位紅芹，付伸伸，馬穗紅，邱春花，柳建華

(華南理工大學(xué)附屬第二醫(yī)院 廣州市第一人民醫(yī)院超聲醫(yī)學(xué)科，廣東 廣州 510180)

微泡造影劑能被超聲擊破，其擊破率隨機(jī)械指數(shù)增加而增加。采用低機(jī)械指數(shù)成像技術(shù)，既能保持高幀頻顯像，又可降低微泡破壞程度。在一定機(jī)械指數(shù)下，超聲作用會(huì)降低微泡的穩(wěn)定性，機(jī)械指數(shù)不同，超聲對(duì)微泡的推移和破壞程度不同。本研究觀察不同機(jī)械指數(shù)下超聲對(duì)微泡造影劑的作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(zhì)，以生理鹽水將其稀釋至濃度約7×107個(gè)/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(nèi)注滿生理鹽水，之后注入0.01 ml濃度約7×107個(gè)/ml的微泡。將超聲探頭固定于纖維管上方，啟動(dòng)造影模式，ROI深度為4 cm，聚焦深度為4 cm，機(jī)械指數(shù)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(nèi)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(yùn)動(dòng)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(gè)部分，并保證上下選框中亮度相等；通過(guò)測(cè)量虛線的位置得到微泡運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(圖1)。以時(shí)間為橫坐標(biāo)、軟件計(jì)算值y值為縱坐標(biāo)，獲得微泡運(yùn)動(dòng)曲線，并采用多項(xiàng)式擬合該運(yùn)動(dòng)曲線。根據(jù)各機(jī)械系數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)曲線得到微泡運(yùn)動(dòng)速率，以機(jī)械指數(shù)為自變量、微泡運(yùn)動(dòng)速率為因變量，采用多項(xiàng)式擬合微泡運(yùn)動(dòng)速率曲線，預(yù)測(cè)不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)情況。

圖1 微泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析原理 A.于CEUS圖像中截取矩形選框； B～D.微泡運(yùn)動(dòng)示意圖：微泡未運(yùn)動(dòng)時(shí)分布狀態(tài)(B)，若虛線向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，則提示微泡向該側(cè)運(yùn)動(dòng)，該方向上微泡濃度越大(C、D)

2 結(jié)果

2.1 微泡運(yùn)動(dòng)曲線 機(jī)械指數(shù)較小如0.04、0.06時(shí)，等分線多鄰近初始位置，微泡運(yùn)動(dòng)不明顯，運(yùn)動(dòng)速率較小。機(jī)械系數(shù)增大至0.11、0.14時(shí)，虛線位置變化明顯，y值不斷增大。機(jī)械系數(shù)繼續(xù)增大至0.17、0.22時(shí)，y值不斷增大，且達(dá)到某一位置后不再增加；機(jī)械系數(shù)增大至0.30、0.43時(shí)，y值增大至最大值后減小。見(jiàn)圖2。

圖2 不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)曲線 機(jī)械指數(shù)分別為0.04、0.06、0.11、0.14、0.17、0.22、0.30及0.43(A～H)時(shí)的微泡運(yùn)動(dòng)曲線

2.2 微泡運(yùn)動(dòng)速率 不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)速率見(jiàn)表1；擬合曲線見(jiàn)圖3。機(jī)械指數(shù)在0.22前各點(diǎn)分布較均勻。進(jìn)一步對(duì)機(jī)械指數(shù)0.04、0.06、0.11、0.14、0.17及0.22下的微泡速率進(jìn)行擬合，得到的曲線呈線性，見(jiàn)圖4。

表1 不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)速率

圖3 不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)擬合曲線 (藍(lán)點(diǎn)為表1中各點(diǎn))

圖4 機(jī)械指數(shù)≤0.22時(shí)微泡運(yùn)動(dòng)擬合曲線 (藍(lán)點(diǎn)為表1中各點(diǎn))

3 討論

微泡造影劑的聲學(xué)特性不斷地被認(rèn)識(shí)并用于實(shí)踐，了解微泡與機(jī)械指數(shù)相關(guān)的聲學(xué)特性有利于優(yōu)化設(shè)置超聲造影(contrast enhanced ultrasound， CEUS)條件。聲場(chǎng)和微泡造影劑之間的相互作用是CEUS成像的關(guān)鍵[1-2]。超聲微泡造影劑具有較強(qiáng)的抗壓能力和較弱的抗?fàn)繌埩?。超聲為正?fù)壓交替的疏密機(jī)械波，在聲場(chǎng)中超聲波的照射引起造影劑振動(dòng)、壓縮和膨脹，低聲能時(shí)可引起微泡振動(dòng)，聲能達(dá)到一定強(qiáng)度則可致微泡破裂[3-5]。本研究以纖維塑料管模擬體內(nèi)大管腔結(jié)構(gòu)，觀察不同機(jī)械指數(shù)下診斷超聲對(duì)其內(nèi)微泡的作用規(guī)律，以期為靶向治療大腔隙器官疾病如膀胱癌提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

