诊断超声及低声压治疗超声对微泡的作用效果研究

位红芹 马穗红 柳建华

华南理工大学附属二院/广州市第一人民医院超声医学科 (广州 510180)

声场和超声微泡之间的相互作用是超声造影成像过程的关键, 微泡通过径向振动来响应超声场中的正向和负向超声压力波, 在低声压下, 即低于惯性空化的阈值时, 微泡保持持续的振动, 即为稳定空化; 但高于此阈值时, 微泡经历一个微气泡的瞬间崩溃和内爆过程, 即为惯性空化[1]。 不同机械指数诊断超声及不同声压下治疗超声对微泡的推移和破坏程度不同,研究证实, 不同声压对微泡的增强效果差异显著[2-4]。了解不同机械指数及不同声压下微泡的运动方式, 是合理应用微泡的前提, 同时了解微泡与机械指数相关的声学特性, 有利于优化超声造影条件的设置。 本研究通过观察诊断超声及不同声压下的低能量治疗超声作用对微泡的破坏情况, 初步探索微泡发生稳定空化和惯性空化的规律, 为进一步合理利用微泡的空化效应提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

微泡超声造影剂, 成膜材料为脂质, 核心气体为六氟化硫, 浓度约7 ×107个/mL, 纤维素管 (直径4 cm, 容积约15 mL)。

1.2 实验仪器

西门子S2000 型彩色超声诊断仪, 频率为9 MHz线阵探头, 全数字超声波微泡空化治疗仪。

1.3 实验平台

使用S2000 造影分析软件。

1.4 实验方法

将纤维素管固定于支架, 注入浓度约7 ×109个/mL 的微泡约0.01 mL (接近于注射入人体造影剂浓度)。 9 MHz 线阵探头固定于纤维素管上方,调出造影模式, 机械指数分别在 0.04、 0.06、0.08、 0.11、 0.14、 0.19、 0.3、 0.33 条件下, 造影条件下对纤维素管内的超声微泡的偏移情况进行观察, 获得造影视频图像, 时间约30 s。 所有其他的机器参数条件在造影过程中均保持不变 (探头频率9 MHz, 感兴趣区深度为4 cm, 聚焦深度为4 cm)。 采用S2000 造影软件分析随时间改变, 微泡总浓度达峰时间以及微泡的总浓度的改变情况。感兴趣区域的选择 (见图1)。

图1 图像为诊断超声模式下获得的造影图像, 矩形框为选择的感兴趣区域

将纤维素管固定于支架, 微泡浓度同上, 低能量治疗超声分别采用声强为0.15 MPa、 0.2 MPa、0.3 MPa、 0.4 MPa, 频率均为 1 MHz, 占空比为0.20%, 造影模式下获得造影图像, 观察纤维素管内微泡的偏移及破坏情况, 并利用S2000 造影软件分析造影图像。

2 结 果

2.1 机械指数 =0.04、 0.06、 0.08、 0.11、 0.14、0.19 时, S2000 造影分析软件得出, 随时间改变,曲线近似呈平行线状改变, 曲线下面积变化不明显,随着时间的推移, 不同感兴趣区内微泡的总量差异无统计学意义, 微泡的达峰时间无一定的规律。

2.2 机械指数=0.3、 0.33 时, 由造影分析软件得出, 随时间改变, 曲线呈斜线改变, 曲线下面积开始减小, 即微泡浓度降低, 说明在MI ＞0.3 时,诊断超声对微泡开始破坏 (见图3, G、 H 分别为0.3、 0.33 时的造影图像)。

2.3 声强为 0.15 MPa、 0.2 MPa、 0.3 MPa、 0.4 MPa 时, 由造影分析软件得出, 随时间改变, 曲线下面积变化明显, 低剂量治疗超声0.15 MPa 时,曲线下面积随时间增加, 开始缓慢降低, 即微泡浓度缓慢降低, 当声强增加至0.2 MPa 时, 在其开始作用瞬间, 曲线下面积开始急剧减少, 超声微泡浓度急剧下降, 说明低能量治疗超声对微泡具有破坏作用。 声压＜150 kpa 时, 微泡无明显破坏, ＞200 kpa 时, 微泡可见明显破坏, ＞400 kpa 时, 作用瞬间, 微泡明显破坏。

