微泡击破期微射流的生物效应

第四节　微泡击破期微射流的生物效应

已有很多文献报道在高频聚焦超声场中造影剂微泡空化时可形成外向微射流和冲击波，并在离体和活体生物实验中发现对红细胞、胞膜和细胞中的线粒体等蛋白质结构造成损伤。近年来吴巍等人发现在造影剂联合低频低功率超声辐照下有微血管栓塞的现象，并推断这也是由于冲击波和微射流共同作用引起了血管内壁细胞的损伤，引发了血栓。

在微泡压缩初始阶段，微泡内径减小，外壁做加速运动。因此，泡内泡外压力都增大，但泡外最大压力的绝对值和增加速度都比泡内压力大很多。当微泡压缩到一定程度时，泡壁开始减速，引起泡外压力减小，而泡内压力继续随半径的减小而增大，泡内泡外压力逐渐趋于平衡。当泡内气体被惯性压缩接近Van der Waals硬核半径时，微泡内径趋于最小半径，泡内压力趋于极大值，而泡壁运动速度减小趋于0，使得泡外压力减小趋于环境静压，此时泡内压力远大于泡外压力。

对于共振期的微泡，微泡压缩时半径减小2个数量级，因此泡内压力上升约6.4个数量级；外壁速度变化了约3.3个数量级，因此泡外最大压力变化了约6.6个数量级。对于瞬态空化，微泡的膨胀比R_max/R₀比稳态空化大，吸收的声能也多很多，因此微泡压缩的更加剧烈。半径减小了约2.4个数量级，泡内压力上升约7.7个数量级，外壁速度变化了近4个数量级，即泡外最大压力变化了近8个数量级。泡内外压力幅值的数量级依然相差不大，但各自达到极值的时间不同。

微泡在弱黏滞流体中急速塌缩时，气泡的非球对称运动会变得十分显著，泡壁的扰动振幅随半径的减小而以幂振荡增大，影响了气泡的形状稳定性。因此，压力的失衡易导致泡内外物质在泡壁某些不稳定处进行质量交换，形成内向和外向微射流，且泡内外压力差越大，微射流速度越高。同时，在稳态空化特别是在瞬态空化的压缩阶段，微泡内壁和外壁的最大速度分别超过了气体中和流体中的声速，将在泡内气体中和泡外流体中产生内向和外向冲击波。

由此可知，声压越大、声频越低、壳层越薄，微射流的速度和冲击波的能量也越大。由于泡内外压力差的负峰值比正峰值高数倍且气泡内壁最大速度比外壁最大速度高数倍，但是泡内气体的声速低于泡外流体的声速，因此内向的微射流速度和冲击波能量分别比外向的要高很多。如处于生物组织中，外向的微射流和冲击波会对组织产生损伤；而处于某些特定流体中时，内向的冲击波和微射流可能会帮助实现惯性压缩核聚变。无壳微泡的气体流体界面在如此大的泡内外压力差下很难维持稳定性，因此无壳的造影剂在血液中更容易破碎，而有壳造影剂的双层表面张力和壳层的黏滞性能使微泡较长时间保持稳定性。

自1968年超声造影剂进入我们的视线以来，最受到学者们关注的是其安全性的问题。超声击破效应引起组织细胞不可逆的损伤，在微泡破裂的瞬间所释放出的巨大声能与高温，都会使得组织细胞受到损伤的风险大大增加。并有学者认为，微泡破裂局部产生冲击波和微射流引起血管内皮损伤，进一步损害细胞和组织。但目前绝大多数学者还是认为超声靶向微泡破裂较病毒转染方式是相对安全的技术。Hynynen等将去除部分颅骨的新西兰兔作为实验模型，采用超声联合微泡造影剂对实验模型的脑部进行20s的辐照，声强为16～690W/cm²。实验结果显示，联合微泡超声局部辐照可使血脑屏障短暂地可逆地开放，并不引起损伤。Chen等实验也显示了高强度超声几乎不引起心肌组织的损伤及心功能降低，并且大多数关于超声靶向微泡破裂实验多采用离体器官或细胞为研究对象，使用剂量远大于真正临床所需基因剂量。所以，超声对造影剂微泡的生物学效应在药物传输及基因转染过程中，对人体产生损伤的概率应该很低。