空化效應(yīng)包括穩(wěn)態(tài)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(chǎn)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(yùn)動(dòng)，稱為穩(wěn)態(tài)空化。當(dāng)作用聲強(qiáng)增大，微泡振蕩幅度可與其平衡尺寸相比擬時(shí)，微泡振動(dòng)轉(zhuǎn)而由其周圍媒質(zhì)的慣性所控制，即為慣性空化。多項(xiàng)研究[8-9]結(jié)果表明，當(dāng)聲壓范圍為0.15～0.30 MPa時(shí)，微泡可能同時(shí)發(fā)生穩(wěn)定空化和慣性空化；聲壓<0.15 MPa時(shí)，微泡主要發(fā)生穩(wěn)定空化效應(yīng)；聲壓>0.45 MPa時(shí)，微泡主要發(fā)生慣性空化效應(yīng)。

本研究通過(guò)觀察微泡偏移及破壞作用以確定微泡所發(fā)生空化效應(yīng)的類型，結(jié)果顯示，機(jī)械指數(shù)≤0.22時(shí)，隨著機(jī)械指數(shù)增加，y值不斷增大，達(dá)到某一位置后不再增加，提示微泡在超聲推動(dòng)下向?qū)?cè)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)基本不再變化，即微泡處于以推移為主的穩(wěn)態(tài)空化狀態(tài)；機(jī)械指數(shù)繼續(xù)增大，≥0.30后y值增至最大值后減小，提示機(jī)械系數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，微泡初始時(shí)有較大幅度運(yùn)動(dòng)，繼而有微泡發(fā)生破裂，即微泡處于以破裂為主的慣性空化效應(yīng)。

除常規(guī)造影諧波成像外，CEUS技術(shù)還包括間歇式超聲成像、能量對(duì)比諧波成像、反脈沖諧波成像、受激聲波發(fā)射成像、低機(jī)械指數(shù)成像及造影劑爆破成像等。不同機(jī)械指數(shù)的診斷超聲對(duì)微泡造影劑的作用存在顯著區(qū)別，且具有規(guī)律性，以此為基礎(chǔ)調(diào)整機(jī)械指數(shù)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化造影條件[10-12]。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低機(jī)械指數(shù)下，隨時(shí)間增加，微泡總濃度、微泡運(yùn)動(dòng)速率無(wú)明顯變化，僅在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，提示低機(jī)械指數(shù)下超聲波對(duì)微泡無(wú)明顯破壞，主要起推移作用；機(jī)械指數(shù)增加至0.11～0.17時(shí)，微泡總濃度未見(jiàn)明顯降低，運(yùn)動(dòng)速率隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，表明此時(shí)超聲波對(duì)微泡仍以推移作用為主，并隨時(shí)間增大；機(jī)械指數(shù)增加至0.22～0.30時(shí)，微泡總濃度輕度降低，提示此時(shí)超聲波已對(duì)微泡產(chǎn)生破壞作用，但仍以推移作用為主；微泡在初始時(shí)有較大運(yùn)動(dòng)，繼而速度降低，即微泡開始劇烈運(yùn)動(dòng)后發(fā)生破壞；機(jī)械指數(shù)繼續(xù)增加至0.43時(shí)，微泡濃度急劇降低，提示此時(shí)超聲對(duì)微泡的作用以破壞為主。

根據(jù)不同機(jī)械指數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)速度曲線，可預(yù)測(cè)其他機(jī)械系數(shù)下微泡運(yùn)動(dòng)速率。本研究結(jié)果顯示，機(jī)械指數(shù)≤0.22時(shí)，隨著機(jī)械系數(shù)增加，微泡在超聲推動(dòng)下向?qū)?cè)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速率隨機(jī)械系數(shù)增加而呈線性增加；機(jī)械指數(shù)>0.22后可能存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此后微泡運(yùn)動(dòng)速率急劇增加，甚至出現(xiàn)微泡破裂現(xiàn)象，雖然本組因數(shù)據(jù)較少無(wú)法做出準(zhǔn)確判斷，但轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)在0.22～0.30間；根據(jù)已有數(shù)據(jù)推測(cè)，在機(jī)械指數(shù)>0.22后，微泡在超聲作用下迅速向?qū)?cè)以較大速率運(yùn)動(dòng)，至對(duì)側(cè)后出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

綜上，不同機(jī)械指數(shù)下超聲對(duì)微泡造影劑的作用存在區(qū)別，低機(jī)械指數(shù)時(shí)以推移作用為主，高機(jī)械指數(shù)時(shí)以破壞為主，以此為基礎(chǔ)可最大程度利用診斷超聲作用，為治療大管腔結(jié)構(gòu)病變提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究的局限性：①機(jī)械指數(shù)>0.3的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，需進(jìn)一步觀察大機(jī)械指數(shù)對(duì)微泡的影響；②主要采用Matlab軟件進(jìn)行分析，應(yīng)利用更多實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)結(jié)果加以驗(yàn)證。