超声空化在医学中的应用

【关键词】 超声空化

【摘要】 超声空化作为一种新型技术在医学中的应用越来越广泛，其在医学中的作用也越来越被人们所重视。本文主要介绍了超声空化在几种医疗技术中的应用，并对其在医学中的发展进行了预测。

　　【关键词】 超声空化；空化泡；超声医学

现代超声医学主要由两部分构成，分别是超声诊断和超声治疗。超声诊断指利用超声波作为信息载体探查人体病变信息。利用超声波的能量改变生物组织的结构、状态或功能，从而治疗某些疾病，称为超声治疗。超声波与人体组织相互作用的机制有如下3种［1］：（1）机械（力学）机制；（2）热学机制；（3）空化机制。

　　1 超声空化的产生原理及其发展

　　超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象，是一个典型的非线性的声学问题。就是液体中的微小气泡（空化核）在声场作用下发生的一系列动力过程。当足够强度的超声波通过液体时，当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，存在于液体中的微小气泡（空化核）就会迅速增大，而在相继而来的声波正压相中，气泡又被突然绝热压缩直到崩溃，崩溃的瞬间在气泡及周围微小空间内出现“热点”，形成高温高压区，温度达500K以上，压力达500atm以上，温度的时间变化率达109k/s，并伴有强大的冲击波和时速达400km的射流以及放电发光瞬间过程。根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬时空化。前者是指液体声场中存在适当大小的气泡时，它们在交变声压作用下可能进入人体共振（即体脉动）状态，当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力过程，这一过程往往伴随一系列二阶现象产生，包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流，而后者指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈，存在于液体中的空化核迅速膨胀，随即又在正压相下突然收缩以至崩溃。当气泡的体积收缩到极小时，其温度可高达数千度，气泡中的水蒸气被分解为H和OH自由基，自由基又迅速与其他成分发生化学反应，此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生，两者的发生都需要媒质有气泡的存在。

　　2 超声空化与医学治疗技术

　　近20年来，由于超声影像诊断技术及强超声治疗学的迅速发展，超声空化与医学之间关系的研究变得越来越重要［2］。首先是自20世纪80年代起，超声诊断在产科应用的安全性问题受到了人们的空前关注。其背景是：（1）超声影像诊断技术在妇产科的应用范围与效能日益增长，以至把它作为常规检查手段。（2）现行的超声影像诊断仪输出的峰值声强可达到几百W/cm2，甚至上千W/cm2。有关理论［3］与模拟试验［4］已相继证明，高强度的脉冲声强足以在含有空化核的生物流体中引起空化现象，如果在活体组织有空化现象产生，其生物效应可能是局部的，只会损伤靠近爆炸空腔周围的少数细胞［5］。在人体内大多数器官和生物流体中损伤几个细胞会对人体健康产生多大影响很难确定，但一个例外是涉及到人体的生殖细胞，或是处于发育灵敏期的胚胎和胎儿，如果在这种情况下发生空化，那么即使是损伤几个细胞也是不可忽视的。研究表明，当诊断超声定点辐照早期妊娠子宫或胎儿本身超过一定时间时，就会引起绒毛组织或胎儿本身组织超微结构等变化，且多认为，这种变化是由于超声空化机制引起的。

　　研究表明［6］高强度超声冲击波的空化效应产生直接的细胞毒作用较少，大多是损伤微血管和上皮细胞，引起血管破裂以及自由基产生，导致缺氧以及对靶组织的间接作用。

　　外科超声手术刀是依靠超声波产生强大瞬时冲击加速度和声微流的共同作用，使组织分离，达到切割目的。通过变幅杆把几十kHz的超声波作用于介质或有机体时，会造成介质中的质点做相同频率的振动。当频率一定时，其振动产生的加速度与位移振幅成正比。若将50000g(g是重力加速度，近似为10m/s2)加速度的机械弹性振动完全传送至活的生物组织上时，会使这部分组织与周围组织分开，而且不会损伤周围组织，通常把50000g的峰值加速度称为切割阈值，大于此值时组织开始破坏，在此值以下不会使组织破坏分开，因此在使用中必须超过切割阈值。外科超声手术刀就是利用该原理，由于超声的机械与空化作用具有选择性切除组织的特点，可以大大减少术中出血，加快手术速度，提高手术质量。

　　20世纪80年代初兴起的体外冲击波碎石术中主要利用聚焦的有相当高强度（数十至数百W/cm2）的声波的空化作用产生的流速高达100m/s的射流以及机械效应使体内结石碎裂，从而自行排出体外。目前，超声粉碎肾结石和膀胱结石已在临床有较多的应用，超声碎石可使病人免受手术之苦，故有很大的发展前途。

　　20世纪90年代兴起的高强度聚焦超声（HIFU）作为一种治疗深部肿瘤组织的微创性技术在临床越来越被人们所重视。HIFU技术的特点是使超声束在体外施以聚焦，焦点处的高声强（几十到上万W/cm2）能量则定位到体内靶组织上，可使靶组织在短时间（0.5～5s）内升温到70℃以上，蛋白质固化致靶组织坏死，而又不损伤周围的正常组织。超声在组织中的空化效应尽量避免［7］。因为它可以使焦斑扩散且焦斑扩散点位置难以预测，因此在强度选择和加热时间确定之间需平衡考虑［8］，如果热时间短，则焦斑体积小，可以减少血流影响，但要求声强度高，有可能超过空化效应的阈值，引起空化效应。当聚焦声强足够高，有次谐波发生时，伴随产生空化损伤，这种损伤有时可以有效地加以利用［9］，有时又极力避免［10］。随着HIFU技术研究的不断深入和其在临床的应用，认为利用空化效应增强其治疗作用和避免空化效应所致的非预测、非可控性损伤，扬长避短，寻求某种声学造影剂和定量物理参数是目前所面临的最主要的问题。当HIFU用于止血治疗时，空化的机械作用使血液和组织乳化成糊状物并在HIFU作用下烧灼这些糊状物，达到止血目的。

