不同机械指数超声对微泡的作用

位红芹，付伸伸，马穗红，邱春花，柳建华

(华南理工大学附属第二医院 广州市第一人民医院超声医学科，广东 广州 510180)

微泡造影剂能被超声击破，其击破率随机械指数增加而增加。采用低机械指数成像技术，既能保持高帧频显像，又可降低微泡破坏程度。在一定机械指数下，超声作用会降低微泡的稳定性，机械指数不同，超声对微泡的推移和破坏程度不同。本研究观察不同机械指数下超声对微泡造影剂的作用。

1 材料与方法

1.1 实验材料 注射用六氟化硫微泡超声造影剂(声诺维)，成膜材料为脂质，以生理盐水将其稀释至浓度约7×107个/ml；纤维塑料管(直径4 cm，容积约15 ml，厚度1 mm)。

1.2 仪器与方法 采用Siemens S2000型彩色多普勒超声诊断仪，线阵探头，频率9 MHz。将纤维管固定于自备支架上，向管内注满生理盐水，之后注入0.01 ml浓度约7×107个/ml的微泡。将超声探头固定于纤维管上方，启动造影模式，ROI深度为4 cm，聚焦深度为4 cm，机械指数分别取0.04、0.06、0.11、0.14、0.17、0.22、0.30、0.38及0.43，采集造影视频图像，观察纤维管内超声微泡偏移情况。

1.3 图像分析 采用Matlab及MicrosoftVisual Studio 2010软件获取微泡运动曲线。以矩形选框截取图像，其中的虚线为微泡浓度等分线，将矩形选框分为上下两个部分，并保证上下选框中亮度相等；通过测量虚线的位置得到微泡运动趋势(图1)。以时间为横坐标、软件计算值y值为纵坐标，获得微泡运动曲线，并采用多项式拟合该运动曲线。根据各机械系数下微泡运动曲线得到微泡运动速率，以机械指数为自变量、微泡运动速率为因变量，采用多项式拟合微泡运动速率曲线，预测不同机械指数下微泡运动情况。

图1 微泡运动规律分析原理 A.于CEUS图像中截取矩形选框； B～D.微泡运动示意图：微泡未运动时分布状态(B)，若虚线向一侧运动，则提示微泡向该侧运动，该方向上微泡浓度越大(C、D)

2 结果

2.1 微泡运动曲线 机械指数较小如0.04、0.06时，等分线多邻近初始位置，微泡运动不明显，运动速率较小。机械系数增大至0.11、0.14时，虚线位置变化明显，y值不断增大。机械系数继续增大至0.17、0.22时，y值不断增大，且达到某一位置后不再增加；机械系数增大至0.30、0.43时，y值增大至最大值后减小。见图2。

图2 不同机械指数下微泡运动曲线 机械指数分别为0.04、0.06、0.11、0.14、0.17、0.22、0.30及0.43(A～H)时的微泡运动曲线

2.2 微泡运动速率 不同机械指数下微泡运动速率见表1；拟合曲线见图3。机械指数在0.22前各点分布较均匀。进一步对机械指数0.04、0.06、0.11、0.14、0.17及0.22下的微泡速率进行拟合，得到的曲线呈线性，见图4。

表1 不同机械指数下微泡运动速率

图3 不同机械指数下微泡运动拟合曲线 (蓝点为表1中各点)

图4 机械指数≤0.22时微泡运动拟合曲线 (蓝点为表1中各点)

3 讨论

微泡造影剂的声学特性不断地被认识并用于实践，了解微泡与机械指数相关的声学特性有利于优化设置超声造影(contrast enhanced ultrasound， CEUS)条件。声场和微泡造影剂之间的相互作用是CEUS成像的关键[1-2]。超声微泡造影剂具有较强的抗压能力和较弱的抗牵张力。超声为正负压交替的疏密机械波，在声场中超声波的照射引起造影剂振动、压缩和膨胀，低声能时可引起微泡振动，声能达到一定强度则可致微泡破裂[3-5]。本研究以纤维塑料管模拟体内大管腔结构，观察不同机械指数下诊断超声对其内微泡的作用规律，以期为靶向治疗大腔隙器官疾病如膀胱癌提供实验依据。

空化效应包括稳态空化和惯性空化[6-7]。低声压下，微泡的径向振荡受声压控制，沿平衡半径左右多次振荡，在振荡微泡周围产生辐射压力和微束流；微泡随声压以其半径为平衡半径做周期性振荡运动，称为稳态空化。当作用声强增大，微泡振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时，微泡振动转而由其周围媒质的惯性所控制，即为惯性空化。多项研究[8-9]结果表明，当声压范围为0.15～0.30 MPa时，微泡可能同时发生稳定空化和惯性空化；声压<0.15 MPa时，微泡主要发生稳定空化效应；声压>0.45 MPa时，微泡主要发生惯性空化效应。

本研究通过观察微泡偏移及破坏作用以确定微泡所发生空化效应的类型，结果显示，机械指数≤0.22时，随着机械指数增加，y值不断增大，达到某一位置后不再增加，提示微泡在超声推动下向对侧运动，且运动一段时间后达到稳定状态基本不再变化，即微泡处于以推移为主的稳态空化状态；机械指数继续增大，≥0.30后y值增至最大值后减小，提示机械系数达到一定程度时，微泡初始时有较大幅度运动，继而有微泡发生破裂，即微泡处于以破裂为主的惯性空化效应。

除常规造影谐波成像外，CEUS技术还包括间歇式超声成像、能量对比谐波成像、反脉冲谐波成像、受激声波发射成像、低机械指数成像及造影剂爆破成像等。不同机械指数的诊断超声对微泡造影剂的作用存在显著区别，且具有规律性，以此为基础调整机械指数，可实现优化造影条件[10-12]。本实验发现，低机械指数下，随时间增加，微泡总浓度、微泡运动速率无明显变化，仅在一定范围内波动，提示低机械指数下超声波对微泡无明显破坏，主要起推移作用；机械指数增加至0.11～0.17时，微泡总浓度未见明显降低，运动速率随时间延长而增加，表明此时超声波对微泡仍以推移作用为主，并随时间增大；机械指数增加至0.22～0.30时，微泡总浓度轻度降低，提示此时超声波已对微泡产生破坏作用，但仍以推移作用为主；微泡在初始时有较大运动，继而速度降低，即微泡开始剧烈运动后发生破坏；机械指数继续增加至0.43时，微泡浓度急剧降低，提示此时超声对微泡的作用以破坏为主。

根据不同机械指数下微泡运动速度曲线，可预测其他机械系数下微泡运动速率。本研究结果显示，机械指数≤0.22时，随着机械系数增加，微泡在超声推动下向对侧运动，且运动速率随机械系数增加而呈线性增加；机械指数>0.22后可能存在一个转折点，此后微泡运动速率急剧增加，甚至出现微泡破裂现象，虽然本组因数据较少无法做出准确判断，但转折点应在0.22～0.30间；根据已有数据推测，在机械指数>0.22后，微泡在超声作用下迅速向对侧以较大速率运动，至对侧后出现破裂现象。

综上，不同机械指数下超声对微泡造影剂的作用存在区别，低机械指数时以推移作用为主，高机械指数时以破坏为主，以此为基础可最大程度利用诊断超声作用，为治疗大管腔结构病变提供实验依据。本研究的局限性：①机械指数>0.3的数据相对较少，需进一步观察大机械指数对微泡的影响；②主要采用Matlab软件进行分析，应利用更多实验平台对结果加以验证。