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高能治療用超音波的關鍵組件—非磁化材料換能器的研製

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Academic year: 2021

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

高能治療用超音波的關鍵組件—非磁化材料換能器的研製

計畫類別: 個別型計畫 計畫編號: NSC93-2622-B-002-006-CC3 執行期間: 93 年 11 月 01 日至 94 年 10 月 31 日 執行單位: 國立臺灣大學醫學院復健科 計畫主持人: 陳文翔 計畫參與人員: 陳文翔, 童燿生, 吳志清 報告類型: 精簡報告 處理方式: 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫,不提供公開查詢 中 華 民 國 94 年 11 月 14 日

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國科會補助提升產業技術及人才培育研究計畫成果精簡報告 學門領域:生物處醫學工程 計畫名稱:高能治療用超音波的關鍵組件—非磁化材料換能器的研製 計畫編號:NSC 93-2622-B-002-006-CC3 執行期間:2004 年 11 月 1 日至 2005 年 10 月 31 日 執行單位:台灣大學醫學院復健科 主 持 人:陳文翔 參與學生: 姓 名 年 級 (大學部、碩 士班、博士 班) 已發表論文或已申請之專利 (含大學部專題研究論文、碩博 士論文) 工作內容 童燿生 碩士畢業 碩士論文:超音波顯影劑強化 高強度具焦超音波加熱效應之 研究 實際執行實驗 吳志清 博三 輔助執行實驗 合作企業簡介 合作企業名稱:台芝儀器股份有限公司 計畫聯絡人:廖德北 資本額:壹千兩百萬元 產品簡介:精密、光學、醫療器材及鐘錶製造 網址: 電話:(02)27918801 - 205

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2 研究摘要(500 字以內): 高能聚焦超音波(簡稱 HIFU)是一種利用超音波的熱效應來燒灼腫瘤 的新癌症治療方法,由於其非侵襲性、無放射性與可反覆給予的特性,被 認為是近年所發展出來最具潛力的一種癌症治療方法。然而一個成功的燒 灼極度依賴燒灼的精準度,也就是有效去除所有的不正常組織,但卻不傷 及正常組織的能力,為達成此一目標,一個精準的及時監測不可或缺,目 前用來監測 HIFU 治療過程與效果的最準確方式是利用特殊的磁振造影影 像,來精密監測並控制燒灼後溫升的範圍與位置,然而欲利用磁振造影來 作監測的燒灼系統,必須符合兩個條件:(1) 本身所有機械構造都必須以 在強磁場下(以本院傭有的 3T 磁振造影為準)不會產生磁性的物質來製造; (2)在燒灼過程中不會產生會干擾磁振攝影影像的電磁波。本年度計劃已對 此兩問題作深入探討,並完成解決方案,並進行組織仿體、組織塊與活體 動物模型的燒灼,對於長程的目標:建立一個監測腫瘤血液灌流變化的動 態磁振造影 HIFU 系統,以應用於治療國人最常見的肝癌,有決定性的貢 獻。 人才培育成果說明:專長於治療用超音波的碩士級及博士級研究生各一名 技術研發成果說明: 1. 磁振掃描(MRI)相容的超音波探頭製作: 已 完 成 自 製 的 磁 振 掃 描 (MRI) 相 容 超 音 波 探 頭 一 只 ( 圖 一 ) , 並 向 Imasonic 公司訂購頻率為 1.85MHz 的另一只探頭(圖二),兩者皆進行過實

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際燒灼試驗,自製的探頭其頻率較低,熱轉聲能效率較差,電路匹配也較 差。

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圖二:依需求訂做的 Imasonic 1.85 MHz HIFU 探頭

2. MRI 下仿體與組織塊的燒灼與雜訊干擾:

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的實驗機構為此計劃的關鍵技術,我們目前已進行多次在 MRI 內的仿體與 猪組織塊燒灼實驗,在低能量時如預期般的會產生紡錘形的焦斑,而在高 能量時會產生蝌蚪形焦斑。不過 HIFU 探頭與 MRI 整合的系統中,兩系統 同時啟動 HIFU 系統會對 MRI 影像有干擾現象,需加上去除高能超音波系 統的功率放大器產生的寬頻雜訊(white noise),此雜訊為目前影響 MRI 影 像的主要來源,目前已針對此干擾現象設計多款濾波器,並進行訊號濾波 測試,在 cut-off 頻率位於 2.5-5 MHz 之間時可有效濾除雜訊,但 cut-off 頻率太低時會影響功率放大器的主頻輸出;此外,設計上還須考慮電路匹 配,減少由探頭反射至功率放大器的能量,以避免破壞功率放大器,阻抗 應儘量接近 50 歐姆(圖三)。 (a) (b) 圖三:加上 2.75MHz 濾波器(a)前(b)後的 MRI 影像 3. 以超音波顯影劑來加強熱燒灼效果: 在仿體中混入超音波顯影劑可有效加大燒灼焦斑的體積,目前發現, 在 50W 電功率(焦點聲壓 8.7MPa)的燒灼下,加入 0.001%體積比的超音波 顯影劑可使焦般體積增加約 12 倍,0.01%則可使焦般體積增加約 65 倍; 然而卻也會使焦斑向著探頭方向移位,0.001%的顯影劑會移位 0.65 公分,

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6 而 0.01%則會移動 1.32 公分(圖四),體積增大與移位的程度與組織的聲衰 減係數有關。我們亦發現,加入超音波顯影劑後可以增加焦點附近高溫區 域的體積,但比起未加之前,焦點的最高溫度將低,只是分佈在更大的範 圍,所以才可以加大焦斑體積。 圖四:加入超音波顯影劑(a)前(0%)與(b)後(其他濃度)在仿體中所形成的焦 斑型態與位移 4. 腫瘤模型:

將 1-2cc 的 Freund’s complete adjuvant 注入兔子的肌肉中可產生直徑 約 1 公分的腫瘤,組織學切片可見淋巴球浸潤的區域,同量的藥品注入肝

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臟引發腫瘤的實驗尚未成功。 5. 活體動物燒灼實驗: 目前已進行多次活體兔子肌肉肝臟與腎臟的燒灼實驗,使用的是 3.9MHz 手執式 HIFU 探頭,可成功在肌肉內產生焦斑,然而因高頻超音波 衰減程度較大,容易產生皮膚表面的水泡,目前正在加工 1MHz 探頭已得 到較佳的穿透力,目前尚未成功在未打開皮膚時於肝臟與腎臟產生燒灼效 果。 技術特點說明: 1. 磁振掃描相容之高能聚焦超音波探頭與燒灼系統 2. 利用超音波顯影劑來加強燒灼效果 3. 去除雜訊的特殊高能濾波器 4. 兔子的肝腫瘤模型 5. 對活體兔子燒灼的特殊技術 可利用之產業及可開發之產品:磁振掃描相容之高能聚焦超音波探頭與系統 推廣及運用的價值:廠商得到製造磁振掃描相容之高能聚焦超音波探頭的關鍵 技術,可作為將來量產的技術依據。 ※ 備註:精簡報告係可供國科會立即公開之資料,並以四至十頁為原則,如 有圖片或照片請以附加檔案上傳,若涉及智財權、技術移轉案及專 利申請而需保密之資料,請勿揭露。

參考文獻

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