自聚焦超声在动物离体皮下脂肪组织中的融脂效应研究*

Pranima Maharjan 惠 春*

近年来，高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)在脂肪组织的无创消融领域受到广泛关注[1-5]。聚焦超声技术—通过破坏脂肪细胞，达到无伤性塑身的目的[6-13]。脂肪细胞的消融有两种机制，即机械效应和热效应[2]。然而，有关脂肪组织的聚焦超声生物学融脂效应基础实验以及不同频率对不同层次的脂肪生物学融脂效应研究却报道甚少。

皮下脂肪层分为浅表脂肪层(superficial adipose tissue，SAT)和深层脂肪层(deep adipose tissue，DAT)。SAT结构一致且紧密，而DAT结构不明确和松散[14]。对于不同脂肪层次，其脂肪的聚焦超声生物学融脂效应也不同。本研究旨在为不同辐照时间和功率的条件下聚焦超声对不同皮下脂肪层的生物融脂效应研究提供实验及临床应用依据。

1 实验材料与方法

1.1 材料

(1)采用ZH-2000型HIFU治疗系统(上海交通大学与江苏中惠医疗科技股份有限公司联合研制)进行离体组织生物学效应实验。使用UPM-DT-1 AV型声功率测试仪测试超声功率。

(2)实验其他材料包括离体动物组织猪皮下脂肪、12孔板、移液枪、超声耦合剂、MTT染色剂、生理盐水及标尺等。

1.2 实验方法

(1)取屠宰后6 h内的新鲜离体猪皮下脂肪组织。实验分为使用高频(6.5 MHz)和低频探头(3 MHz)的两组换能器，其工作参数超声功率分别为2 W、3 W、4 W和5 W，辐射时间分别为5 s、10 s、40 s、60 s和80 s。将离体动物猪皮下脂肪上涂一层耦合剂，聚焦超声探头紧贴于实验样品表面，探头纵轴尽量垂直于作用面。在不同实验条件下对不同靶目标进行辐照，并将辐照实验结束后的每组脂肪切为片状至脂肪损伤点的最大面。辐照后的脂肪立刻采用MTT染色方法染色[15]。

(2)染色的步骤为：①将辐照后的脂肪块立刻放入10 ml生理盐水；②放入2.5 mg/ml的MTT试剂置于37 ℃恒温箱3～4 h；③使用数码相机对染色后的脂肪块拍照。

(3)染成紫色的部分表示正常的脂肪组织区域，未着色区为融脂效应引起的脂肪结构变性区域。测量损伤区的横向和纵向直径，计算融脂生物学效应的生物学焦域(biological focal region，BFR)＝ ×长×宽。

2 离体皮下脂肪生物学融脂效应实验

不同工作参数条件下产生的生物学融脂效应区域如图1所示；BFR面积比较见表1。

图1 聚焦超声辐射后未接受MTT染色的皮下脂肪块

表1 不同超声功率在不同辐照时间下生物学融脂效应面积比较(深脂肪层，6.5 MHz)

(1)换能器频率为6.5 MHz时聚焦超声辐射后接受MTT染色的脂肪块(如图2所示)。

图2 浅表脂肪层经聚焦超声辐射后接受MTT染色的脂肪块

(2)换能器频率为3 MHz时聚焦超声辐射后接受MTT染色的脂肪块(如图3、图4、图5所示)

图3 带皮脂肪辐照功率为4 W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

图4 深层脂肪层辐照功率为4W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

图5 浅表脂肪层(带深层)辐照功率为4W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

3 结果与讨论

实验结果显示，频率为6.5 MHz的聚焦超声无法穿过离体动物猪生物组织的表皮，但是容易破坏分离的浅表脂肪层和深脂肪层。高频聚焦超声辐照脂肪层时只破坏浅表脂肪的表面而不能到达脂肪深层，其结果可能是由高频聚焦超声的高衰减系数而引起。SAT和DAT的结构区别也有对其影响的可能性。因此，为评估高频聚焦超声能有效的破坏脂肪组织结构程度，使用深脂肪层并进行不同超声功率和辐照时间下聚焦超声生物学融脂效应实验。

当辐照功率2 W时，融脂效应引起的脂肪结构变性区与周围染色成紫色的正常组织，经目视观察二者无明显分界线。当辐照功率为2 W、辐照时间为5 s时，实验样本未出现可见的颜色变化现象。而当同样功率条件下照射10 s时，紫色的生物组织表面出现微弱的颜色深度减弱现象，表明融脂效应已经引起了脂肪结构变性。当辐照时间为5 s时，2 W超声不产生显著脂肪组织变性，是因为辐照时间过短而且超声能量过弱，导致靶区的聚焦超声能量未达到有效破坏脂肪结构的阈值(如图6所示)。

当辐照功率分别为3 W、4 W和5 W时，脂肪结构变性区与周围染色成紫色的正常组织分界清楚而且脂肪组织破坏程度趋于严重。当辐照时间为5 s时，产生明显的脂肪结构变性区，而且随着聚焦超声辐照时间的延长或辐照功率增加，脂肪结构变性区的面积也增大。因此，当辐照功率为2 W时破坏脂肪的作用时间阈值为10 s，而辐照功率为3 W以上时破坏脂肪阈值的作用时间为5 s(如图7、图8所示)。

图6 辐照功率为2 W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

图7 辐照功率为3 W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

图8 辐照功率为5 W时不同辐射时间产生的生物学融脂效应

表1显示，脂肪组织结构变性的面积随着辐照时间的增加而升高，随着辐照功率的增加而减少。其原因是在高功率条件下、短时间内超声能量在燃烧的界面进一步发生衰减，限制脂肪破坏程度。因此，HIFU的辐照剂量不可过大，辐射时间不可过短。辐照剂量过大会导致局部组织过热损伤；而能量过低则会导致靶区累计能量不足以致脂肪组织被完全破坏。因此，HIFU治疗中需要选择适当的辐照剂量。

4 结论

在离体动物(猪)带皮脂肪层上进行的不同超声功率和辐照时间的生物聚焦超声实验的结果表明，当超声功率为3 W、频率为3 MHz条件下和辐照时间为40 s以上时，能穿透5 mm左右的表皮组织并有效地破坏皮下脂肪组织，但表皮同样受到损伤。同等条件下辐照时间为5～20 s时未破坏皮下脂肪组织而只损伤了表皮。

当超声功率为4 W和频率为3 MHz的条件下，辐照时间为5～80 s时不能穿透5 mm左右的表皮，未破坏皮下脂肪组织。当超声功率在3 W(低功率)和频率为3 MHz条件下随着辐照时间的增加，脂肪组织结构被破坏深度也随之增加。

使用HIFU进行融脂有望在治疗子宫脂肪瘤、血管瘤疾病、预防心血管疾病及消融脂肪瘤方面发挥重要作用。

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