不同包膜材料的超聲造影劑微泡的瞬態空化閾值研究

丁 波，張國峰，朱逸斐

（珠海醫凱電子科技有限公司，廣東珠海 519041）

近年來，隨著醫學超聲、先進材料和人工智能技術的發展，超聲波在臨床診斷和治療中應用日益廣泛[1-2]。當超聲波在生物組織中傳播時，除了波動效應外，不均勻的組織內部結構還會對聲波引發復雜的聲散射、聲吸收和聲衰減效應，并由此可以在深部組織中產生顯著的熱效應和機械效應。生物組織中的超聲熱效應主要是由部分聲能被組織吸收并轉化為熱量引起的，可導致深部組織溫度迅速升高，由此達到甲狀腺或腫瘤消融等治療目的。而醫學超聲相關的最關鍵的超聲機械效應之一是一種稱為聲空化的過程。當聲波在組織中傳播時，若聲壓超過一定閾值強度，血液或組織液中溶解的肉眼不可見的微小氣核會在超聲的負聲壓相緩慢膨脹生成空化氣泡，在超聲正聲壓相時這些空化泡會快速塌縮甚至破裂，在空化泡生成、振蕩乃至破裂的一系列動力學過程中會產生聲微流、聲射流甚至沖擊波，并由此在微泡尺度的極小空間內瞬間釋放高溫高壓，對組織或血管壁施加機械力學作用[3-5]。

天然環境中組織液或黏性血液中的含氣量極小，相應的超聲空化閾值也在數兆帕之上[6]，對其在治療超聲領域的應用造成了障礙。而超聲造影劑微氣泡的引入可以顯著降低空化閾值，并通過充當空化核來增強空化強度，產生更強的治療效果（如基因/藥物轉染、血腦屏障開放、肌骨治療等）[6-7]。但需要指出的是，如果參數選擇不恰當，導致微泡聲空化強度過高時，劇烈的聲空化機械效應也會導致微血管破裂、溶血和DNA 斷裂[8-11]等不利影響，所有這些在臨床超聲診斷和治療中通常都是希望盡量避免發生的副作用。換言之，在臨床應用中，希望可以選擇恰當的微泡和超聲作用參數，在利用超聲造影劑微泡產生有效的聲空化治療效果的同時，盡力避免過強的聲空化作用對病灶周圍的正常組織產生過度損傷等副作用。

在前期工作中，對超聲熱效應做了大量研究工作，發現組織損傷的程度取決于溫度的升高，而更高的溫度可通過提高聲壓、超聲中心頻率或延長超聲輻照時間來實現。然而，關于微泡聲空化相關的影響因素的研究尚不明確，但前人的研究已經提示了超聲造影劑微泡的聲散射和聲空化特性（如空化閾值和空化強度等）及其引發的生物效應微泡的物理特性（如粒徑、濃度等）特征和相關聲學作用參數（如聲壓、脈沖寬度、脈沖重復頻率和作用時間等）緊密相關。因此，在本研究中，聚焦于2 種已經獲得臨床應用批準的商用超聲造影劑微泡（Optison 和SonoVue），針對其空化閾值與微泡濃度和超聲脈沖寬度之間的關系開展了系統研究。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本研究中采用的2 種超聲造影劑Optison（GE Health Care，美國）和SonoVue（Bracco，意大利）都是已經獲得國際批準的臨床常用造影劑微泡。其中，Optison 是由蛋白單層膜包裹氟化碳（C3F8）氣核形成的微氣泡，平均半徑約為2.0 μm。而SonoVue 則是由單層磷脂包裹六氟化硫（SF6）氣核形成的微氣泡，平均半徑同樣約為2.0 μm。根據制造商的建議，在實驗前準備過程中，將輕輕搖晃未打開的OptisonR小瓶以均勻混合其內容物，在用注射器從試劑瓶中取出微泡樣品之前，先用無菌的18 號針頭對試劑瓶進行通氣，隨后用另一支18 號針頭將不同體積的Optison 微泡溶液提取到注射器，利用生理鹽水將微泡懸浮液稀釋成初始濃度約為2～5×108個/mL 微泡溶液待用。對于SonoVue微泡，則首先用無菌的18 號針頭對試劑瓶進行通氣，然后按照制造商建議向試劑瓶中注入5 mL 生理鹽水對微泡進行初步稀釋后以待后續實驗，此時微泡濃度根據制造商數據應約為5～8×108個/mL。實驗前，經Malvern 顆粒尺寸分析儀（Mastersizer 2000，Malvern Instruments 有限公司，Worcestershire，UK）測量Optison和SonoVue 微泡的平均直徑分別約為2.2±0.3 μm 和1.9±0.2 μm。

