User:Waydwaid/聚焦超聲波

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Waydwaid/聚焦超聲波
圖示說明HIFU如何用於破壞體內組織。使用聲學透鏡將聲音聚焦到體內的一個小點。聲音穿過多層組織。由於焦點增益，只有焦點處的組織被破壞。
別稱	磁振導引聚焦超聲波手術 (MRgFUS)、聚焦超聲波手術 (FUS)、磁振導引聚焦超聲波消融術

聚焦超聲波（focused ultrasound）是一種用於無創治療的技術，利用非游離超聲波來加熱或消融組織。聚焦超聲波可用於增加血液或淋巴液的流動，或透過熱效應和機械效應機制來破壞組織，例如腫瘤。鑑於超聲波很普遍而且產生成本相對低廉，聚焦超聲波的基本理念是成為一種非侵入性且低成本的療法，其效果至少能優於手術室內的治療。

此技術不同於超聲波成像所使用的技術，儘管其使用較低的頻率及連續波（而非脈衝波）以達到必要的熱劑量。然而，若期望達到機械性破壞而非熱損傷，亦可使用脈衝波。通常會使用聲學透鏡將強度聚焦於目標組織，而不損害周圍組織。理想的模式圖如同放大鏡聚焦太陽光；只有放大鏡的焦點處溫度會升高。

聚焦超聲波可與其他影像技術（如醫學超聲波或MRI）結合使用以引導治療和監測。

組織碎化術（Histotripsy）是高强度聚焦超聲波的一種形式，可用於破壞特定類型的小型癌性腫瘤，包括肝臟腫瘤，且副作用小。

歷史

針對局部前列腺癌的研究顯示，經過治療後，低風險和中風險的復發性前列腺癌患者的無惡化存活率很高。 Insightec ExAblate 2000是首個獲得FDA市場核准的MRgFUS系統，美國專利號為5,247,935。

組織碎化術是一種用於肝臟的非熱性、非侵入性HIFU形式，顯示出一定的治療潛力。 「組織碎化術最初由密歇根大學構思和開發」。 「『histotripsy』一詞於2004年在密歇根大學被創造出來。在希臘語中，『Histo』意指『軟組織』，而『tripsy』則指『破碎』。」 組織碎化術與熱性HIFU不同，它「使用短暫的超聲波脈衝（微秒長度），具有低工作週期（≤1%），以最大程度減少熱效應」。 它透過空穴效應機械性地破壞組織。 「2023年10月，FDA核准了Histosonics公司的震波散射組織碎化術系統（Edison™），用於人體肝臟組織的治療。」

來自密歇根大學的徐蓁（Zhen Xu）2019年獲頒美國醫學與生物工程院院士稱號，以表彰她 「對於影像導航、非侵入性超音聲波空化療法--組織碎化技術（histotripsy）的發明與開發所做出的傑出貢獻」，並於2024年成為美國國家發明家科學院院士。她是 2024 年 IEEE Carl Hellmuth Hertz Ultrasonics 獎的得主，以表揚她對「組織碎化療法 - 非侵入性機械超聲波消融技術的發明與臨床應用」作出的貢獻，她並於 2025 年 被提名為電機電子工程師學會會士，以表揚她在「非侵入性機械超聲波消融技術的發展與臨床應用」上所做的工作。

醫療用途

Template:More medical citations needed 關於HIFU與其他形式治療性超聲波之間的界線，目前尚無明確共識。在特定文獻中，HIFU指的是透過消融或空穴效應破壞組織所需的高能量水平，儘管有時也用來描述較低強度的應用，例如職能治療和物理治療。

無論如何，HIFU用於非侵入性地加熱或消融身體深層組織，無需切口。 主要應用包括透過高溫療法破壞組織、增加灌注和物理治療。近期則被用於治療肝臟腫瘤，並正在進行其他部位的臨床試驗。 在物理治療領域，超音波也用於治療肌肉骨骼疾病。

