空化效應(yīng)對高強度聚焦超聲產(chǎn)生的組織損傷的影響

于 潔 屠 娟 章 東

(1.江蘇省中醫(yī)院信息工程部，南京，210029； 2. 南京大學(xué)聲學(xué)研究所，南京，210093)

引 言

高強度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound, HIFU)作為一種新興的現(xiàn)代療法，使超聲的能量在毫米級聚焦區(qū)被局部吸收，可以引起局部組織壞死或燒灼出血點而不損害其他組織，其在非侵入性癌癥的治療方面具有廣闊的前景。目前大多數(shù)HIFU治療中都使用了非常高的聲強，并將由此產(chǎn)生高溫[1-4]，因此必須重視并確保HIFU治療安全性。在HIFU治療的過程中，大幅度的稀疏壓力振幅可以使周圍組織在足夠張力的前提下，迅速形成充滿氣體和蒸汽的空腔，而隨后的超聲波聚焦將使這些氣泡產(chǎn)生聲空化[5-7]。目前已經(jīng)證明超聲焦域存在空化，而且可以使組織加熱率穩(wěn)步提高[8-12]。因此可以認為，提高加熱速率能夠促進損傷形成，但該過程的完成依賴于聚焦的超聲參數(shù)[1-2]。

HIFU是一個多參數(shù)物理系統(tǒng)，其中聲壓、脈沖長度及平均重復(fù)頻率(Pulse recurrence frequency，PRF)等參數(shù)會對溫度及組織損傷形成造成影響。Khokhlova等從理論及實驗兩方面研究了非線性聲傳播、汽化泡及空化泡對HIFU治療中組織損傷形成的影響[13]。研究表明熱效應(yīng)產(chǎn)生的組織損傷是橢圓形，而空化效應(yīng)產(chǎn)生的組織損傷會成為“蝌蚪”形。盡管文獻[13]研究表明汽化泡及空化泡對組織損傷的形成有影響，但缺乏空化泡對組織損傷影響的定量研究。

本文將通過空化效應(yīng)的定量測量，以定量探討空化效應(yīng)對組織損傷形成的影響。首先理論上采用KZK非線性方程和Pennes生物傳熱模型，模擬了不同超聲激勵參數(shù)的HIFU熱效應(yīng)產(chǎn)生的組織損傷。然后在實驗中改變脈沖長度和聲壓，比較實驗與理論上產(chǎn)生的損傷形成。最后采用B型成像系統(tǒng)定量監(jiān)測產(chǎn)生的聲空化，從而定量分析空化效應(yīng)對損傷形成的影響。

1 理論與方法

1.1 非線性聲學(xué)與生物傳熱模型

溫升及熱致組織損傷的仿真中采用廣泛使用的非線性KZK方程來描述組織的非線性超聲傳播[14]，表達式為

(1)

式中：等式右邊3項分別代表衍射、衰減、非線性效應(yīng)；p,ρ0,c0，b和β分別代表聲壓、傳播介質(zhì)密度、聲波速度、耗散參數(shù)和非線性系數(shù)；直角坐標(biāo)系的拉普拉斯算符為 Δ⊥=?2/?x2+?2/?y2；t′=t-z/c0代表滯后時間；z代表沿聲軸的坐標(biāo)。

(2)

(3)

式中：Cn(z,r)代表第n個諧波分量的復(fù)振幅；ω代表HIFU脈沖的基頻。

HIFU的熱效應(yīng)使目標(biāo)區(qū)域的局部溫度升高，采用生物傳熱Pennes生物傳熱方程模擬軟組織的溫度上升[16-17]，Pennes方程的形式如下

(4)

(5)

根據(jù)溫度的分布，按照式(6)計算熱損傷劑量[18]。

(6)

式中：t43為43 ℃時的熱劑量等效時間；tf為加熱結(jié)束的時間。此公式為經(jīng)驗公式，其物理意義是將熱劑量等效為生物組織在43 ℃下熱療的時間。

在仿真計算中，假定凝膠在聲學(xué)性能和熱性能方面都是均勻的。計算到40個諧波為止，使用dr=0.1 mm,dz=0.04 mm的網(wǎng)格間距，并將dt=0.01 s的時間差值作為數(shù)值精度與計算成本之間的折衷。凝膠仿體的聲學(xué)和熱學(xué)參量為[19-20]：ρ0=1 040 kg·m-3,c0=1 542 m·s-1，C = 4 500 W·s·m-3·℃-1，k=0.6 W·m-1·C-1,α=2.3 Np·m-1,β=4.2,μ=1.1。組織肝臟樣本的物理參數(shù)：ρb=1 050 kg·m-3,cb=1 596 m·s-1，Cb=3 800 W·s·m-3·°C-1，kb=0.6 W·m-1·C-1,αb=4.5 Np·m-1,βb=6,μb=1.266。

