高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理－王修含診所皮膚科王修含醫師皮膚科學研究小站

皮膚科治療新利器：高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理

皮膚科王修含醫師 (台大醫院皮膚部皮膚高頻超音波特別門診負責醫師)

自從1940年代起，高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波，又稱高能聚焦超聲波技術：High-intensity focused ultrasound，簡稱HIFU)開始受到臨床醫師注意，使用於非侵入性的醫學治療，亦即所謂的「超音波手術」，發展至今日，以HIFU原理發展的儀器非常多樣化，且使用於各科別的臨床醫學應用。"HIFU"治療有許多種翻譯名詞，例如海福、海扶、海芙、海孚等。

超音波是什麼？

超音波又稱為超聲波，屬於一種聲波，也是一種機械波，人類耳朵可聽到的聲波頻率介於20~20,000 Hz之間，因此頻率大於20,000 Hz的聲波稱為「超音波」(ultrasound)，而頻率小於20Hz的聲波，則稱為「超低頻音、次聲、次音」(infrasound)。

高能量聚焦式超音波(HIFU)是什麼？

高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU) 利用大面積的探頭，得到較好的幾何聚焦特性，所以能夠發射較強的能量。因此HIFU超音波儀器，是利用超音波探頭，於焦點處產生高時間平均強度(time-averaged intensity)的超音波，對組織產生破壞。一般診斷用的超音波探頭，其時間平均強度大約介於0.1-100mW/cm²之間，疏密波的壓力介於0.001-0.003MPa，但高強度聚焦超音波探頭的焦點區域強度，可達100-10000W/cm²，疏密波的壓縮區域壓力，可達30MPa，而稀疏區域壓力，則為10MPa。

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高強度聚焦超音波(HIFU)治療原理：生物效應

組織吸收高音波強度後，可轉化為熱能，使區域溫度達到60^oC以上的數值，並於數秒之內造成凝結性壞死。高強度聚焦超音波除了造成熱效應之外，尚可引發機械現象(mechanical phenomenon)，例如穴蝕效應(cavitation)、微流(microstreaming)，以及輻射力(radiation forces)等。超音波熱治療可提高腫瘤細胞對於化學治療(俗稱「化療」)與放射線治療(輻射治療，俗稱「放療」或「電療」)的感受性，增強化學治療與放射治療的治療效果。

HIFU的臨床醫學應用

自1940年代起，高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波，又稱為高能聚焦超聲波技術：High-intensity focused ultrasound，簡稱HIFU)開始受到臨床醫師囑目，逐漸被應用於臨床治療，亦即所謂的「超音波手術」。至1970年代，超音波高熱療法已被廣泛運用，利用高強度超音波，可將組織加熱至42-45^oC之間，並持續30-60分鐘。

1990年代之後，出現許多與高強度聚焦超音波相關的研究。高強度聚焦超音波採用大面積且幾何聚焦特性較好的探頭，有利於發射較高的能量，且可精確定位於病灶部位，在多次治療下，也不會出現累積性的劑量傷害，在治療過程中，亦可同時進行超音波造影。
除了用於破壞腫瘤組織，高強度聚焦超音波也有不錯的止血效果，可處理大血管破裂導致的內出血問題。"HIFU"的治療方式有多種譯名，例如海福、海扶、海芙、海孚等，例如所謂的海福刀微創標靶手術，就是以HIFU超音波，進行攝護腺癌治療的方法。
高能量聚焦超音波在臨床上的用途，包括治療良性或惡性腫瘤，例如肝癌、胰臟癌、前列腺癌、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、膀胱癌、肉瘤(sarcoma)、子宮肌瘤(uterine fibroids)等；此外，HIFU尚可運用於止血、血栓溶解、藥物與基因傳遞等。

HIFU的皮膚科學應用

高強度聚焦超音波(HIFU)，也成為皮膚科治療新武器，在皮膚科與美容醫學方面，HIFU科技已被應用於下列治療：

一、超音波減脂

以「聚焦超聲消融」的方式破壞目標區域皮下脂肪，也就是所謂的「超音波減脂」(由於採用高能量聚焦超音波消融術(HIFU)操作，坊間常俗稱為「超音波溶脂」，但由於此方法主要用於減少脂肪細胞數量，故稱為「減脂」可能比「溶脂」較為適宜)，此法有別於會出現傷口的抽脂手術。例如Liposonix 立塑聚焦音波減脂，可達到體雕(body contouring)的效果，詳見http://www.skin168.net/2014/02/Liposonix.html。