神經系統疾病

MRgFUS（磁振導引高強度聚焦超聲波）術後四天的額葉MRI：左側腹側中間核（Vim）視丘切開術。一位患有原發性顫抖的79歲男性。

HIFU最早的應用之一是1940年代治療帕金森氏症。儘管當時效果不佳，HIFU具有造成病灶損傷的能力。一種聚焦超聲波系統已在以色列、加拿大、義大利、韓國和俄羅斯獲准用於治療原發性顫抖、 神經性疼痛 以及帕金森氏症顫抖。 這種方法能夠在無需手術切口或放射線治療的情況下治療大腦。2016年，美國食品藥物管理局（FDA）核准了Insightec的Exablate系統用於治療原發性顫抖。 針對其他視丘皮質節律異常和精神疾病的治療正在研究中。

癌症

前列腺

HIFU可能對治療前列腺癌有效。

肝臟

HIFU已在肝癌中進行研究，許多研究報告了高反應率和正面結果。 在使用HIFU治療轉移性肝癌期間，已觀察到遠離焦點區域的位置出現免疫反應。 在一項2024年針對肝臟腫瘤的組織破化術形式HIFU的臨床試驗中，研究人員證明了95%的成功率。 針對胰臟和腎臟腫瘤的治療正在進行臨床試驗。

前列腺肥大

從腸道內部（經直腸）使用HIFU治療前列腺肥大（良性前列腺增生症）已被證明不成功。

在某些國家（美國除外），HIFU也曾被提議從前列腺內部進行，即透過前列腺尿道內的導管。截至2019年仍缺乏相關證據。

在英國，英國國家健康與照顧卓越研究院（NICE）於2018年將此方法歸類為「不建議採用」。

機制

Template:More medical citations needed HIFU光束被精確聚焦於病變組織的一個小區域，以局部沉積高能量。

• 聚焦超音波可用於產生高度局部的熱量，以治療囊腫和腫瘤（良性或惡性）。這被稱為磁振導引聚焦超音波（MRgFUS）或高強度聚焦超音波（HIFU）。這些程序通常使用比醫學診斷超音波更低的頻率（從0.7到2 MHz），但頻率越高意味著聚焦能量越低。HIFU治療通常由MRI導引。
• 聚焦超音波可用於透過碎石術溶解腎結石。
• 超聲波可用於透過超聲波晶體乳化術進行白內障治療。

理想溫度

焦點處組織的溫度將升高至 65 至 85 °C 之間，透過凝固性壞死摧毀病變組織。若組織溫度升高超過 60 °C 的閾值並持續 1 秒以上，此過程即為不可逆。 每一次單次聚焦音波照射（個別的超聲波能量沉積）能精確處理目標組織的一部分。透過多次聚焦音波照射，可以處理整個治療目標，以形成一個受治療的體積。

${\mathit {CEM}}=\int _{t_{o}}^{t_{f}}R^{T_{\mathrm {reference} }-T}dt$

積分範圍為治療時間，當溫度超過 43 °C 時 R=0.5，溫度介於 43 °C 與 37 °C 之間時 R=0.25，參考溫度為 43 °C，時間 T 以分鐘為單位。本報告描述的方程式與方法並非旨在代表任何臨床結果，這僅是一種在像自來水這樣的不可壓縮物質中估算熱劑量的方法。

超聲波音波在穿過人體組織時，部分能量會被吸收並轉化為熱量。透過聚焦波束，可以在組織內部達成一個非常小的加熱區域（通常大小約為 2-3 毫米）。組織損傷的發生是溫度與持續時間的函數，以稱為「熱劑量」的指標來衡量。透過在多個位置聚焦或掃描焦點，可以對一個體積進行熱消融。 在 43 °C 下累積 120-240 分鐘的熱劑量會使細胞蛋白質凝固，導致不可逆的組織破壞。

有些報告指出，高強度聚焦超聲波可用於癌症治療，以破壞腫瘤微環境並觸發免疫反應，亦可能增強免疫療法的療效。

機械效應

慣性空穴效應

在足夠高的聲學強度下，可能發生空穴效應（微氣泡形成並與超音波場相互作用）。聲場中產生的微氣泡會振盪並生長（原因包括定向擴散），最終可能內爆（慣性或暫態空穴效應）。在慣性空穴效應期間，氣泡內部會產生極高溫度，且在稀疏階段的崩塌伴隨著衝擊波和噴射流，這些現象能對組織造成機械性損傷。

