超聲造影劑微泡的力學模型和生物效應的力學機理研究

《超聲造影劑微泡的力學模型和生物效應的力學機理研究》是依託上海大學，由馮江濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超聲造影劑微泡的力學模型和生物效應的力學機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馮江濤
• 依託單位：上海大學

中文摘要

超音波診斷是臨床醫學中最常用的診斷方式之一，成像質量直接受回波強度的影響。微泡造影劑注入血管系統中增強了超聲回波強度，從而改善了成像質量。但是，超音波誘導的生物效應也伴隨著超聲造影劑的使用而出現。本項目力圖研究微泡本身的力學特性並揭示造影劑誘導的生物效應的力學機理。通過建立微泡的力學模型，研究微泡的基本力學問題和微泡與生物組織間的相互作用，探索超音波誘導的心室早期收縮、溶血和出血等生物效應的力學機理。尤其是微泡本身的尺度效應對其力學性質，比如楊氏模量，泊松比的影響。楊氏模量的變化又會影響微泡在超聲中的振動模態。特別是在超音波激勵下，力求對微泡作用下細胞表面的擴張、血管內的應力分布以及隨著氣泡膨脹引起的血管擴張的原因做出準確分析。本項目的研究成果將對造影劑的合理設計、靶向醫療的作用以及超音波的安全診斷提供理論基礎。

結題摘要

超聲醫學技術在近百年來的發展十分迅速，它在醫學、生物等方面得到了廣泛的推廣。如高強度聚焦超聲利用高溫性質能治療各種癌症。這種方法雖然能很好的抑制癌細胞的生存，但同時也會傷害到人體各個組織，超聲造影劑的出現可以解決部分之前出現的問題，它不但能提高人體組織的顯隱清晰度，還能作為靶向載體對特定區域進行局部治療。這樣就避免了對正常組織的破壞從而提高了安全性。超聲作用下微泡會產生空化效應。空化效應造成的局部射流可導致紅細胞等血細胞破壞，產生溶血等副作用。同時穩態空化和非穩態空化均會導致局部溫度升高。一方面，這種高溫可以用於直接殺滅癌細胞或者降低癌細胞增殖能力，另一方面，溫度過高也會對正常細胞產生不良反應。這種空化效應受到幾個因素影響，如換能器的頻率以及功率的影響、超聲機械指數以及熱指數的影響、超聲作用時間的影響、超聲發射點距離靶向位置的距離等。一、我們系統的研究了換能器中的壓電材料的力學特性尤其是摻雜一定的量子點對其力學特性的影響。利用格林函式法，假設夾雜物內部具有梯度分布的特徵應變，並利用特徵應變的等效體積力，通過應力平衡方程的位移解法，得到了各向異性壓電半平面中包含任意多邊形夾雜問題的封閉解。該封閉解是用一些初等函式表示，容易求解。數值算例部分，得到了半平面問題退化到全平面問題的臨界深度。二、我們對超音波的生物學熱效應進行了實驗研究，利用了熱電偶探針測得了超音波作用下各種生物體組織的升溫變化的動態過程，並用紅外線熱像儀記錄脂肪表面溫度場分布。換能器發射面與樣品表面的距離對於樣品的最大溫升影響明顯；超音波作用於生物體表面所帶來的熱效應產生的溫度場分布是中心處最大，離中心越遠，溫度降低。三、我們對超聲造影劑的熱效應機理進行了理論分析，提出了一種新的估算熱效應的模式--彈性應變能方法。這種方法第一次將彈性應變能引入到超聲造影劑熱效應的估算當中。利用有膜殼的R-P方程數值計算出在穩態空化反應下，磷脂薄膜超聲造影劑在不同外部激勵聲壓作用膨脹後的最大半徑，近而建立超聲的機械指數與微泡膨脹的最大半徑之間的函式關係，通過能量法計算這一反應中微泡本身吸收的能量，利用吸熱公式求得微泡升高的溫度，同時我們假設這部分能量以熱擴散的形式傳遞出去，利用球面熱源公式可以數值模擬出微泡在一個周期後周圍溫度場的變化以及持續聲壓激勵下多個周期後溫度的改變。