二、超音波拉皮(超音波拉提)

除了用於音波減脂，也有儀器商應用HIFU科技於「音波拉皮」技術，若應用較低能量的HIFU科技，亦即「微聚焦音波」(Microfocused Ultrasound, MFU)技術，可施作於「非侵入式眉毛拉提治療」，即俗稱的「音波拉皮」，這些儀器包括「極線音波拉皮 Ulthera ® (Ultherapy)」, 「海芙拉提 UltraFormer ®」, UltraSkin ®(優塑音波拉皮、超極限音波拉皮/音波拉提), Doublo ®(倍提音波拉提), HIPRO ®, E-Clip ®, UTIMS A1 ®(寇斯特”雅提斯A1超音波治療儀, 优提美UTIMS A1 ®极限音波拉皮) ......等，採用HIFU聚焦方式，類似用放大鏡匯聚太陽光的方法，燒灼深層皮膚真皮與皮下組織層或表淺肌肉筋膜系統(SMAS, superficial musculoaponeurotic system)，得到拉皮效果。(註：以上皆為國外原廠與相關廠商、醫療院所提出的相關儀器名稱，不一定已獲得台灣衛生主管機構輸入許可證)

音波拉皮是最近幾年發展的系統，作用深度大於傳統電波拉皮，然而電波拉皮原廠亦研發實際作用深度更深的Total Tip黃金塑顏電波探頭系統，雖然兩者皆有緊膚、拉提的效能，但作用原理與效果仍有頗大的差異，音波拉皮與電波拉皮的作用原理比較如下：

圖：新式電波拉皮(黃金探頭) vs 舊式電波拉皮 vs 音波拉提之比較圖表(滑鼠左鍵點擊本圖，可瀏覽解析度更高的版本)。

1. 作用深度：Total Tip黃金塑顏電波 > 音波拉皮 > 傳統臉部電波
音波拉皮通常可變換三種探頭，將能量集中於三種深度：1.5 mm、3.0 mm、4.5 mm，作用深度打得比傳統臉部電波探頭(Face Tip，藍色探頭)深，舊式電波拉皮只作用於真皮層與皮下組織，但音波拉皮通常可作用在4.5mm的深度，所以拉提效果較佳。
但現在新型橘色的ThermageTotal Tip黃金塑顏電波探頭(又稱為DC探頭、黃金探頭)的實際到達深度又比音波拉皮還深，即使在超越4.5mm深度時，仍具備電波能量，對SMAS肌肉筋膜層有深層加熱的作用，因此作用深度優於音波拉皮。

黃金塑顏電波與傳統的CPT藍色探頭相比，新增接近80%的穿透深度，在定義的穿透深度之下，仍有能量作用，即使在超越4.5mm深度時，仍具備電波能量(上圖的黃色區域)，有深層加熱的作用，可直達SMAS筋膜層，實際到達深度優於音波拉皮。

圖：聚焦超音波拉皮原理，引用自Dermatol Surg. 2012 Jan;38(1):20-7.

註：Thermage電波拉皮的原廠Solta Medical Inc.推出的新式橘色探頭：「全方位探頭」(Total Tip)，俗稱為CPT DC探頭，或「塑顏電波」、「黃金探頭」、「黃金塑顏電波探頭」，這種探頭亦屬於CPT系列產品，探頭表面也具有雙層薄膜，採用polyimide材質與金屬電極，構成電容薄膜，並可搭配震動功能，改良自傳統用於施打身體較厚組織的DC探頭，面積皆為3.0平方公分，共有黃金探頭900發與黃金探頭1200發兩種選擇。