1.2 樣品的制備

實驗中參考Takegami等提出的配方[21]，使用含蛋清的光學(xué)透明聚丙烯酰胺凝膠作為仿組織體模：每100 ml混合液由43.1 ml除氣水、30 ml蛋清、26.2 ml 40%體積比的丙烯酰胺(Acrylamide)水溶液、0.5 ml的10%過硫酸銨水溶液以及0.2 ml四甲基乙二胺(TEMED)。

用直徑0.045 mm孔隙的不銹鋼篩網(wǎng)將蛋清過濾3次，然后以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min。將液體放進冰箱靜置，直至冷卻至43 ℃，這樣可以避免聚合反應(yīng)釋放的熱能所引起的變性。將冷卻后的蛋清液體加入到濃度為40%(質(zhì)量體積比)的丙烯酰胺(Amresco Inc. 美國)及濃度為1.3%(質(zhì)量體積比)雙甲基丙烯酰胺的混合溶液中充分攪拌；再加入過硫酸氨(Amresco Inc. 美國)溶液，加入除氣水后充分攪拌混合均勻，最后加入四甲基二乙胺(TEMED，Amresco Inc. 美國)加速聚合反應(yīng)，將混合溶液倒入成型容器中，在室溫下靜置30 min后自然凝固成透明仿體。在超聲照射下，雞蛋清溫度上升至58 ℃后，即呈白色不透明狀。

實驗中組織樣品取自本地屠宰場當(dāng)天出產(chǎn)的新鮮牛肝。將樣本均勻切割成10 cm×10 cm×4 cm大小，除氣后放入樣本架，然后浸在生理鹽水中，用HIFU在距樣本前1.5 cm處進行聚焦輻照。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of experimental system

1.3 實驗系統(tǒng)

圖1是實驗系統(tǒng)的示意圖。采用函數(shù)發(fā)生器(33250A，Agilent，Santa Clara，CA)產(chǎn)生PRF為100 Hz、脈沖長度為20個周期的1.12 MHz正弦波信號激勵信號，經(jīng)過增益為55 dB的寬帶功率放大器(A-150，Electronic Navigation Industries，Rochester，NY)放大后驅(qū)動HIFU換能器。HIFU聲源聲壓的較準及聲壓測量采用一個直徑為0.6 mm和頻率上限為20 MHz的寬帶針?biāo)犉?TNU0001A， NTR， Seattle， WA)來完成?；诒粍涌栈瘷z測(Passive cavitation detection, PCD)技術(shù)，在不干擾HIFU超聲聲場的情況下獲取空化氣泡的活動信息。實驗過程中，采用B型超聲波掃描儀的5C2-A掃描頭(Terasont3000, Division of Teratech Co., Burlinton, MA)監(jiān)測HIFU引起的空化。為防止掃描頭表面產(chǎn)生空化泡群，將掃描頭置于一個薄塑料套內(nèi)(ATL/Philips, Bothell, WA)，并在塑料套內(nèi)填滿超聲耦合劑。在PC端Labview軟件(NI Corp., TX)的操控下，使掃描頭隨著線性三軸機械掃描系統(tǒng)(Newport ESP7000，USA)移動到焦平面，以此使用B超探頭對空化現(xiàn)象進行觀察。

損傷實驗所用的仿體組織(或聲場測量時的水聽器)置于HIFU換能器的焦點處，其位置或平面掃描可通過計算機控制精密機械掃描系統(tǒng)(MM3000，Newport，美國)實現(xiàn)。用B超掃描觀察HIFU引起的空化區(qū)，然后用計算機記錄B超圖像以便于進一步的圖像處理和分析。

1.4 實驗方案

實驗中使用兩種不同超聲作用參數(shù)的HIFU脈沖對生物組織凝膠仿體和肝臟組織進行輻照。兩種超聲作用參數(shù)如下：(1)聲壓幅值在6.25～9.92 MPa之間變化，脈沖長度固定在2 000個周期；(2)脈沖長度在2 000～6 000個周期之間變化，聲壓幅值固定為7.5 MPa。

完成凝膠的HIFU輻照后，用數(shù)碼相機(NEX-6，索尼，日本)拍攝徑向和軸向的截面圖像。然后，使用Image J軟件(NH，USA)對損傷的截面圖像進行輪廓勾勒。完成肝臟組織的HIFU輻照后，將組織層層切開，得到最大的熱損傷剖面切片；將切片置入37 ℃的1%氯化三苯基四氮唑(TTC)溶液中，當(dāng)組織中出現(xiàn)清晰的熱凝固性壞死邊界后，用生理鹽水清洗樣本，并拍攝照片。參照像素和實際長度之間的比例，根據(jù)輪廓的像素對損傷區(qū)域的截面進行最后的量化工作。對各種超聲作用參數(shù)進行3次重復(fù)實驗。

