Фокуси́рованный ультразву́к высо́кой интенси́вности () — широко используемый в современной медицине метод локального воздействия ультразвуком на глубоко расположенные ткани организма. Основной областью применения HIFU в медицине является неинвазивная (то есть без повреждения кожных покровов) или малоинвазивная хирургия, реализуемая с помощью сфокусированных ультразвуковых пучков с интенсивностью, достигающей в некоторых случаях тысяч и десятков тысяч Вт/см2.

Наиболее известные применения HIFU в медицине: хирургическое лечение злокачественных опухолей в онкологии, хирургия фибромиомы матки, разрушение опухолей предстательной железы, воздействие на ткани, расположенные за грудной клеткой, или на внутримозговые ткани без вскрытия черепа, лечение мерцательной аритмии, глаукомы, остановка кровотечений, ударно-волновая литотрипсия, применение в пластической хирургии и косметологии, стимуляция рецепторных нервных структур, нейромодуляция структур мозга и др.

История Первые попытки Хотя первые попытки использования HIFU в медицине были сделаны в США в начале 1940-х гг., история применения мощного фокусированного ультразвука для локального воздействия на глубокие структуры организма связана, прежде всего, с именем профессора Вильяма Фрая (), СШАFry, W.J. Use of intense ultrasound in neurological research // Amer. J. Phys. Med. — 1958. — V. 37, № 3. — P. 143−147.. В 1950-е годы в его лаборатории была изготовлена установка для применения фокусированного ультразвука в экспериментальной нейрохирургии, то есть для создания в глубоких структурах мозга животных локальных разрушений заданного размера. Впоследствии эти исследования получили широкое развитие в ряде странБэйли, М. Р., Хохлова, В. А., Сапожников, О. А., Каргл, С. Г., Крам Л. А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (Обзор) // «Акустический журнал» — 2003. — Т. 49, № 4. — C. 437−464..

Начало исследований в СССР В СССР плановые исследования медицинских приложений фокусированного ультразвука начались в начале 1970-х годов в Акустическом институте АН СССР (АКИН). Для проведения этих исследований к тому времени существовала серьезная научная основа, базировавшаяся на классических работах руководителя отдела ультразвука АКИН профессора Л. Д. Розенберга (1908—1968) в области теории фокусирующих звуковых и ультразвуковых систем, а также на опыте конструирования сверхмощных ультразвуковых излучателей, созданных в АКИН в 1950—1960-х годахРозенберг, Л. Д., Сиротюк, М. Г. Установка для получения фокусированного ультразвука высокой интенсивности // «Акустический журнал» — 1959. — Т. 5, № 2. — С. 206−211.. Среди медицинских и физиологических учреждений, внесших в 1970—1980-х гг. в Советском Союзе наибольший вклад в проведение этих исследований, следует отметить Институт эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова АН СССР, Институт мозга АМН СССР, Институт физиологии имени И. П. Павлова АН СССР, Лен НИИ уха, горла и носа МЗ РСФСР, Всесоюзный онкологический научный центр АМН СССР. Результаты совместных исследований, выполненных с этими и другими медицинскими и физиологическими учреждениями, приведены в ряде обзоров и книгГаврилов, Л. Р. Эволюция мощных фокусирующих систем для применения в различных областях медицины (обзор) // «Акустический журнал». — 2010. — Т. 56, № 6. — С. 844−861.. Начиная с середины 1990-х гг. наиболее активные исследования в России в этой области ведутся на кафедре акустики физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Основные центры исследований За несколько последних десятилетий существенную роль в развитие медицинских применений HIFU внесли сотрудники ряда зарубежных учреждений: Harvard Medical School, , Boston, USA; University of Michigan, USA; University of Washington, Seattle, USA; University of Illinois, USA; University of Virginia, USA; Stanford University, USA; Cleveland Clinic, Ohio, USA; Focus Surgery, Indianapolis, USA; Imperial College London, UK; , , UK; National Physical Laboratory, UK; University of Paris, , Paris, France; EDAP-TMS SA, France; , Toronto, Canada; University of Toronto, Canada; , Chongqing, China Современное состояние исследований В результате за относительно короткое время эта область медицинской акустики прошла путь от первых опытов, выполненных в разных странах учёными‐энтузиастами, до становления одной из самых эффективных и широко известных в клинической медицине технологий. Резко возросло число специалистов, занимающихся этой тематикой, а число специализированных лабораторий во многих странах составляет десятки. Ежегодно проходят конференции и симпозиумы, собирающие сотни участников, с обсуждением полученных в этой области новых результатов. Каждый год публикуются сотни статей, посвящённых этой области медицинской акустики, полученные материалы накапливаются и обновляются очень быстро. Если в период с 1975 по 1990 г. публиковалось от 6 до 30 статей в год по фокусированному ультразвуку в медицине, то в 2010—2012-х гг. оно составляло уже 600—700Tyshlek, D., Aubry, J-F, Ter Haar, G., Hananel, A., Foley, J., Eames, M., Kassell, N., Simonin, H.H. Focused ultrasound development and clinical adoption: 2013 update on the growth of the field // Journal of Therapeutic Ultrasound. — 2014. — 2:2. За это же время в 7 раз возросло процентное соотношение работ по фокусированному ультразвуку ко всем работам по медицине. В 2001 году было создано Международное общество терапевтического ультразвука (), которое объединило физиков, биологов, медиков, инженеров, активно занимающихся HIFU. Ежегодно проводятся сессии общества поочередно в различных странах. В 2006 г. создан Фонд хирургии с применением фокусированного ультразвука (). Его цель — поддержка новых идей и новых применений фокусированного ультразвука, сокращение времени от появления новых HIFU-технологий до их практической реализации, ускорение использования HIFU-технологий во всём мире.

