1-1 腫瘤治療
人體是由大約 30 ~ 60 兆個細胞所組成，在正常的情況下，細胞的生長 會受到控制，在一定的範圍內規律的製造新細胞以淘汰老舊或受損的細 胞；但當這個規律遭到破壞，細胞的生長將失去控制，不斷的增生形成腫 瘤細胞團。由於腫瘤細胞持續不斷分裂，會導致周圍細胞和組織受到傷害，
進而危及生命，因此這些腫瘤被稱為「癌」[1]。
根據行政院衛生署九十八年台灣地區死因統計結果摘要，自從 1982 年 起，惡性腫瘤已經高居台灣地區死因第一位，每 12 分鐘就會產生一位癌症 病患，每 4 位死亡者即有一位死於癌症[1][2]。
目前較常見的癌症治療方式有六種，分別是手術療法、放射療法、化 學療法、賀爾蒙療法、生物製劑療法及基因療法等如下[1][3]：
一、 手術療法：當癌症尚未擴散時，可以手術方式切除腫瘤、腫瘤侵犯之 組織及附近的淋巴結，以達到治癒的效果；若癌症已經擴散，則常配 合使用化學、放射等療法。
二、 放射治療：利用高能量的輻射線破壞癌細胞，停止其生長與分裂，俗 稱電療，屬於局部性的治療，只會破壞輻射線範圍內的癌細胞。放射 治療又分為體外放射治療與體內放射治療兩種：
1. 體外放射療法：於身體外部，利用儀器放出 X 光或 Y 射線在腫瘤上 進行照射，將癌細胞殺死；通常一個療程為一星期五天，為期數週。
2. 體內放射療法：將放射物質以顆粒或膠囊方式植入體內，置於腫 瘤或腫瘤附近以殺死癌細胞；對於不適合開刀或切除的組織，常會 使用放射療法。當植入物移除時，體內不會存留放射性，若是永久 性植入的病人，則須等放射性達到安全劑量時，醫師才會准許出院。
三、 化學療法：使用毒性藥物去殺死癌細胞，大部分採取藥物注射的形 式，少部分採口服；使用化學療法時，藥物會藉由循環系統輸送到全 身，以防止並控制癌細胞擴散到體內其他部位。用於化學療法的藥物 具有細胞毒性，針對的是體內正在分裂和複製的細胞，由於癌細胞分 裂的速度較正常細胞來的快，因此藥物殺死的大部分都是癌細胞，但 少數正常的細胞也會因此被破壞，所以還是可能會引起一些副作用。
四、 賀爾蒙療法：某些癌症會受到特定的賀爾蒙影響而成長，例如：乳癌 會受到動情激素的影響而變大並擴散，而雄性激素會導致前列腺癌性 腫瘤變大。因此，以藥物阻斷賀爾蒙的作用或手術移除分泌這些賀爾 蒙的器官(例如：卵巢、睪丸)，就能有效抑制癌細胞的生長，賀爾蒙 療法也屬於全身性的療法，能夠影響全身的癌細胞。
五、 生物製劑療法：活化人體免疫系統提高免疫力，來對抗癌細胞，因此 又稱為免疫性療法；主要是利用阻斷特定基因和生物化學物質的作 用，來達到抑制癌細胞的目的，例如：單株抗體、干擾素、血液生長 刺激因子等。
六、 基因療法：由於某些癌症是因為 DNA 中遺傳的基因缺陷所導致，因 此可利用各種基因治療載體，包括反轉錄病毒(Retrovirus)、腺病毒 (Adenovirus)、腺相關病毒(Adeno-associated virus)等病毒載體以及沙 門氏桿菌(Sallmonella)，將 DNA 送入細胞中，以直接影響基因的表 現，達到治療癌症之目的。目前基因療法還處於早期研發階段，在安 全性及效果上仍有許多問題要克服。
1-2 聚焦式超音波腫瘤熱治療
第一份有關熱治療之具體研究報告是於十九世紀末，一位癌症患者由 於偶發性丹毒而引起高燒，但卻意外發現其身上腫瘤大小有消退的現象。
