Введение

Неинвазивная терапевтическая техника

Ультразвук сфокусированный высокой интенсивности (HIFU) – это неинвазивная терапевтическая техника, использующая неионизирующие ультразвуковые волны для нагрева или абляции тканей. HIFU может применяться для усиления кровотока или лимфотока, а также для разрушения тканей, таких как опухоли, посредством термических и механических механизмов. Учитывая широкую распространенность и относительно невысокую стоимость оборудования для генерации ультразвука, HIFU рассматривается как неинвазивная и экономически доступная терапия, способная, по крайней мере, превзойти лечение в операционной. Эта технология отличается от используемой в ультразвуковой диагностике, хотя для достижения необходимых тепловых доз применяются более низкие частоты и непрерывные, а не импульсные волны. Тем не менее, импульсные волны также могут быть использованы, если требуется механическое, а не термическое повреждение. Для достижения необходимой интенсивности в целевой ткани без повреждения окружающих тканей часто используются акустические линзы. Идеальным примером является фокусировка луча солнечного света лупой: высокая температура достигается только в фокусе. HIFU комбинируется с другими методами визуализации, такими как медицинский ультразвук или МРТ, для обеспечения навигации и контроля во время лечения.

История

Исследования локализованного рака предстательной железы показали, что после лечения у пациентов с низким и промежуточным риском при рецидиве рака предстательной железы наблюдались высокие показатели выживаемости без прогрессирования. InsighTec ExAblate 2000 стала первой системой МРгФУС, получившей одобрение FDA для выхода на рынок, патент США № 5 247 935.

Медицинское применение

Нет четкого консенсуса относительно границ между HIFU и другими формами терапевтического ультразвука. В научной литературе под HIFU обычно понимают высокие уровни энергии, необходимые для разрушения тканей посредством абляции или кавитации, хотя этот термин иногда используется и для описания менее интенсивных применений, таких как трудотерапия и физическая терапия. Так или иначе, HIFU применяется для неинвазивного нагрева тканей глубоко внутри тела без необходимости хирургического вмешательства. Основные области применения – это разрушение тканей, вызванное гипертермией, увеличение кровотока и физиотерапия. Использование ультразвука в лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата также является одним из методов физиотерапии.

Неврологические расстройства

Одним из первых применений HIFU было лечение болезни Паркинсона в 1940-х годах. Хотя в то время это было неэффективно, HIFU обладает способностью создавать очаги поражения. Система сфокусированного ультразвука одобрена в Израиле, Канаде, Италии, Корее и России для лечения эссенциального тремора, нейропатической боли и тремора, связанного с болезнью Паркинсона. Этот подход позволяет проводить лечение мозга без разреза или радиации. В 2016 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрило систему Exablate компании Insightec для лечения эссенциального тремора. Ведутся исследования по применению для лечения других таламокортикальных дисритмий и психических расстройств.

Простаты

HIFU может быть эффективным в обнаружении рака простаты.

Печень

HIFU изучается при раке печени, и многие исследования демонстрируют высокий процент ответа и благоприятные исходы. При лечении метастатического рака печени с помощью HIFU наблюдались иммунные реакции в областях, удаленных от зоны воздействия.

Увеличение предстательной железы

Лечение увеличения простаты (доброкачественной гиперплазии предстательной железы) методом HIFU через прямую кишку (трансректально) оказалось неэффективным. В некоторых странах, не в США, HIFU также предлагается внутри простаты, то есть через катетер в простатической части уретры. Доказательств, подтверждающих эффективность метода по состоянию на 2019 год, недостаточно. В Англии Национальный институт здоровья и клинического совершенства (NICE) в 2018 году классифицировал данный метод как "не рекомендованный".

Механизм

Лучи HIFU точно фокусируются на небольшом участке пораженной ткани для локального высвобождения высокой энергии. Фокусированный ультразвук может использоваться для создания высоколокализованного нагрева для лечения кист и опухолей (доброкачественных или злокачественных). Это известно как магнитно-резонансно-управляемый фокусированный ультразвук (MRgFUS) или высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU). В этих процедурах обычно используются более низкие частоты, чем в медицинской диагностической ультразвуковой диагностике (от 0,7 до 2 МГц), но чем выше частота, тем ниже фокусирующая энергия. Лечение HIFU часто проводится под контролем МРТ. Фокусированный ультразвук может применяться для разрушения камней в почках с помощью литотрипсии. Ультразвук может использоваться для лечения катаракты методом факоэмульсификации.

