大血管内流动包膜微泡聚焦超声空化增热补偿方法的理论和实验研究

The objectives of this program are to promote the efficiency of thermal ablation for tumors near large blood vessels by flowing shelled microbubbles (MBs) in large blood vessels due to enhanced cavitation and heating during focused ultrasound ablation and to avoid damages to the vessel walls. Cavitation, high-intensity focused ultrasound and temperature field are investigated by simulation and imaging to investigate the mechanism and therapeutic regimen for MBs to improve the efficiency of therapeutic ultrasound. (1) Flowing MBs distribution in the large blood vessels due to the radiation force of ultrasound and pulsatile blood flow is investigated by simulation. Cavitation field is investigated by an ultrasound stroboscopic method and sonoluminescence. (2) Broad band and high-intensity focused ultrasound field with the presence of flowing MBs is measured by a fiber optic probe hydrophone and subharmonic to higher-order harmonics (≥15th) attenuation and equivalent absorption coefficient distribution in tissue are estimated. (3) Temperature elevation is investigated by simulation using ultrasound-cavitation coupling model and measured using thermocouples. This study provides reference for the improvement in the efficiency and safety of thermal ablation for tumors near large blood vessels.

提出利用流动包膜微泡超声空化增热补偿血流带走热量以促进大血管附近肿瘤热消融并避免血管壁热损伤的方法，从流动微泡空化场到高强度超宽带非线性声场再到温度场的建模仿真与检测成像, 研究大血管内流动微泡聚焦超声空化增热补偿机制和工作模式。采用微泡分布与温度场建模仿真、空化声学成像与声致发光、高强度超宽带非线性声场与多点温度动态测量等方法，主要研究：(1)聚焦超声辐射力与脉动流共同作用下大血管内流动微泡动态分布建模仿真, 以及声-光共聚焦与脉动流双同步下大血管内空化动态分布声学成像与声致发光；(2)有\无流动微泡的高强度聚焦超声焦点及病灶区域超宽带非线性声场光纤水听器测量及其次谐波到15次以上谐波在生物组织中衰减和等效吸收系数分布估计；(3)高强度超宽带非线性声场与微泡空化场互耦条件下组织中经典吸收和驰豫吸收温度场的建模仿真及多点温升热电偶动态测量。为提高大血管附近肿瘤热消融效率和安全性提供依据。

聚焦超声技术将体外超声无创聚焦到体内，从而达到选择性地破坏靶向病变组织的目的，而对超声传播途径上和治疗区域周边正常组织没有破坏作用。当治疗部位存在较大血管时，血流带走热量阻碍靶组织温度的升高，从而降低血管附近肿瘤热消融治疗效率甚至影响治疗效果。微泡注入后可减少肿瘤热消融治疗所需超声功率，缩短治疗时间，增加超声单次照射的热消融体积，从而提高肿瘤热消融治疗效率。本项目提出利用流动微泡超声空化增热补偿血流带走热量以促进大血管附近肿瘤热消融并避免血管壁热损伤的方法，研究大血管内流动微泡聚焦超声空化增热补偿机制和工作模式：(1)聚焦超声辐射力与脉动流双同步下大血管内空化动态分布；(2)高强度聚焦超声焦点及病灶区域超宽带非线性声场光纤水听器测量及其谐波在生物组织中衰减和等效吸收系数分布估计；(3)高强度超宽带非线性声场与微泡空化场互耦条件下组织经典吸收与驰豫吸收温度场的建模仿真与多点温升热电偶动态测量。本项目工作集成建立了聚焦超声流动微泡空化瞬态物理与超声监控成像实验系统，获取了高强度聚焦超声场微秒时间分辨空化微泡瞬态声学分布及随时间分布特性，使用光纤水听器得到了聚焦超声非线性声场声压时空分布特性。通过透明流动仿体模型研究了不同聚焦超声参数作用过程中仿组织透明体模内流动包膜微泡空化增热及其对管壁热凝固变化的影响。超声作用后管壁即刻温度随微泡溶液流速提高而增大，但当微泡溶液流速超过“拐点流速”后，管壁即刻温度随流速的提高而降低，而超声作用过程中的空化程度与流速成正比。拐点流速和空化程度与治疗区域的声强和微泡溶液浓度成正比。当超声作用区域注入微泡溶液后，使得原本由于流动带走热量无法形成热凝固的管壁出现了热凝固。相对于生理盐水，流动的聚合物和脂质包膜微泡增强了管壁温升和空化活动，脂质包膜微泡比聚合物包膜微泡更能促进温升和增强空化。本项目研究表明通过流动微泡空化增热补偿流动带走的热量，为提高大血管附近肿瘤热消融效率和安全性提供依据。