图2 低机械指数下造影曲线图像

图3 高机械指数下造影曲线图像

图4 低剂量治疗超声下造影分析图像

3 讨 论

近年来, 造影剂微泡在临床中的应用大大促进了超声医学的进展, 使超声医学进入了诊断和治疗的新阶段[5]。 超声微泡具有声空化特性[6], 在一定声压和声频下, 液体的中微泡在每个声周期中重复稳定的非线性振动而不发生破裂, 称为稳定空化, 如果声压增加到一定程度, 微泡的这种稳定的振动状态遭到破坏, 经历一个瞬间的崩溃和爆破,即为惯性空化。 本研究初步探讨不同机械指数的诊断超声及低剂量的治疗超声对微泡的作用, 研究其发生稳定空化及惯性空化的情况。

采用低于微泡被击破时的能量的超声波进行的造影称为低机械指数造影。 采用低机械指数成像技术, 既能保持高帧频显像, 又可使微泡破坏程度降到最低。 这种方法可以实现血流连续谐波成像, 也能减少组织谐波的干扰[7]。 本实验结果显示, 低机械指数诊断超声对微泡无明显破坏作用, 随时间增加, 曲线下面积无明显减小, 即微泡总浓度无明显变化, 说明低机械指数时超声波对微泡无破坏作用; 由此说明, 低机械指数对微泡主要起推移作用。 随着机械指数增加至0.11 至0.19 时, 曲线下面积无明显变化, 即此时诊断超声对微泡作用以推移为主。 当增加至0.3、 0.33 时, 微泡总浓度开始显著降低, 说明此时诊断超声对微泡的作用是以破坏为主。 初步可以判断, 机械指数大概在 MI ＜0.20 时, 随着机械指数的增加, 微泡在超声推动下会向对侧运动, 且运动速率随着机械指数的增加而线性增加, 即在机械指数小于0.20 之前, 微泡在超声作用下运动, 在运动一段时间后达到稳定状态, 基本不再变化。 而机械指数大于0.30 后, 微泡在超声作用下迅速向对侧以较大速率运动, 运动至对侧后出现破裂现象。 初步可以判断, 机械系数大概在0.2 以前, 随着机械系数的增加, 微泡在超声推动下会向对侧运动, 微泡并未遭受大范围破坏, 此时发生的空化效应以稳定空化为主。 机械系数大于0.3 后可以发现微泡速率急剧增加, 并出现破裂现象, 推测机械指数大于0.3 时, 微泡空化效应以惯性空化为主, 而0.2 ～0.3 之间时, 则同时发生稳定空化和惯性空化。

同时低能量治疗超声实验结果发现, 在声压0.15 Mpa 时, 曲线下面积随时间增加, 仅开始缓慢降低, 即微泡浓度缓慢降低, 当声强增加至0.2 MPa 时, 在其开始作用瞬间, 曲线下面积开始急剧减少, 超声微泡浓度急剧下降, 说明低能量治疗超声对微泡具有破坏作用。 同时多项研究表明[8-9]:当声压范围在0.15 ～0.3 MPa 时, 微泡发生的为稳定空化和惯性空化。 声压小于0.15 MPa 时, 微泡发生的主要稳定空化。 当声压大于0.4 MPa 时, 发生的主要为惯性空化。 Hwang 等[10]在联合经静脉注射微泡的情况下, 用峰值负压4.5 ～9.0 MPa 脉冲式聚焦超声辐照, 严重损伤兔耳缘静脉壁。

大量研究发现超声辐射力对微泡具有推移作用, Rychak[11]研究发现低声压超声辐射力能提高靶向微泡的粘附性。 研究表明[12-13], 在组织中含有微泡剂时, 低剂量超声即可产生过去高功率超声才能诱导的空化效应, 又可避免和减少高强度超声对周围正常组织的损伤。

本研究模仿大管腔结构, 研究大管腔结构内诊断超声及低能量治疗超声对微泡的作用效果, 目的是为大腔隙器官腔内灌注的靶向治疗提供一定的理论依据。 例如膀胱是一个较大的腔隙, 膀胱肿瘤常用的化疗药容易引起化学性膀胱炎等副作用, 如果在灌注化疗药量较少的前提下, 提高膀胱肿瘤和评估的通透性, 增强化疗药物的前提下而减少副作用是一个临床难题。 利用超声的空化效应携载药微泡为大管腔结构的治疗提供新思路, 不同机械指数、不同声压下对微泡的作用效果同样非常重要, 本研究发现机械指数低于0.2 的诊断超声下及声压低于0.15 MPa 下对微泡的作用以稳定空化为主, 而机械指数大于0.3 诊断超声下及声压高于0.2 MPa 时对微泡作用以惯性空化为主, 以此为理论基础可为利用诊断超声及低能量治疗超声对大管腔结构的超声治疗提供一定的研究依据。