hifu所致焦域处凝固性坏死与气泡活动动态变化规律研究

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1、HIFU所致焦域处凝固性坏死与气泡活动动态变化规律研究前言高强度聚焦超声（highintensityfocusedultrasound,HIFU）是近些年迅速发展的一种非侵入性治疗技术，它利用超声波良好的聚焦性能，把体外低能量密度的超声波通过一定的技术聚焦到体内很小一点，组织在超声波的热效应和空化效应等作用下瞬时温升，从而产生不可逆的坏死[1]。在一定的影像手段引导下，HIFU辐照可产生与靶区适形度良好的凝固性坏死。由于其良好的安全性和有效性，目前已用于多种疾病的临床治疗，并且取得了良好的疗效[2-5]。凝固性坏死的形成机制复杂，热效应和空化效应在治疗中发挥着非常重要的

2、作用。凝固性坏死形成的首要机制是热效应，由于超声波具有可聚焦性、组织穿透性和能量沉积性，进入人体的超声波穿过组织时被部分吸收，造成靶区温度在短时间内迅速上升，引起蛋白变性，形成不可逆的凝固性坏死。焦域处温度上升至接近沸点时，空穴内的液体在高热作用下变为蒸汽泡，Mclaughlan等[6]指出当液体的蒸汽压等于周围液体静压力时，不需要达到沸点即可发生沸腾，并将这种现象称为沸腾空化。Khokhlova[7]等通过磁共振成像技术研究HIFU辐照过程中焦域处的温升，发现连续超声辐照7s后，最高温度达73℃，而此时的MR图像显示已有气泡产生，这说明此时沸腾已经发生。HIFU的另一

3、重要生物学效应是空化，超声空化是指声致气泡各种形式的活性，即液体中存在的空化核在超声激励下，所表现出的振荡、增长、破裂和崩溃等一系列活动，当超声激励频率接近气泡的共振半径时，气泡的振动幅度达最大，这种形式的空化称为稳态空化，稳态空化最重要的方面是形成小范围的液体流，称为空化微声流[8,9]。当入射声强较高时，气泡活性更为复杂和激烈，空化核在声波的负声压周期内迅速膨胀，在正声压周期内又被压缩，迅速缩小以至崩溃，这一剧烈的气泡动力学行为被称为惯性空化，由于惯性空化的发生非常剧烈，常伴随高温、高压、声致发光、冲击波以及高速射流等现象[1]。在空化发生过程中，空化泡振荡发出丰富

4、的声信息：基波、谐波、次谐波、超谐波和宽带噪声[10]。超声的非线性传播也会产生谐波信息，通常认为非谐波的宽带噪声是惯性空化发生的标志，而次谐波是稳态空化的标志[11,12]。因此，基于声信息检测的主动空化检测（ActiveCavitationDetection,ACD）技术和被动空化检测（PassiveCavitationDetection,PCD）技术常被用于辐照过程中的空化活动检测。沸腾泡内部的压力在外界温升的作用下增大，气泡直径变大，其尺寸是由共振引起的空化泡直径的10~100倍，因此沸腾泡不能共振，也就不能产生高频宽带噪声。在组织中，可听声、HIFU功率波动以

5、及B超声像上的强回声图都能有效地检测沸腾的发生[8,13]，还有研究表明PCD所检测到的四次谐波的发生与沸腾发生有良好的相关性[6]。目前关于凝固性坏死形成机制的研究大多是结合辐照过程中的温升、B超强回声、空化[14-16]等信息进行的，把凝固性坏死实时增长过程同该过程中的空化信息、B超强回声的时变过程对应起来进行分析的研究则非常少，然而空化在凝固性坏死形成中的作用却非常重要，有研究证明可以通过调节辐照参数来控制空化的发生与否[17]，从而得到不同类型的损伤。目前，高速摄像技术已经用于HIFU辐照过程的相关研究，其具有的高帧率性能使实时凝固性坏死及气泡活动观察成为可能。

6、基于以上背景，本文从可视化分析角度出发，在两个方面着手研究了凝固性坏死形成机制，一是同步采集凝固性坏死的形成过程和该过程中的空化信息，分析凝固性坏死增长规律及其与空化的关系。二是用高速摄像机联合体视显微镜对凝固性坏死形成过程进行摄像，在相同辐照条件下分别用被动空化检测系统采集焦域处辐射出的声信息，用B超仪获取实时声像图，结合三者对气泡活动进行分析。第一部分：HIFU辐照牛眼晶状体所致凝固性坏死的时变规律与声空化研究空化在增强热效应方面效果显著[18]。Coussios等[9]通过实验研究发现气泡（空化泡）的出现会显著改变组织的声阻抗，而声衰减系数也随着损伤程度的变大而增

7、大。Yang等[19]认为由于小的气泡仅能持续数个周期，只有稳定的气泡对热有贡献。作为一种能量转换媒介，气泡通过振荡将声能转化为机械能，又通过粘滞吸收，将机械能转化为热能，无论气泡线性振荡还是非线性振荡，对入射声波来说，它们都是很强的散射点。在空化泡的崩溃过程中，空化核会以宽带噪声的形式向周围组织中辐射能量，高次谐波有着更弱的反射效应却更易被组织吸收产热。HIFU过程中，有两种非线性现象：非线性传播和HIFU引起的空化[8,20]。这两种效应都能加速损伤的形成和增长，在损伤开始形成时，温升的增强主要于非线性传播而非空化[21]，Liu等[