高强度聚焦超声所致空化/沸腾气泡动力学行为实时可视与声信号解析

It has been demonstrated that high intensity focused ultrasound (HIFU) as a noninvasive tumor treatment modality has promising potential. Both acoustic cavitation and tissue boiling play an important role in the treatment. Currently researchers often use the detected acoustic signal to derive the dynamic law related to cavitating bubbles. It is difficult to state clearly the complex mechanism of the treatment for various sonication modes and it lacks the convincing evidence to distinguishing stable and transient cavitation processes. This project proposes to use tissue phantoms and bovine lenses as transparent and visible targets. In terms of technology, we will incorporate the long-focal length fast speed camera with active and passive cavitation detecting techniques, making the detecting signal both visible and audible. Therefore, we can study the ultrasound thermal effect, cavitation effect and thermal and cavitation combined effects in the focal zone and understand thoroughly the mechanisms of thermal biophysics, acoustic cavitation and bubble dynamics relevant to HIFU treatment. Our goal is to promote the further development of HIFU technology and its relevant disciplines to keep our advanced fore front position in the world.

HIFU无创治疗肿瘤展示出良好前景。空化/沸腾泡在HIFU治疗中扮演着重要角色，而目前的研究多以检测到的声信号来推断HIFU声场下气泡活动的动力学规律，且其结论基于各自的HFU辐照参数，难以阐明不同HIFU辐照方式下的复杂治疗机制，同时缺乏不同HIFU声场下气泡动力学行为的动态/瞬态和稳态可视佐证。在前期研究基础上，本项目以仿组织透明体模/牛眼晶状体为可视对象，采用主/被动空化检测、可听声检测和温度测量手段，并结合长焦距显微高速摄像，实验研究结合理论模拟，研究单纯热损伤、空化损伤、热和空化伴生三种HIFU辐照方式下焦域处沸腾泡和或空化泡产生前、产生瞬间、产生后在HIFU声场作用下的动态/瞬态和稳态动力学行为及其激发的特征声信号，以及HIFU声场下热、空化、空化/沸腾泡发生时序与相互作用规律，以期阐明HIFU治疗的热生物物理、声空化和气泡动力学机制，促进HIFU 技术及其产业和相关学科发展。

HIFU无创治疗肿瘤已展现出良好的临床应用前景。空化泡/沸腾泡在HIFU治疗中扮演着重要的角色，为此，本项目系统研究了HIFU所致空化/沸腾气泡动力学行为实时可视与声信号解析。取得了如下重要进展：1）建立了实时、同步监测HIFU辐照仿组织体模/牛眼晶状体过程中焦域处温升、空化/沸腾气泡活动的声信息和气泡动力学行为的技术平台，观察到聚焦超声所致沸腾气泡的演变规律及其声信号特征，毫米级沸腾泡破裂导致空化的发生。2）通过控制HIFU辐照参数实现了单纯热损伤、单纯空化损伤、空化和沸腾同时发生的辐照方式，发现可用1—3 MHz宽带声散射信号检测HIFU所致沸腾气泡的产生，多普勒快速闪烁伪影用于HIFU所致空化/沸腾气泡的检测具有很好的灵敏性，四次谐波增大与温升带来的沸腾泡形成有关。3）相同辐照剂量下，高声功率、短占空比的辐照使凝固性坏死出现的时间缩短，凝固性坏死体积增大，空化效应明显且早于凝固性坏死的出现。4）抑制HIFU治疗中空化发生所需的环境压力不必大于辐照参数的负声压，而只需使环境压力大于组织的空化阈值声压，声空化即可被完全抑制。5）相变性纳米微球MSNC-PFP、L-PFP相比SonoVue具有更强的增效作用，能更有效地提高HIFU治疗效率，这可能与其增强温升与空化有关。6）理论模拟和实验研究发现两端开口的球形聚焦换能器可实现亚波长超声治疗，且有驻波场形成的频率依赖关系。项目执行期间，新增国家级项目1项，在国内外刊物上公开发表学术论文38篇，其中SCI 18篇、ISTP 1篇，参编专著章节1部，申请发明专利1项，授权发明专利1项，培养硕士研究生共计7人。研究结果对阐明HIFU治疗的热生物物理、声空化和气泡动力学机制，为有效控制、利用空化/沸腾泡加速热损伤、监控损伤形成提供坚实的理论基础，对促进HIFU技术及其产业和相关学科发展、保持我国在该领域的国际前沿地位具有重要意义。