圖2 HIFU(脈沖長度固定為2 000個周期，聲壓可變)作用凝膠仿體的徑向和軸向損傷截面Fig．2 Radial and axial sections of lesion size when the gel being exposed to HIFU with the same pulse length of 2 000 cycles and variable acoustic driving pressure

圖3 HIFU(聲壓固定為7.5 MPa，脈沖長度可變)作用凝膠仿體的徑向和軸向損傷截面Fig．3 Radial and axial sections of lesion size when the gel being exposed to HIFU with the same acoustic driving pressure of 7.5 MPa and variable pulse length

2 結(jié)果與討論

2.1 HIFU引起的凝膠損傷

采用脈沖寬度固定但聲壓變化，聲壓固定但脈沖寬度可變兩種不同的聲學(xué)條件作用凝膠仿體，隨之產(chǎn)生非對稱蝌蚪形損傷，損傷的形狀大體呈錐形，邊界分明。圖2，3分別顯示了聲壓變化而脈沖長度固定(2 000個周期)，以及脈沖長度變化而聲壓固定(7.5 MPa)的情況下，HIFU所引起損傷的徑向及軸向截面圖像。較大的聲壓或脈沖長度會產(chǎn)生較大區(qū)域面積的損傷，但脈沖長度或聲壓振幅的增加引起的損傷面積的加速率卻并不一致。圖2中，隨著聲壓振幅從6.25 MPa增加到9.92 MPa，損傷的徑向和軸向截面面積均表現(xiàn)為顯著的增加，但在圖3中，隨著脈沖長度從2 000個周期增加到6 000個周期，損傷的徑向截面面積變化不大，只有軸向截面面積顯著增加。

圖4顯示的是不同參數(shù)下空化區(qū)域的軸向截面面積隨時間的變化。一旦HIFU開始，空化區(qū)域的像素急劇上升，在HIFU之后開始緩慢上升與波動。

圖4 空化面積隨時間的變化Fig．4 Change of cavitation area with time

圖5 凝膠仿體中計算與實驗測量的損傷面積Fig．5 Experimental and numerical results of the area of lesion region in gel

為了定量研究損傷面積隨超聲激振參數(shù)的變化情況，在圖像處理后對其軸向和徑向的截面面積進行量化。圖5顯示了損傷區(qū)域的軸向和徑向截面隨聲壓或脈沖長度的變化，其中實線表示模擬結(jié)果，虛線表示實驗測量數(shù)據(jù)。圖5(a)為脈沖長度固定在2 000個周期，聲壓變化；而圖5(b)為聲壓振幅固定在7.5 MPa時，脈沖長度變化。由圖可見，隨著聲壓幅度從6.25 MPa增加到9.92 MPa，或脈沖長度從2 000增加到6 000個周期，計算和測量的損傷徑向截面面積也隨之增加。但軸向截面面積與徑向不同的是，在測量和模擬結(jié)果中，軸向截面面積均表現(xiàn)為很高的加速率。更重要的是，實驗測量和計算模擬的軸向截面面積之間存在明顯的差異，尤其是當(dāng)聲壓和脈沖長度達到相對較高的值時。這種現(xiàn)象的原因?qū)⒃诤竺孢M行討論。

2.2 HIFU引起的肝組織損傷

由于肝臟組織與凝膠仿體不同，具有非透明性，因此肝臟樣本的軸向和徑向截面損傷的圖像不能同時獲得。本文實驗只獲取了相對更有研究意義的損傷軸向截面圖像。圖6,7為肝組織在接受不同聲壓或不同脈沖長度的HIFU輻照時所得損傷的截面圖像。由圖可見，較大聲壓或更長脈沖長度的HIFU輻照中會產(chǎn)生較大面積的損傷，這與凝膠仿體中觀察到的實驗結(jié)果類似。

圖6 HIFU(脈沖長度固定為2 000個周期，不同聲壓)輻照時，肝組織損傷的軸向截面圖像

Fig．6 Axial sections of lesion size when the beef liver being exposed to HIFU with same pulse length of 2 000 cycles and variable acoustic driving pressure

圖7 HIFU(聲壓固定為7.5 MPa，不同脈沖長度)輻照時，肝組織損傷的軸向截面圖像

Fig．7 Axial sections of lesion size when the beef liver being exposed to HIFU with same acoustic driving pressure of 7.5 MPa and variable pulse length

