診斷超聲及低聲壓治療超聲對(duì)微泡的作用效果研究

位紅芹 馬穗紅 柳建華

華南理工大學(xué)附屬二院/廣州市第一人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科 (廣州 510180)

聲場和超聲微泡之間的相互作用是超聲造影成像過程的關(guān)鍵, 微泡通過徑向振動(dòng)來響應(yīng)超聲場中的正向和負(fù)向超聲壓力波, 在低聲壓下, 即低于慣性空化的閾值時(shí), 微泡保持持續(xù)的振動(dòng), 即為穩(wěn)定空化; 但高于此閾值時(shí), 微泡經(jīng)歷一個(gè)微氣泡的瞬間崩潰和內(nèi)爆過程, 即為慣性空化[1]。 不同機(jī)械指數(shù)診斷超聲及不同聲壓下治療超聲對(duì)微泡的推移和破壞程度不同,研究證實(shí), 不同聲壓對(duì)微泡的增強(qiáng)效果差異顯著[2-4]。了解不同機(jī)械指數(shù)及不同聲壓下微泡的運(yùn)動(dòng)方式, 是合理應(yīng)用微泡的前提, 同時(shí)了解微泡與機(jī)械指數(shù)相關(guān)的聲學(xué)特性, 有利于優(yōu)化超聲造影條件的設(shè)置。 本研究通過觀察診斷超聲及不同聲壓下的低能量治療超聲作用對(duì)微泡的破壞情況, 初步探索微泡發(fā)生穩(wěn)定空化和慣性空化的規(guī)律, 為進(jìn)一步合理利用微泡的空化效應(yīng)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

微泡超聲造影劑, 成膜材料為脂質(zhì), 核心氣體為六氟化硫, 濃度約7 ×107個(gè)/mL, 纖維素管 (直徑4 cm, 容積約15 mL)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

西門子S2000 型彩色超聲診斷儀, 頻率為9 MHz線陣探頭, 全數(shù)字超聲波微泡空化治療儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

使用S2000 造影分析軟件。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

將纖維素管固定于支架, 注入濃度約7 ×109個(gè)/mL 的微泡約0.01 mL (接近于注射入人體造影劑濃度)。 9 MHz 線陣探頭固定于纖維素管上方,調(diào)出造影模式, 機(jī)械指數(shù)分別在 0.04、 0.06、0.08、 0.11、 0.14、 0.19、 0.3、 0.33 條件下, 造影條件下對(duì)纖維素管內(nèi)的超聲微泡的偏移情況進(jìn)行觀察, 獲得造影視頻圖像, 時(shí)間約30 s。 所有其他的機(jī)器參數(shù)條件在造影過程中均保持不變 (探頭頻率9 MHz, 感興趣區(qū)深度為4 cm, 聚焦深度為4 cm)。 采用S2000 造影軟件分析隨時(shí)間改變, 微泡總濃度達(dá)峰時(shí)間以及微泡的總濃度的改變情況。感興趣區(qū)域的選擇 (見圖1)。

圖1 圖像為診斷超聲模式下獲得的造影圖像, 矩形框?yàn)檫x擇的感興趣區(qū)域

將纖維素管固定于支架, 微泡濃度同上, 低能量治療超聲分別采用聲強(qiáng)為0.15 MPa、 0.2 MPa、0.3 MPa、 0.4 MPa, 頻率均為 1 MHz, 占空比為0.20%, 造影模式下獲得造影圖像, 觀察纖維素管內(nèi)微泡的偏移及破壞情況, 并利用S2000 造影軟件分析造影圖像。

2 結(jié) 果

2.1 機(jī)械指數(shù) =0.04、 0.06、 0.08、 0.11、 0.14、0.19 時(shí), S2000 造影分析軟件得出, 隨時(shí)間改變,曲線近似呈平行線狀改變, 曲線下面積變化不明顯,隨著時(shí)間的推移, 不同感興趣區(qū)內(nèi)微泡的總量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 微泡的達(dá)峰時(shí)間無一定的規(guī)律。

