不同機械指數超聲對微泡的作用

位紅芹，付伸伸，馬穗紅，邱春花，柳建華

(華南理工大學附屬第二醫院 廣州市第一人民醫院超聲醫學科，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增加而增加。采用低機械指數成像技術，既能保持高幀頻顯像，又可降低微泡破壞程度。在一定機械指數下，超聲作用會降低微泡的穩定性，機械指數不同，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，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、軟件計算值y值為縱坐標，獲得微泡運動曲線，并采用多項式擬合該運動曲線。根據各機械系數下微泡運動曲線得到微泡運動速率，以機械指數為自變量、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，預測不同機械指數下微泡運動情況。

圖1 微泡運動規律分析原理 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(B)，若虛線向一側運動，則提示微泡向該側運動，該方向上微泡濃度越大(C、D)

2 結果

2.1 微泡運動曲線 機械指數較小如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。機械系數繼續增大至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 不同機械指數下微泡運動曲線 機械指數分別為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 不同機械指數下微泡運動速率見表1；擬合曲線見圖3。機械指數在0.22前各點分布較均勻。進一步對機械指數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 不同機械指數下微泡運動速率

圖3 不同機械指數下微泡運動擬合曲線 (藍點為表1中各點)

圖4 機械指數≤0.22時微泡運動擬合曲線 (藍點為表1中各點)

3 討論

微泡造影劑的聲學特性不斷地被認識并用于實踐，了解微泡與機械指數相關的聲學特性有利于優化設置超聲造影(contrast enhanced ultrasound， CEUS)條件。聲場和微泡造影劑之間的相互作用是CEUS成像的關鍵[1-2]。超聲微泡造影劑具有較強的抗壓能力和較弱的抗牽張力。超聲為正負壓交替的疏密機械波，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大管腔結構，觀察不同機械指數下診斷超聲對其內微泡的作用規律，以期為靶向治療大腔隙器官疾病如膀胱癌提供實驗依據。

空化效應包括穩態空化和慣性空化[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，稱為穩態空化。當作用聲強增大，微泡振蕩幅度可與其平衡尺寸相比擬時，微泡振動轉而由其周圍媒質的慣性所控制，即為慣性空化。多項研究[8-9]結果表明，當聲壓范圍為0.15～0.30 MPa時，微泡可能同時發生穩定空化和慣性空化；聲壓<0.15 MPa時，微泡主要發生穩定空化效應；聲壓>0.45 MPa時，微泡主要發生慣性空化效應。

本研究通過觀察微泡偏移及破壞作用以確定微泡所發生空化效應的類型，結果顯示，機械指數≤0.22時，隨著機械指數增加，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對側運動，且運動一段時間后達到穩定狀態基本不再變化，即微泡處于以推移為主的穩態空化狀態；機械指數繼續增大，≥0.30后y值增至最大值后減小，提示機械系數達到一定程度時，微泡初始時有較大幅度運動，繼而有微泡發生破裂，即微泡處于以破裂為主的慣性空化效應。

除常規造影諧波成像外，CEUS技術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、受激聲波發射成像、低機械指數成像及造影劑爆破成像等。不同機械指數的診斷超聲對微泡造影劑的作用存在顯著區別，且具有規律性，以此為基礎調整機械指數，可實現優化造影條件[10-12]。本實驗發現，低機械指數下，隨時間增加，微泡總濃度、微泡運動速率無明顯變化，僅在一定范圍內波動，提示低機械指數下超聲波對微泡無明顯破壞，主要起推移作用；機械指數增加至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生破壞；機械指數繼續增加至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。

根據不同機械指數下微泡運動速度曲線，可預測其他機械系數下微泡運動速率。本研究結果顯示，機械指數≤0.22時，隨著機械系數增加，微泡在超聲推動下向對側運動，且運動速率隨機械系數增加而呈線性增加；機械指數>0.22后可能存在一個轉折點，此后微泡運動速率急劇增加，甚至出現微泡破裂現象，雖然本組因數據較少無法做出準確判斷，但轉折點應在0.22～0.30間；根據已有數據推測，在機械指數>0.22后，微泡在超聲作用下迅速向對側以較大速率運動，至對側后出現破裂現象。

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