不同機械指數(shù)超聲對微泡的作用

位紅芹，付伸伸，馬穗紅，邱春花，柳建華

(華南理工大學(xué)附屬第二醫(yī)院 廣州市第一人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，廣東 廣州 510180)

微泡造影劑能被超聲擊破，其擊破率隨機械指數(shù)增加而增加。采用低機械指數(shù)成像技術(shù)，既能保持高幀頻顯像，又可降低微泡破壞程度。在一定機械指數(shù)下，超聲作用會降低微泡的穩(wěn)定性，機械指數(shù)不同，超聲對微泡的推移和破壞程度不同。本研究觀察不同機械指數(shù)下超聲對微泡造影劑的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 注射用六氟化硫微泡超聲造影劑(聲諾維)，成膜材料為脂質(zhì)，以生理鹽水將其稀釋至濃度約7×107個/ml；纖維塑料管(直徑4 cm，容積約15 ml，厚度1 mm)。

1.2 儀器與方法 采用Siemens S2000型彩色多普勒超聲診斷儀，線陣探頭，頻率9 MHz。將纖維管固定于自備支架上，向管內(nèi)注滿生理鹽水，之后注入0.01 ml濃度約7×107個/ml的微泡。將超聲探頭固定于纖維管上方，啟動造影模式，ROI深度為4 cm，聚焦深度為4 cm，機械指數(shù)分別取0.04、0.06、0.11、0.14、0.17、0.22、0.30、0.38及0.43，采集造影視頻圖像，觀察纖維管內(nèi)超聲微泡偏移情況。

1.3 圖像分析 采用Matlab及MicrosoftVisual Studio 2010軟件獲取微泡運動曲線。以矩形選框截取圖像，其中的虛線為微泡濃度等分線，將矩形選框分為上下兩個部分，并保證上下選框中亮度相等；通過測量虛線的位置得到微泡運動趨勢(圖1)。以時間為橫坐標(biāo)、軟件計算值y值為縱坐標(biāo)，獲得微泡運動曲線，并采用多項式擬合該運動曲線。根據(jù)各機械系數(shù)下微泡運動曲線得到微泡運動速率，以機械指數(shù)為自變量、微泡運動速率為因變量，采用多項式擬合微泡運動速率曲線，預(yù)測不同機械指數(shù)下微泡運動情況。

圖1 微泡運動規(guī)律分析原理 A.于CEUS圖像中截取矩形選框； B～D.微泡運動示意圖：微泡未運動時分布狀態(tài)(B)，若虛線向一側(cè)運動，則提示微泡向該側(cè)運動，該方向上微泡濃度越大(C、D)

2 結(jié)果

2.1 微泡運動曲線 機械指數(shù)較小如0.04、0.06時，等分線多鄰近初始位置，微泡運動不明顯，運動速率較小。機械系數(shù)增大至0.11、0.14時，虛線位置變化明顯，y值不斷增大。機械系數(shù)繼續(xù)增大至0.17、0.22時，y值不斷增大，且達到某一位置后不再增加；機械系數(shù)增大至0.30、0.43時，y值增大至最大值后減小。見圖2。

圖2 不同機械指數(shù)下微泡運動曲線 機械指數(shù)分別為0.04、0.06、0.11、0.14、0.17、0.22、0.30及0.43(A～H)時的微泡運動曲線

2.2 微泡運動速率 不同機械指數(shù)下微泡運動速率見表1；擬合曲線見圖3。機械指數(shù)在0.22前各點分布較均勻。進一步對機械指數(shù)0.04、0.06、0.11、0.14、0.17及0.22下的微泡速率進行擬合，得到的曲線呈線性，見圖4。

表1 不同機械指數(shù)下微泡運動速率

圖3 不同機械指數(shù)下微泡運動擬合曲線 (藍點為表1中各點)

圖4 機械指數(shù)≤0.22時微泡運動擬合曲線 (藍點為表1中各點)

3 討論

微泡造影劑的聲學(xué)特性不斷地被認識并用于實踐，了解微泡與機械指數(shù)相關(guān)的聲學(xué)特性有利于優(yōu)化設(shè)置超聲造影(contrast enhanced ultrasound， CEUS)條件。聲場和微泡造影劑之間的相互作用是CEUS成像的關(guān)鍵[1-2]。超聲微泡造影劑具有較強的抗壓能力和較弱的抗?fàn)繌埩Α３暈檎搲航惶娴氖杳軝C械波，在聲場中超聲波的照射引起造影劑振動、壓縮和膨脹，低聲能時可引起微泡振動，聲能達到一定強度則可致微泡破裂[3-5]。本研究以纖維塑料管模擬體內(nèi)大管腔結(jié)構(gòu)，觀察不同機械指數(shù)下診斷超聲對其內(nèi)微泡的作用規(guī)律，以期為靶向治療大腔隙器官疾病如膀胱癌提供實驗依據(jù)。