圖8表明計算和測量所得的損傷徑向截面面積，隨著聲壓幅度從7.5 MPa增加到9.92 MPa而逐漸增大，而徑向截面面積與脈沖長度的曲線也表現(xiàn)出類似的趨勢。此外，與凝膠仿體中的損傷相比(圖5)，在相同的超聲作用參數(shù)下，肝臟樣本表現(xiàn)為更大的損傷。這是因為相對于凝膠仿體而言肝臟組織本身具有更高的聲速和更小的比熱容。

圖8 肝組織中計算與實驗測量的損傷面積Fig．8 Experimental and numerical results of the area of lesion region in beef liver

2.3 空化對損傷形成的影響

HIFU引起的空化氣泡云在B超圖像中表現(xiàn)為高回聲區(qū)，本文在實驗中采用B型超聲監(jiān)控系統(tǒng)使上述高回聲區(qū)可視化[22]。如圖9所示，根據(jù)像素完成凝膠仿體和肝臟組織樣本中所產(chǎn)生的最大空化氣泡云區(qū)域的定量計算，并繪制出聲壓和脈沖長度為變量的函數(shù)圖像。隨著聲壓和脈沖長度的增加，聲能沉積上升，產(chǎn)生的空化氣泡也明顯增多。而且與凝膠仿體相比，在肝臟樣本中觀察到的空化更為強烈，可能是由于肝臟樣本自身的不均勻性所致。

圖9 凝膠仿體和肝臟樣本中HIFU引起的空化氣泡云的最大面積Fig．9 The maximum of pixel of cavitation in gel and beef liver caused by HIFU

圖10 仿真模擬與實驗測量值之間的差異與空化的關(guān)系Fig．10 Relationship between the differences within experimental and numerical results and the cavitation

為了研究HIFU所引起的空化在軸向和徑向上對仿真模擬與實驗測量值之間差異的影響，本文對損傷截面面積的匯總數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。如圖10所示，軸向損傷截面面積的偏差與空化的增強之間呈近似線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)p為0.79，而徑向截面的損傷形成與HIFU引起的空化強度沒有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)p為0.42。

上述結(jié)果表明，HIFU引起的空化可以隨著聲學(xué)驅(qū)動參數(shù)的增加而增強(圖9)，超聲焦域的聲空化能夠大幅提高組織加熱速率(圖10)，這與以前的研究結(jié)論一致[23-24]。但是，當(dāng)聲學(xué)驅(qū)動參數(shù)(如焦點聲壓或脈沖長度)增加到一定水平時，隨之增強到一定程度的空化效應(yīng)就會因為大量氣泡的存在而阻礙聲波傳播，并會產(chǎn)生更多復(fù)雜而不可控的生物效應(yīng)，減弱聲場傳遞給目標(biāo)區(qū)域即聚焦域的超聲能量，最終對HIFU引起的熱損傷反而會造成負面影響，減弱HIFU的治療效應(yīng)。從凝膠實驗的結(jié)果來看，當(dāng)聲壓不超過約9 MPa或脈沖長度不超過約3 800 個周期時，空化效應(yīng)對HIFU治療效果有增強作用，具體體現(xiàn)在實驗測得的HIFU損傷面積值超過模擬仿真的計算值；而當(dāng)聲壓大于約9 MPa或脈沖長度大于約3 800個周期時會產(chǎn)生過度空化，并對HIFU治療效果產(chǎn)生抑制，具體體現(xiàn)在此時損傷面積的實驗值小于模擬仿真的計算值。而且，引起過度空化的聲學(xué)驅(qū)動參數(shù)閾值的測定是一個復(fù)雜的過程，還需要更進一步的實驗研究。

3 結(jié)束語

空化氣泡能加速損傷區(qū)域的形成和發(fā)展，且在不同聲壓下，會產(chǎn)生不同種類的損傷形狀[13]。本文針對凝膠仿體和體外肝臟組織樣本，根據(jù)多種聲激勵參數(shù)(聲壓振幅和脈沖長度)，從理論及實驗兩方面研究了空化對HIFU溫升和損傷形成的影響。結(jié)果表明：

(1)較大的聲壓或較長的脈沖長度可以使焦域產(chǎn)生較高的溫度，導(dǎo)致較大面積的損傷。

(2)HIFU引起的空化氣泡云能夠顯著影響軸向損傷的形成，而徑向損傷的形成則與空化的相關(guān)性較低，因此使用理論模型更容易進行模擬。

(3)過度空化對于HIFU引起的組織加熱和損傷形成可能是有害的，因為這可能會導(dǎo)致HIFU治療產(chǎn)生無法控制的生物效應(yīng)。

本文的研究結(jié)果將有助于更好地了解空化效應(yīng)對HIFU的溫升和熱損傷形成的影響，有助于實現(xiàn)更安全而有效的HIFU治療。