Идеальная температура

Температура ткани в очаге повысится до 65–85 °C, разрушая поражённую ткань посредством коагулятивного некроза. Если температура ткани превысит порог в 60 °C более чем на 1 секунду, этот процесс станет необратимым. Каждое ультразвуковое воздействие (отдельное внесение ультразвуковой энергии) обрабатывает точно определённый участок целевой ткани. Для создания объёма несжимаемого материала, такого как водопроводная вода, используется множество ультразвуковых воздействий. Интеграл вычисляется по времени обработки, R = 0,5 при температурах выше 43 °C и 0,25 при температурах от 43 °C до 37 °C, температура отсчёта – 43 °C, а время T измеряется в минутах. Уравнения и методы, описанные в данном отчёте, не предназначены для отражения каких-либо клинических результатов; это лишь подход к оценке тепловой дозы в несжимаемом материале, в данном случае – в водопроводной воде. Поскольку ультразвуковая волна не может распространяться через сжимаемые ткани, такие как резина или ткани человека, ультразвуковая энергия преобразуется в тепло. С помощью сфокусированных пучков можно достичь нагрева очень небольшого участка ткани, расположенного на небольшой глубине (обычно порядка 2–3 миллиметров). Повреждение ткани зависит как от интенсивности нагрева, так и от времени воздействия этой температуры, что измеряется в единицах "тепловой дозы". Путем фокусировки в нескольких точках или сканирования фокуса можно термически аблатировать объём ткани. Тепловые дозы в 120–240 минут при 43 °C вызывают коагуляцию клеточных белков и приводят к необратимому разрушению тканей. Имеются данные о том, что HIFU может применяться для лечения рака, нарушая микроокружение опухоли и стимулируя иммунный ответ, а также, возможно, повышая эффективность иммунотерапии.

Инерциальная кавитация

При достаточно высоких уровнях звуковой интенсивности может возникать кавитация (образование и взаимодействие микропузырьков с ультразвуковым полем). Микропузырьки, образующиеся в поле, колеблются и растут (под воздействием факторов, включая ректифицированную диффузию), и в конечном итоге могут схлопываться (инерционная или транзиентная кавитация). Во время инерционной кавитации внутри пузырьков достигаются очень высокие температуры, а схлопывание в фазе разряжения связано с ударной волной и струями, способными механически повреждать ткани.

Стабильная кавитация

Стабильная кавитация создает микропотоки, которые индуцируют высокие силы сдвига на клетки и приводят к апоптозу. Подробно, пузырьки, образующиеся при испарении воды под воздействием акустических сил, осциллируют в акустическом поле низкого давления. Интенсивные потоки могут вызывать повреждение клеток, но также снижают температуру тканей за счет конвективной потери тепла.

Доставка луча

Подача луча включает в себя управление направлением луча и визуальный контроль. Луч способен проходить через налегающие ткани, не причиняя им вреда, и фокусироваться в локализованной области размером до 2-3 мм, что определяется клинической частотой ультразвука. После абляции формируется четкая граница между здоровой и некротизированной тканью (шириной менее 50 микрон).

Рулевое управление луча

Наиболее распространенным используемым преобразователем является вогнутый фокусирующий преобразователь с фиксированной апертурой и фиксированным фокусным расстоянием. Также используются ультразвуковая навигация при фокусированном ультразвуковом хирургическом лечении (USgFUS) и магнитно-резонансная навигация при фокусированном ультразвуковом хирургическом лечении (MRgFUS). MRgFUS – это 3D-технология визуализации, отличающаяся высоким контрастом мягких тканей и предоставляющая информацию о температуре, что позволяет контролировать абляцию. Однако низкая частота кадров ограничивает применение этого метода в режиме реального времени, а высокая стоимость является существенным препятствием для его использования. USgFUS, в отличие от этого, представляет собой 2D-технологию визуализации, в которой, хотя система для количественной оценки температуры пока не разработана и не поступила в коммерческую продажу, используются такие преимущества, как высокая частота кадров (до 1000 изображений в секунду), низкая стоимость и минимальные побочные эффекты. Еще одна причина, по которой ультразвук идеально подходит для визуальной навигации, заключается в том, что он позволяет в режиме реального времени оценивать акустическое окно, поскольку является той же модальностью, что и терапия. Это означает, что если целевая область не визуализируется при ультразвуковом исследовании до и во время терапии HIFU, то эффективность терапии HIFU в этой области маловероятна.