Механизмы действия В первом приближении Основным механизмом при использовании HIFU в медицине является тепловой. Он обусловлен поглощением ультразвуковой энергии в тканях организма и её превращением в тепло. При распространении плоских ультразвуковых волн в среде интенсивность ультразвука уменьшается с расстоянием следующим образом:

где — начальная интенсивность ультразвука,  — коэффициент затухания ультразвука в среде, — расстояние от источника. Коэффициент затухания (как и коэффициент поглощения) выражают в неперах (Нп) или в децибелах (дБ) на единицу длины (м или см), при этом 1 Нп/см=8.686 дБ/см. (В литературе 1960−80-х годов вместо «Нп/см» часто использовали единицу «см−1».) Коэффициент затухания представляет собой сумму коэффициентов поглощения αo и рассеяния αs. Последний включает рефракцию и отражение ультразвука в среде.

Если плоская волна полностью поглощается в среде, а внутренние переотражения несущественны, то приращение температуры ΔT спустя время t будетNCRP Report № 74. Biological effects of ultrasound: mechanisms and clinical implications / Prepared by Committee headed by W. Nyborg, Bethesda, MD: National Council on Radiation Protection and Measurements, 1983. — P. 266.:

где  — коэффициент поглощения ультразвука той или иной частоты в ткани;  — интенсивность ультразвука на поверхности ткани;  — плотность ткани; — удельная теплоёмкость ткани при постоянном давлении. Задавшись значениями для мягкой ткани = 1 г/мл, = 4.18 Дж/(г•К) и = 0.1 Нп/см (при частоте 1 МГц), получим:

где выражена в Вт/см2.

Из приведенных соотношений видно, что для повышения температуры тканей требуется увеличивать интенсивность ультразвука и длительность воздействия. При использовании высоких интенсивностей ультразвука (тысяч и десятков тысяч Вт/см2) температура в тканях может достигать температуры кипения.

Нелинейные эффекты Процесс нагрева тканей резко интенсифицируется, если при воздействии на ткани имеют место нелинейные эффекты, возникающие в сверхмощных и сильно фокусированных ультразвуковых пучках. В наиболее мощных приборах, применяемых в ультразвуковой хирургии, уровень интенсивности в фокальной области достигает 25 кВт/см2 и выше, что приводит к генерации высших гармоник в спектре распространяющейся волны, асимметричному искажению профиля волны, формированию ударных фронтов и дополнительному поглощению энергии волны на разрывах. Амплитуда разрыва может достигать 60−80 МПаKhokhlova, V.A., Bailey, M.R., Reed, J.A., Cunitz, B.W., Kaczkowski, P.J., Crum, L.A. Effects of nonlinear propagation, cavitation, and boiling in lesion formation by high intensity focused ultrasound in a gel phantom // J Acoust Soc Am. — 2006. — V. 119, № 3. — P. 1834−1848.Khokhlova, T., Canney, M., Khokhlova, V., Sapozhnikov, O., Crum, L., Bailey, M. Controlled tissue emulsification produced by high intensity focused ultrasound shock waves and millisecond boiling // J. Acoust. Soc. Am. — 2011. — V. 130, № 5. — P. 3498−3510.. При этом возможен локальный сверхбыстрый, за несколько миллисекунд, нагрев ткани до температур выше 100°С и возникновение кипения. Эффективность поглощения на разрывах может в десятки раз превышать линейное поглощение в ткани. Эффекты сверхбыстрого нагрева до температур кипения в ткани, связанные с образованием разрывов, являются чрезвычайно важными при использовании фокусированного ультразвука сверхвысокой интенсивности, поскольку образование пузырьков пара при кипении в ткани кардинальным образом меняет процесс воздействия ультразвука на ткань.

Ультразвуковая кавитация В последнее время при использовании HIFU всё чаще стал использоваться кавитационный режим воздействия. Принято считать, что такой режим следует избегать в силу особенностей физической природы кавитации (вероятностный характер возникновения, слабая воспроизводимость локализации и формы полученных разрушений и т. п.). В противоположность такому суждению возникли новые, нетрадиционные методы и области применения ультразвука в медицине, основанные именно на использовании ультразвуковой кавитации. Одним из таких методов является «гистотрипсия», названная так по аналогии с литотрипсиейCain, С. Histotripsy: Controlled mechanical sub-division of soft tissues by high intensity pulsed ultrasound // 5th International Symposium on Therapeutic Ultrasound, Boston, USA. — 2005. — P. 13.. Сущность подхода состоит в том, что в тканях необходимо создать микропузырьки либо в виде вводимых в организм пузырьков-эхоконтрастных агентов, либо пузырьков, возникших во время предыдущей экспозиции. Эти микропузырьки обеспечивают воспроизводимые кавитационные пороги, значительно снижают пороги разрушения и способствуют созданию более регулярных по форме очагов разрушения. Использование импульсного режима позволяет в широких пределах менять параметры воздействия и тем самым достичь оптимального терапевтического эффекта. По сравнению с другим, общеизвестным механизмом ультразвуковой терапии — тепловым, гистотрипсия имеет ряд преимуществ: участок кавитационного воздействия на ткань легко визуализировать вместе с облучаемым участком; кавитация — нелинейный процесс, чувствительный ко многим акустическим параметрам, что расширяет возможность получения самых разных терапевтических эффектов; кавитация производит механическое, нетепловое измельчение и разрыв тканей при усреднённых во времени интенсивностях, которые при данном времени воздействия неспособны вызвать существенный нагрев как заданного объёма, так и окружающих тканей; никаких сложных, дорогостоящих методов неинвазивных измерений температуры не требуется.