1.2 實驗材料

如圖1 所示，所有實驗都是在充滿脫氣水的亞克力水槽中進行的，用于信號激勵的1.1 MHz 單陣元聚焦換能器與用于空化信號接收的5 MHz 單陣元平面換能器（Sonic Concepts，Woodinville，美國）正交固定在水槽的2 個相鄰側壁上。將吸聲橡膠放置在與聚焦轉換器相對的水槽端壁上，以最大限度地減少聲反射對實驗測量結果的影響。在超聲激勵系統中由信號發生器（33120A，Hewlett Packard，美國）提供驅動信號，經50 dB 功率放大器（A-150，ENI，美國）放大后驅動1.1 MHz 聚焦換能器來激勵造影劑微泡產生超聲空化活動。而5 MHz 平面換能器（直徑為1.2 cm）則被用于被動采集微泡聲空化行為產生的聲散射信號，所采集的信號數據隨后通過數字示波器 （LC 334AM，Lecroy，美國）顯示后存儲于電腦中用于后續數據分析。整套實驗系統由LabView 軟件（National Instruments，美國）控制運行。

圖1 實驗系統示意圖

1.3 實驗設計

造影劑微泡空化行為產生的聲散射信息經由以5 MHz 平面換能器為主的被動空化探測系統監測后，其空化閾值可通過對散射信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）后獲得的特征頻譜加以量化定征[12]。簡言之，對于每個樣本產生的空化散射信號采集1 000 個波形序列，采樣率為25 MHz，單個波形采樣時間為200 μs。對每個信號做FFT 后取其平均譜。如圖2 所示，以聲壓為0.05 MPa 的聲信號激勵下的生理鹽水中采集到的散射信號譜（細虛線）的FFT 平均值為參考底線，而微泡樣品的空化聲壓閾值則被定義為其FFT 譜線平均強度高于參考底線10%（如圖2 中針對特定濃度Optison 樣品在0.18 MPa 驅動聲壓下測量所得的粗實線所示）。

圖2 由空化微泡聲散射頻率確定其空化閾值

本研究中主要針對2 種超聲造影劑微泡開展了系列實驗。

1）超聲脈沖寬度對微泡空化閾值的影響：采用4個不同超聲脈沖寬度（2、5、10 或20 周期）來研究特定不同濃度條件下造影劑微泡的空化閾值。對于不同的脈沖寬度，可通過調整脈沖重復頻率PRF 來確保超聲輻照總時間保持不變（即脈沖長度分別為2、5、10 或20 個周期時，PRF 從500、200、100 變化至50 Hz）。超聲驅動聲壓幅度則由0.05 MPa 逐步提升至0.5 MPa。對于每個參數條件下的微泡樣本進行3 次重復測量。

2）微泡濃度對其空化閾值的影響：在一定的脈沖長度和PRF 下，針對不同濃度的造影劑微泡樣品（體積比為0.1%、0.5%、1%、2.5%或5%）測量其空化聲壓閾值。超聲驅動聲壓幅度則由0.05 MPa 逐步提升至0.5 MPa。對于每個參數條件下的微泡樣本進行3 次重復測量。