2.2 機(jī)械指數(shù)=0.3、 0.33 時(shí), 由造影分析軟件得出, 隨時(shí)間改變, 曲線呈斜線改變, 曲線下面積開始減小, 即微泡濃度降低, 說明在MI ＞0.3 時(shí),診斷超聲對(duì)微泡開始破壞 (見圖3, G、 H 分別為0.3、 0.33 時(shí)的造影圖像)。

2.3 聲強(qiáng)為 0.15 MPa、 0.2 MPa、 0.3 MPa、 0.4 MPa 時(shí), 由造影分析軟件得出, 隨時(shí)間改變, 曲線下面積變化明顯, 低劑量治療超聲0.15 MPa 時(shí),曲線下面積隨時(shí)間增加, 開始緩慢降低, 即微泡濃度緩慢降低, 當(dāng)聲強(qiáng)增加至0.2 MPa 時(shí), 在其開始作用瞬間, 曲線下面積開始急劇減少, 超聲微泡濃度急劇下降, 說明低能量治療超聲對(duì)微泡具有破壞作用。 聲壓＜150 kpa 時(shí), 微泡無明顯破壞, ＞200 kpa 時(shí), 微泡可見明顯破壞, ＞400 kpa 時(shí), 作用瞬間, 微泡明顯破壞。

圖2 低機(jī)械指數(shù)下造影曲線圖像

圖3 高機(jī)械指數(shù)下造影曲線圖像

圖4 低劑量治療超聲下造影分析圖像

3 討 論

近年來, 造影劑微泡在臨床中的應(yīng)用大大促進(jìn)了超聲醫(yī)學(xué)的進(jìn)展, 使超聲醫(yī)學(xué)進(jìn)入了診斷和治療的新階段[5]。 超聲微泡具有聲空化特性[6], 在一定聲壓和聲頻下, 液體的中微泡在每個(gè)聲周期中重復(fù)穩(wěn)定的非線性振動(dòng)而不發(fā)生破裂, 稱為穩(wěn)定空化, 如果聲壓增加到一定程度, 微泡的這種穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)遭到破壞, 經(jīng)歷一個(gè)瞬間的崩潰和爆破,即為慣性空化。 本研究初步探討不同機(jī)械指數(shù)的診斷超聲及低劑量的治療超聲對(duì)微泡的作用, 研究其發(fā)生穩(wěn)定空化及慣性空化的情況。

采用低于微泡被擊破時(shí)的能量的超聲波進(jìn)行的造影稱為低機(jī)械指數(shù)造影。 采用低機(jī)械指數(shù)成像技術(shù), 既能保持高幀頻顯像, 又可使微泡破壞程度降到最低。 這種方法可以實(shí)現(xiàn)血流連續(xù)諧波成像, 也能減少組織諧波的干擾[7]。 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 低機(jī)械指數(shù)診斷超聲對(duì)微泡無明顯破壞作用, 隨時(shí)間增加, 曲線下面積無明顯減小, 即微泡總濃度無明顯變化, 說明低機(jī)械指數(shù)時(shí)超聲波對(duì)微泡無破壞作用; 由此說明, 低機(jī)械指數(shù)對(duì)微泡主要起推移作用。 隨著機(jī)械指數(shù)增加至0.11 至0.19 時(shí), 曲線下面積無明顯變化, 即此時(shí)診斷超聲對(duì)微泡作用以推移為主。 當(dāng)增加至0.3、 0.33 時(shí), 微泡總濃度開始顯著降低, 說明此時(shí)診斷超聲對(duì)微泡的作用是以破壞為主。 初步可以判斷, 機(jī)械指數(shù)大概在 MI ＜0.20 時(shí), 隨著機(jī)械指數(shù)的增加, 微泡在超聲推動(dòng)下會(huì)向?qū)?cè)運(yùn)動(dòng), 且運(yùn)動(dòng)速率隨著機(jī)械指數(shù)的增加而線性增加, 即在機(jī)械指數(shù)小于0.20 之前, 微泡在超聲作用下運(yùn)動(dòng), 在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 基本不再變化。 而機(jī)械指數(shù)大于0.30 后, 微泡在超聲作用下迅速向?qū)?cè)以較大速率運(yùn)動(dòng), 運(yùn)動(dòng)至對(duì)側(cè)后出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。 初步可以判斷, 機(jī)械系數(shù)大概在0.2 以前, 隨著機(jī)械系數(shù)的增加, 微泡在超聲推動(dòng)下會(huì)向?qū)?cè)運(yùn)動(dòng), 微泡并未遭受大范圍破壞, 此時(shí)發(fā)生的空化效應(yīng)以穩(wěn)定空化為主。 機(jī)械系數(shù)大于0.3 后可以發(fā)現(xiàn)微泡速率急劇增加, 并出現(xiàn)破裂現(xiàn)象, 推測機(jī)械指數(shù)大于0.3 時(shí), 微泡空化效應(yīng)以慣性空化為主, 而0.2 ～0.3 之間時(shí), 則同時(shí)發(fā)生穩(wěn)定空化和慣性空化。

