。换能器的曲率半径为7 cm，直径为7 cm。一个工作频率为7.5 MHz的弧形阵列超声成像探头（Vermon，图尔，法国）被放置在设备中心，并连接至超声成像扫描仪。该成像换能器由128个元件组成，带宽为63%。超声成像平面与HIFU声轴对齐，以便使用同一设备定位治疗区域并实时观察消融过程。由于环面的几何特性，来自八个发射器的超声波束在主焦点环之外相交，形成一个次级聚焦区，有助于增强病灶中心区域的均匀性。通过电子聚焦或调节设备与组织之间液体的量，可改变焦点区域的位置。
工作频率为7.5 MHz的弧形阵列超声成像探头	Vermon	6,5/R11,5/192
BK HAWK超声成像扫描仪	B-K Medical	2102 EXL
金属标记物	BIP GmbH	O-twist-marker
ImageJ图像分析软件	Wayne Rasband
无菌包膜	CIVCO	CIV-Flex Transducer Cover
超声耦合液	EDAP-TMS	Liv-kit