穩定空穴效應

穩定空穴效應會產生微流，對細胞產生高剪切力並導致細胞凋亡。具體來說，由聲學力量引起的水分汽化所產生的氣泡，會在低壓聲場下振盪。強烈的流動可能導致細胞損傷，但也可能透過對流熱損失降低組織溫度。

原理

聚焦超音波有數種方法——例如透過透鏡（像是聚苯乙烯透鏡）、拋物線曲面換能器或相位陣列。特殊專利與精密技術解決了此問題。這可利用超聲波衰減的指數模型來判定。超聲波強度分佈遵循一個指數遞減函數，其中超聲波的衰減量是其在組織中傳播距離的函數：

$I=I_{o}{e}^{-2\alpha \mathrm {z} }$

其中 $I_{o}$ 是波束的初始強度，$\alpha$ 是衰減係數（單位為長度的倒數），z 是在衰減介質（例如組織）中傳播的距離。

${\frac {-\partial I}{\partial \mathrm {z} }}=2\alpha I=Q$ 是從超聲波場吸收熱量的功率密度量度。這表明組織加熱與強度成正比，而強度與超音波束擴散的面積成反比。因此，將波束聚焦到一個精確點或增加波束強度會在焦點處產生快速的溫度上升。

超聲波束可透過以下方式聚焦：

•    幾何方式：例如使用透鏡或球面曲面換能器。
•    電子方式：透過調整換能器陣列（「相位陣列」）中各元件的相對相位。藉由動態調整相位陣列元件的電子訊號，可將波束導向不同位置，並可校正因組織結構引起的超音波束像差。 這假設中間組織無反射、吸收與擴散。超音波本身可穿透如水之類的不可壓縮材料，但如空氣、橡膠、人體組織、脂肪、纖維、中空骨骼及筋膜等可壓縮材料則會反射、吸收與擴散超聲波能量。

波束傳遞

波束傳遞包含波束操控與影像導引。波束能夠無害地穿過上覆組織，並聚焦於一個局部區域，其尺寸極限為 2–3 mm，此尺寸由臨床使用的超音波頻率決定。消融後，健康組織與壞死組織之間會形成一個清晰的邊界（寬度小於 50 微米）。

波束操控

最常用的換能器是具有固定孔徑和固定焦距的凹面聚焦換能器。 相位陣列換能器也可以使用不同的排列方式（平面/碗狀）。

影像導引

高強度聚焦超聲波治療需要仔細監測，因此通常結合其他影像技術進行。

術前影像，例如CT和MRI，通常用於識別目標解剖結構的一般參數。另一方面，即時影像對於安全、準確的非侵入性定位和治療監測至關重要。MRI 和醫學超聲波影像都已用於聚焦超聲波治療 (FUS) 的導引。這些技術分別被稱為核磁共振導引聚焦超聲波手術 (MRgFUS) 和超音波導引聚焦超音波手術 (USgFUS)。 MRgFUS 是一種 3D 影像技術，具有高軟組織對比度並能提供溫度資訊，因此可用於監測消融過程。然而，其低幀率使其在即時影像方面表現不佳，且高昂的成本也限制了其應用。 相對地，USgFUS 是一種 2D 影像技術，儘管目前尚無商業化系統能提供定量溫度資訊，但它具有多項優點，例如高幀率（每秒高達 1000 張影像）、低成本以及極小的潛在健康風險。超聲波之所以是理想的影像導引方式，另一個原因是它與治療使用相同的模式，可以即時驗證聲學窗口。 這意味著如果在 HIFU 治療前和治療期間無法透過超聲波影像看到目標區域，那麼 HIFU 治療在該特定區域可能效果不彰。 此外，可以透過觀察標準 B 模式影像中的高回音性變化來即時評估治療效果。