同時(shí)低能量治療超聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在聲壓0.15 Mpa 時(shí), 曲線下面積隨時(shí)間增加, 僅開始緩慢降低, 即微泡濃度緩慢降低, 當(dāng)聲強(qiáng)增加至0.2 MPa 時(shí), 在其開始作用瞬間, 曲線下面積開始急劇減少, 超聲微泡濃度急劇下降, 說明低能量治療超聲對(duì)微泡具有破壞作用。 同時(shí)多項(xiàng)研究表明[8-9]:當(dāng)聲壓范圍在0.15 ～0.3 MPa 時(shí), 微泡發(fā)生的為穩(wěn)定空化和慣性空化。 聲壓小于0.15 MPa 時(shí), 微泡發(fā)生的主要穩(wěn)定空化。 當(dāng)聲壓大于0.4 MPa 時(shí), 發(fā)生的主要為慣性空化。 Hwang 等[10]在聯(lián)合經(jīng)靜脈注射微泡的情況下, 用峰值負(fù)壓4.5 ～9.0 MPa 脈沖式聚焦超聲輻照, 嚴(yán)重?fù)p傷兔耳緣靜脈壁。

大量研究發(fā)現(xiàn)超聲輻射力對(duì)微泡具有推移作用, Rychak[11]研究發(fā)現(xiàn)低聲壓超聲輻射力能提高靶向微泡的粘附性。 研究表明[12-13], 在組織中含有微泡劑時(shí), 低劑量超聲即可產(chǎn)生過去高功率超聲才能誘導(dǎo)的空化效應(yīng), 又可避免和減少高強(qiáng)度超聲對(duì)周圍正常組織的損傷。

本研究模仿大管腔結(jié)構(gòu), 研究大管腔結(jié)構(gòu)內(nèi)診斷超聲及低能量治療超聲對(duì)微泡的作用效果, 目的是為大腔隙器官腔內(nèi)灌注的靶向治療提供一定的理論依據(jù)。 例如膀胱是一個(gè)較大的腔隙, 膀胱腫瘤常用的化療藥容易引起化學(xué)性膀胱炎等副作用, 如果在灌注化療藥量較少的前提下, 提高膀胱腫瘤和評(píng)估的通透性, 增強(qiáng)化療藥物的前提下而減少副作用是一個(gè)臨床難題。 利用超聲的空化效應(yīng)攜載藥微泡為大管腔結(jié)構(gòu)的治療提供新思路, 不同機(jī)械指數(shù)、不同聲壓下對(duì)微泡的作用效果同樣非常重要, 本研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械指數(shù)低于0.2 的診斷超聲下及聲壓低于0.15 MPa 下對(duì)微泡的作用以穩(wěn)定空化為主, 而機(jī)械指數(shù)大于0.3 診斷超聲下及聲壓高于0.2 MPa 時(shí)對(duì)微泡作用以慣性空化為主, 以此為理論基礎(chǔ)可為利用診斷超聲及低能量治療超聲對(duì)大管腔結(jié)構(gòu)的超聲治療提供一定的研究依據(jù)。