摘要：Price, S.E.N., Gjennestad, M.A., Kjelstrup, S. et al. The effect of temperature constraints on the treatment of tumors using focus
Price, S.E.N., Gjennestad, M.A., Kjelstrup, S. et al. The effect of temperature constraints on the treatment of tumors using focused ultrasound-induced acoustic streaming. Sci Rep 15, 49 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-024-83782-w
药物传递至肿瘤中心因间质压力和血管化差而受阻。本研究旨在探索在肿瘤中产生声流的可能性，模拟乳房和腹部肿瘤案例，调整超声换能器参数以观察声流和温升。无灌注时，温度上升不稳定，适合对数预测。高频和大探头半径可缩短处理时间，但治疗面积减小。模拟显示，在不超过50°C的温度下，肿瘤内可实现合理声流。乳房病例中治疗时间从0.5小时到93小时不等，取决于探头设置。在肿瘤治疗中，一种新方法将药物封装于纳米颗粒（NP）并通过注射进入血流。结合聚焦超声（FUS）可改善NP分布。尽管存在多种解释机制，如声流，但最新研究显示琼脂糖水凝胶中的NP与FUS结合时声流效应有限。
声流是声波引起的流体平均运动。在多孔组织中，声辐射力是流动源，由超声波（US）耗散产生。增加聚焦超声（FUS）强度会增加耗散和流量，但也会导致温度升高，可能影响肿瘤中蛋白质结构和纳米粒子移动。因此，FUS暴露期间的温度升高受到生理限制。本研究旨在探索在安全温度限制下诱导肿瘤内可辨识的声流效应，并寻找最佳传感器参数以实现此目标。
近期研究深化了组织内声流现象的认识。Raghavan提出了软多孔介质声流方程，并与超声增强对流传输研究对比，发现模型预测与实验结果吻合。Bormand等人采用Raghavan模型研究模拟脑组织凝胶，验证了模型的准确性。Manor和Price提出了不含质量守恒强迫函数的多孔介质声流方程，与实验结果有合理一致性。Lofmo等使用类似Manor的方程预测胶原凝胶中NP运输的边际声流效应。
大量研究已针对FUS引起的温度升高。黄等人成功测量并模拟了琼脂基石墨上FUS的温度效应，解释了热电偶插入的粘性影响。格雷等人模拟了超声介导的温度升高以实现靶向药物输送，将组织类型映射到模型中。Yuan基于Raghavan方程引入了超声动量转移概念，与Pennes生物热方程结合模拟流体流动和温升。Wessapan和Rattanadecho使用Brinkman扩展达西模型计算HIFU治疗中的声流，并探讨其对温度的影响，尽管高渗透率值可能导致声流估计偏高。
本研究旨在探讨肿瘤中诱导声流的可能性及其受温度升高限制的影响。我们将模拟乳房和腹部肿瘤的声流，并计算相应的温度升高，评估液体位移所需时间。选择这些案例是因为它们的共性和体内FUS的可接近性。我们将估计超声参数引起的位移所需的温度升高和处理时间。使用WAKZK方程模拟非线性超声场的传播和衰减，并计算声流。Pennes生物热方程将用于计算初始超声处理期间的温度演变，并通过经验方程进行时间推断。
我们研究了一种系统，如图1所示，用于治疗乳腺癌。超声探头置于乳房5cm处，通过水浴。肿瘤位于乳房2cm深，与水浴由组织隔开。基线参数：1MHz频率、4cm半径、8cm聚焦直径、100W功率。还测试了不同半径（3cm和4cm）、频率（0.5MHz和2MHz）和功率（50W和200W）的探针。
乳房图示：橙色为肿瘤，黄色为乳腺，蓝色为水浴。左侧灰色FUS探头，半径4.0cm，聚焦深8.0cm。
腹部案例
通过图2所示的方法治疗腹部肿瘤。超声探头距离腹部10cm，中间有水浴。肿瘤深4cm，由组织与水浴隔开。模拟中，探头频率1MHz，半径8.5cm，聚焦直径17cm，功率250W。模拟了不同探头半径（6.5cm和9.5cm）和不同频率（0.5MHz）及功率（125W和500W）的情况。
图2
腹部示意图：橙区肿瘤，黄区腹组织，蓝区水浴。FUS探头（灰区）左侧，半径8.5cm，聚焦深17.0cm。
仿真结果显示：图1(a)轴向峰值压缩压力（蓝）和稀疏压力（橙）。(b)最高温度（蓝）与拟合方程14（橙），随时间变化，DC 1%，PRF 1 Hz。(c)体积通量q，箭头示方向，等值线示大小。
总结：验证了声流在两种肿瘤病例中的潜力，并估算了在不升高温度的情况下达到指定流距离的时间。由于肿瘤中心血管化差、间质液压力高，扩散慢，声流有助于传输。高频声流能缩短治疗时间且温度合理。探头半径增加影响小，但聚焦区域减少，建议未来考虑波束控制技术以处理更小区域。水力传导率5×10^-13 m^2 Pa^-1 s^-1代表有利情况，但未来研究应探讨治疗低水力传导率肿瘤的可能性。模拟中假设轴对称和组织同质性，忽略了异质性对水力传导率和灌注的影响，这些因素预计会影响治疗效果。我们的计算保守，基于最坏温度升高情况。我们假设所有声耗散热量需通过热传导转移，未考虑灌注的冷却效果。灌注可能显著降低温度，允许更高声功率和直流电，增强效果。未来研究将探讨灌注影响及对治疗时间和不利水力传导率肿瘤的治疗潜力。
结论
建立了乳房和腹部肿瘤模型，调整超声换能器参数以模拟声流和温升。模拟结果表明，高频率和大半径探头可缩短治疗时间，但治疗面积减小。功率与温升关系非线性，且在不超温阈值的情况下可实现合理声流。乳腺病例的50μm流治疗时间受超声设置影响显著，从1.5小时到93小时不等，强调了正确设置的必要性。通过模拟指导超声探头设置，以实现超声药物输送治疗肿瘤。未来研究需探讨波束控制和高功率应用，以覆盖更广的治疗区域，并评估光束聚焦与治疗区域大小的平衡。
来源：医学镜界