如圖 1-1 經由研究發現，細胞對於溫度的敏感性相當高，隨著加熱的時間增 加細胞存活率也會大幅的減低；以加熱溫度維持在 43℃為例，加熱一小時 即可將細胞存活率降至 1%以下，若將溫度升高 1℃，則可在一半的加熱時 間下，達到相同的細胞存活率下降效果[4][5]。
圖 1-1：加熱時間對細胞存活率之影響關係圖[5]
在各種可應用於腫瘤熱治療的熱源中，超音波具有相當好的發展潛 力。超音波為頻率超過 16,000Hz 人耳無法聽到的音波，治療性的超音波能 產生的生物效應有兩種，分別為熱效應（Thermal effects）及非熱效應
（Nonthermal effects）。超音波造成的非熱效應，可分為空化（Cavitation）
作用、聲流（Acoustic streaming）作用、聲扭力（Acoustic torque）、輻射力
（Radiation force）、及輻射壓力（Radiation pressure）等現象。這些作用是 由於超音波進入生物組織後，導致周圍介質的壓力變化所造成的。而超音 波在生物組織中傳遞時，能量會被生物組織吸收或是射散而衰減，經由組 織所吸收的能量會轉換成熱能，此時生物組織的溫度會上升，造成熱效應[6]
[7]。
超音波產生的熱效應與一般傳統的加熱效應不同。傳統的加熱效應，
首先必須由加熱目標的表面提供熱能，熱量會逐漸的滲透至其內部，因此 要使熱量傳導到加熱的目標位置，需要的時間較長；這樣的加熱方式，當 加熱的目標位置達到能使細胞存活率明顯下降的溫度(42℃)時，加熱目標的 表面已有加熱過度的現象，若使用在腫瘤熱燒灼治療時會連帶破壞到正常 的細胞[3]。由於超音波的波長短，可以藉由相位調整的方式，將能量聚焦 (focus)於極小的目標位置，有效的傳遞能量於軟組織(soft tissue)內，如此超 音波傳遞經過的正常細胞組織部份不會遭受傷害[3,8]。因此針對深層腫瘤 (如乳癌、肝腫瘤)的治療，超音波熱治療(ultrasound thermal therapy)具有相 當理想的發展潛力。
1-3 研究動機及目的
由於在各種腫瘤治療方法中，聚焦式超音波腫瘤熱治療這樣的方式，
具有局部性、非侵入性等優點，可免除病患對於手術開刀的恐懼及放射治 療中對輻射的疑慮，也沒有化學、賀爾蒙治療等產生的全身性影響及副作 用，因此超音波熱治療成為癌症治療的新方向。
聚焦式超音波的穿透能力極強，經過精準的陣列相位與功率調校，定 位精準度及能量聚焦點可控制在 1~2mm 以內，能夠有效的將設定範圍內的 癌細胞殺死，以達到超音波腫瘤熱治療的目的。
基於上述之說明，本計畫之研究目的在於建立一套多頻道超音波驅動 系統(multiple-channel ultrasound driving system)，令其可驅動陣列式超音波 換能器(ultrasound phased array transducer)，用來產生高強度聚焦超音波 (High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU) ，並應用在腫瘤的熱燒灼治療上。
1-4 論文架構
本研究論文共分為四章，內容大綱概述如下：首先，第一章簡單介紹 各種腫瘤治療的方式、聚焦式超音波在腫瘤熱治療上的應用、研究動機及 目的與論文架構。第二章介紹多頻道超音超音波驅動系統所涉及之理論基 礎。第三章描述系統建構方法，包含電路各區塊之程式模擬過程與實際測 試結果，並說明阻抗分析與匹配之操作過程，最後展示整體多頻道超音波 驅動系統建置成果，及其系統效能測量結果。第四章討論統整本研究之結 論，並說明本系統在未來須加強改善之方向。