2 結果

2.1 Optison 微泡的空化聲壓閾值

圖3顯示了Optison 造影劑微泡在不同體積濃度和超聲脈沖寬度條件下測得的空化聲壓閾值。由圖3可知，對于特定體積比的Optison 微泡，其空化閾值將隨著激勵超聲脈沖寬度的增加而降低，例如微泡體積比為1%時，若脈沖寬度從2 個周期增長到20 個周期時，其空化聲壓閾值從大約0.17 MPa 下降到約0.1 MPa。同時，在特定脈沖寬度條件下，高濃度微泡將具有更低的空化閾值。但也要注意到，當微泡體積濃度大于2.5%時，其空化聲壓閾值受脈沖寬度的影響將變低。

圖3 Optison 造影劑微泡的空化聲壓閾值測量結果

2.2 SonoVue 微泡的空化聲壓閾值

圖4則顯示了SonoVue 造影劑微泡在不同體積濃度和超聲脈沖寬度條件下測得的空化聲壓閾值。由圖4 可知，總體而言，SonoVue 微泡的空化聲壓閾值略小于Optison 微泡。對于特定體積比的SonoVue 微泡，類似于Optison 微泡，其空化閾值將隨著激勵超聲脈沖寬度的增加而下降。但對于特定脈沖寬度的激勵信號，SonoVue 微泡的空化閾值隨其體積比的變化較小，尤其是當脈沖寬度大于10 個周期時，不同濃度的SonoVue 微泡的空化聲壓閾值幾乎趨近一定的穩定值（約0.8～1.0 MPa）。

圖4 SonoVue 造影劑微泡的空化聲壓閾值測量結果

3 討論

本研究針對2 種商用超聲造影劑微泡，研究其空化聲壓閾值隨微泡體積比濃度和激勵超聲脈沖寬度的變化情況。總體而言，2 種微泡的空化聲壓閾值將隨其體積比濃度或激勵超聲脈沖寬度的增加而下降。這是因為體積比濃度較大的微泡溶液中含有更多的空化氣核，而激勵超聲脈沖寬度增加則對應于驅動聲能量的提高，由此導致微泡空化行為更容易發生。

可以理解的是，對于一定體積比濃度條件下的超聲造影劑微泡溶液，其空化聲壓閾值將隨著激勵超聲脈沖寬度的增加而減小。應注意到，由于激勵信號源需要一定的起振時間來穩定其輸出波形，因此，對于短脈沖信號（例如2 或5 個周期），焦點處輸出波形的實際振幅常常小于長脈沖信號（如10 或20 個周期）獲得的穩定振幅。因此，短脈沖信號可能不足以在較短時間內向微泡溶液中輸運足夠的聲能量來促使微泡產生強烈的空化行為。

同時要注意到，與Optison 微泡相比，SonoVue 微泡的空化聲壓閾值相對較小，且隨其體積比濃度的變化幅度更小。這是因為Optison 微泡采用蛋白包膜，而SonoVue 微泡則采用厚度更小、硬度更低的單層磷脂包膜，且在特定體積比濃度下，單位體積中含有的SonoVue 微泡的實際數目稍高于Optison 微泡（根據制造商數據，SonoVue 微泡初始濃度為5～8×108個/mL，而Optison 微泡的初始濃度為2～5×108個/mL），因此更容易被低強度的超聲信號激發，由此產生較低的空化閾值和更穩定的空化行為。實際上，前人的研究結果也表明，外殼較薄的造影劑微泡將具有較低的空化聲壓閾值[5]，本研究的觀測結果驗證了前人的實驗觀察。

4 結論

本文的研究結果說明了超聲造影劑微泡的空化聲壓閾值將同時受到微泡性質（如濃度）和驅動超聲特性（如脈沖寬度）的影響。總體而言，與前人的觀察結果類似，具有較薄外殼的SonoVue 微泡具有更低的空化閾值，而且微泡的空化閾值可以通過增加空化氣核（如提高微泡體積比濃度）或增強單位時間內的激勵超聲能量（如增加超聲脈沖寬度）來實現。因此，在實際應用中，選擇更為恰當的造影劑微泡或超聲激勵參數來調控微泡空化閾值和強度，滿足特定的診療需求。