2. 刺激膠原蛋白新生效應：電波拉皮(整層) > 音波拉皮(點狀)
新式電波拉皮(Thermage CPT, total tip)>音波拉皮(Ulthera)>舊式電波拉皮(Thermage NXT)
在進行肌肉筋膜層(SMAS)的深度治療時，音波拉皮以聚焦方式作用，避開表皮與真皮層，避免表皮燒燙傷的問題，而電波拉皮則以施放冷媒的方式，保護表皮，但能量會作用在真皮層與皮下組織。雖然電波拉皮和音波拉皮都具有熱效應，但電波拉皮是以「容積式加熱」方式，所有治療區域100%的面積都會受到能量作用，得到整個體積的膠原蛋白新生。音波拉皮是以HIFU聚焦方式，類似用放大鏡匯聚太陽光的方法，只有目標平面一小部份的面積受到作用，也就是點狀加熱，得到點狀的膠原蛋白新生，不像電波拉皮是整個體積的作用。

在2014年美國皮膚科醫學會發表的研究成果中，有研究人員與醫師以音波拉皮Ulthera、舊式電波拉皮(Thermage NXT) 、新式電波拉皮(Thermage CPT, total tip) 為比較對象，探討這三種治療方式得到的膠原蛋白新生(neocollagenesis)與彈性蛋白新生(neoelastogenesis)的程度，這些新生蛋白可能產生皮膚緊緻效果，結果發現三種機型治療後造成變化的主要位置如下：
1. 舊式電波拉皮(Thermage NXT) --上層的網狀真皮層(reticular dermis)
2. 音波拉皮(Ulthera)--深層的網狀真皮層
3. 新式電波拉皮(Thermage CPT, total tip) --整層的真皮層，包括乳頭真皮層(papillary dermis)與網狀真皮層(reticular dermis)
註：皮膚的真皮層可分為兩層，上層為乳頭真皮層(papillary dermis)，下層為網狀真皮層(reticular dermis)

圖：皮膚組織結構，其中真皮層可分為兩層，上層為乳頭真皮層(papillary dermis)，下層為網狀真皮層(reticular dermis)。新式電波拉皮(Thermage CPT, Total Tip)的膠原蛋白與彈性蛋白的新生作用，可作用於整層的真皮層，包括乳頭真皮層和網狀真皮層，而音波拉皮只作用於網狀真皮層。(感謝Blausen Medical Communications, Inc.提供本圖，依CC BY 3.0協議授權，圖片來源：Blausen.com staff. "Blausen gallery 2014". Wikiversity Journal of Medicine. DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 20018762. - Own work)

結論：
以膠原蛋白新生的範圍排序，
新式電波拉皮(Thermage CPT, total tip)>音波拉皮(Ulthera)>舊式電波拉皮(Thermage NXT)

相關論文連結，請參照：
http://www.jaad.org/article/S0190-9622%2814%2900822-6/abstract

3. 神經傷害風險：音波拉皮(較常見) > 電波拉皮(無、極度罕見)
音波拉皮將每一發的聚焦音波能量匯聚在某幾個點，以Ulthera儀器為例，每一發(每一條)能量聚焦在17個點，如果重要的神經恰好位於這幾個點，就可能造成暫時性(可逆)或永久性(不可恢復)的神經傷害。電波拉皮以RF電波能量大面積發送，藉由多回合的累積，使每個治療部位逐漸均勻加熱至目標溫度，配合「熱感回饋」(又稱為「痛感回饋」，thermal/pain sensation feedback)的治療技巧，以良好的操作技術，可完全避免神經燒灼的危險。

圖：音波拉皮原理在於將每一發的聚焦音波能量匯聚在某幾個點，若有神經恰好位於這幾個點，就可能造成神經傷害(引用自Semin Cutan Med Surg. 2013 Mar;32(1):18-25.)

4. 可治療面積：電波拉皮 > 音波拉皮
為了安全性，電波拉皮需避開鼻子、喉結、甲狀軟骨等位置，由於音波拉皮具有神經傷害風險，除了要避開上述位置，尚需避開許多顏面神經的通道，例如音波拉皮不建議施打於法令紋、木偶紋、下巴、顴骨、眉尾、眉心、額頭中央，所以在臉部的實際作用面積遠小於電波拉皮，對皮膚膠原蛋白更新的效果也相對受到影響。

圖：音波拉皮較建議施打於圖中的黃色區域，其它區域較不建議治療，例如圖中紅色區塊為危險區域，屬禁止施打之區域，若在該處發送聚焦音波能量，可能會傷害三叉神經的顳部分支(temporal branch of trigeminal nerver)與下頦邊緣神經(marginal mandibular nerve)。(引用自Semin Cutan Med Surg. 2013 Mar;32(1):18-25.)