空化效應(yīng)包括穩(wěn)態(tài)空化和慣性空化[6-7]。低聲壓下，微泡的徑向振蕩受聲壓控制，沿平衡半徑左右多次振蕩，在振蕩微泡周圍產(chǎn)生輻射壓力和微束流；微泡隨聲壓以其半徑為平衡半徑做周期性振蕩運動，稱為穩(wěn)態(tài)空化。當(dāng)作用聲強增大，微泡振蕩幅度可與其平衡尺寸相比擬時，微泡振動轉(zhuǎn)而由其周圍媒質(zhì)的慣性所控制，即為慣性空化。多項研究[8-9]結(jié)果表明，當(dāng)聲壓范圍為0.15～0.30 MPa時，微泡可能同時發(fā)生穩(wěn)定空化和慣性空化；聲壓<0.15 MPa時，微泡主要發(fā)生穩(wěn)定空化效應(yīng)；聲壓>0.45 MPa時，微泡主要發(fā)生慣性空化效應(yīng)。

本研究通過觀察微泡偏移及破壞作用以確定微泡所發(fā)生空化效應(yīng)的類型，結(jié)果顯示，機械指數(shù)≤0.22時，隨著機械指數(shù)增加，y值不斷增大，達到某一位置后不再增加，提示微泡在超聲推動下向?qū)?cè)運動，且運動一段時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)基本不再變化，即微泡處于以推移為主的穩(wěn)態(tài)空化狀態(tài)；機械指數(shù)繼續(xù)增大，≥0.30后y值增至最大值后減小，提示機械系數(shù)達到一定程度時，微泡初始時有較大幅度運動，繼而有微泡發(fā)生破裂，即微泡處于以破裂為主的慣性空化效應(yīng)。

除常規(guī)造影諧波成像外，CEUS技術(shù)還包括間歇式超聲成像、能量對比諧波成像、反脈沖諧波成像、受激聲波發(fā)射成像、低機械指數(shù)成像及造影劑爆破成像等。不同機械指數(shù)的診斷超聲對微泡造影劑的作用存在顯著區(qū)別，且具有規(guī)律性，以此為基礎(chǔ)調(diào)整機械指數(shù)，可實現(xiàn)優(yōu)化造影條件[10-12]。本實驗發(fā)現(xiàn)，低機械指數(shù)下，隨時間增加，微泡總濃度、微泡運動速率無明顯變化，僅在一定范圍內(nèi)波動，提示低機械指數(shù)下超聲波對微泡無明顯破壞，主要起推移作用；機械指數(shù)增加至0.11～0.17時，微泡總濃度未見明顯降低，運動速率隨時間延長而增加，表明此時超聲波對微泡仍以推移作用為主，并隨時間增大；機械指數(shù)增加至0.22～0.30時，微泡總濃度輕度降低，提示此時超聲波已對微泡產(chǎn)生破壞作用，但仍以推移作用為主；微泡在初始時有較大運動，繼而速度降低，即微泡開始劇烈運動后發(fā)生破壞；機械指數(shù)繼續(xù)增加至0.43時，微泡濃度急劇降低，提示此時超聲對微泡的作用以破壞為主。

根據(jù)不同機械指數(shù)下微泡運動速度曲線，可預(yù)測其他機械系數(shù)下微泡運動速率。本研究結(jié)果顯示，機械指數(shù)≤0.22時，隨著機械系數(shù)增加，微泡在超聲推動下向?qū)?cè)運動，且運動速率隨機械系數(shù)增加而呈線性增加；機械指數(shù)>0.22后可能存在一個轉(zhuǎn)折點，此后微泡運動速率急劇增加，甚至出現(xiàn)微泡破裂現(xiàn)象，雖然本組因數(shù)據(jù)較少無法做出準(zhǔn)確判斷，但轉(zhuǎn)折點應(yīng)在0.22～0.30間；根據(jù)已有數(shù)據(jù)推測，在機械指數(shù)>0.22后，微泡在超聲作用下迅速向?qū)?cè)以較大速率運動，至對側(cè)后出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

綜上，不同機械指數(shù)下超聲對微泡造影劑的作用存在區(qū)別，低機械指數(shù)時以推移作用為主，高機械指數(shù)時以破壞為主，以此為基礎(chǔ)可最大程度利用診斷超聲作用，為治療大管腔結(jié)構(gòu)病變提供實驗依據(jù)。本研究的局限性：①機械指數(shù)>0.3的數(shù)據(jù)相對較少，需進一步觀察大機械指數(shù)對微泡的影響；②主要采用Matlab軟件進行分析，應(yīng)利用更多實驗平臺對結(jié)果加以驗證。