　　此外，将超声空化引发的声致发光用于诊断的研究报道亦引人注目，如Chernov等研究7500多例患有消化道恶性肿瘤、艾滋病及结核病患者血浆的超声空化发光的结果表明，超声空化发光完全可以对癌症和免疫力差的其他疾病起到辅助诊断的作用［11］。

　　3 超声空化的影响参数

　　超声空化现象涉及到诸如液体、声场及环境等多方面因素。因此在描述超声空化时会涉及许多参数，主要包括物理参数和声场参数。

　　3.1 物理参数的影响

　　物理参数主要是指黏滞系数（η），表面张力系数（σ），蒸汽压（Pv），温度和液体中含气的种类与数量。为在液体中形成空化核，要求在声波膨胀相内产生的负声压能克服液体分子间的引力，因此在黏滞性大的液体中空化较难发生。

　　液体的表面张力系数（σ）增大要求空化阈值增高，但是一但液体中形成空化泡，其崩溃时伴随产生的Tmax与Pmax值也增高，因为空化泡崩溃开始时的气泡总压力（Pm）增大，其关系如下式：

　　Pmax=Pg ［Pm(γ-1) /Pg］γ/(γ-1) (1)
Pg为半径起始值r0时泡内气体压力，Pm为常量。

　　Tmax=Tmin［Pm(γ-1) /Pg］ (2)
Tmin取环境温度，泡内压力Pg取液体蒸汽压Pv。

　　液体的蒸汽压（Pv）高，其空化效应则减弱，把（1）式中的Pg用Pv代替，则：
Pmax=Pg［Pm(γ-1) /Pg］γ/(γ-1) (3)

　　可知，随着Pv增大Pmax将迅速降低，即空化效应变缓和。一般说来，温度升高，空化阈值下降。这是因为是随着温度升高，蒸汽压（Pv）增高，黏滞系数（η）、表面张力系数（σ）则下降。

　　3.2 声场参数的影响

　　声场参数主要包括声频率（f），声强(I)，环境压力(Ph)。随着超声频率增高，空化过程会变的难以发生。为了在较高超声频率下产生空化，可以提高声强，即提高超声空化的阈值声强将随频率而升高。提高超声波强度会使空化变的容易，这是因为增大压强会使空化泡的产生变的容易，而且由于崩溃时间（Γ），崩溃时的最高温度（Tmax）及最大压力（Pmax）都与Pv有关，见式（1）、（2）及下式，Γ=0.915Rm(ρ/Pm)1/2(1+Pv/ Pm) (4)

　　Pv为空化泡内的气压，Pm=Ph+Pa为常量，Rm为空化泡开始崩溃的半径。由此可知空化泡的崩溃将变得更加剧烈，但也不能无限制增大声强，以至于它在声波的压缩相内来不及发生崩溃。增大外压力(Ph)将导致空化阈值增高和空化泡的崩溃程度加剧。

　　4 小结

　　空化效应在医学中的作用越来越被人们所重视，但空化效应的副作用也不容忽视，因此为了更好地利用空化效应应对如何在体内进行准确的空化效应检测和相应的目标，且不会对机体造成损伤，并对影响空化效应的各类参数和相应的“阈限值”进行准确描述，这是一个需要医、电、工方面专业人才共同努力才能取得成功的任务。相信不久以后空化效应在医学中的应用将会有更大的突破。

　　【参考文献】

　　1 冯若，李化茂.超声空化与超声医学.应用声学杂志，2000，19（1）：35-38.

　　2 张德俊.空化效应与超声治疗.中国超声医学杂志，1998，14（4）：19.

　　3 Flynn HG.Generation of transient cavities in liquids by microsecond pulses of ultrasound.J Acoust Soc Am，1982，72(6)：1926.

　　4 Fowlkes JB，Crum LA.Cavitation of sound in vibrationally excited N2/He，N2/H2，N2/CH4，and N2/H2O mixtures.J Acoust Soc Am，1988，82：2190.

　　5 Carstensen EL.Acoustic cavitation and the safety of diagnostic ultrasound.Ultrasound in Med And Biol，1987，13：597.

　　6 Carstensen E，Gracewski S，Dalecki D，et al.The search for cavitation in vivo.Ultrasound in Med and Biol，2000，26(9)：1377-1381.

　　7 Chen LL，Haar GR，chritopher RH.Influence of ablated tissue on the formation of high intensity focused ultrasound lesions.Ultrasound Med Biol，1997，21：921-931.

　　8 霍彦明，陈亚珠.高强度聚集超声技术的原理及机理研究.中华物理医学与康复杂志，2000，22（3）：172-174.

　　9 Sanghvi NT.Role of cavitation during high intensity focused ultrasound treatment of prostate tissue.J Acoust Soc Am，1998，103(5)Pt.2：2868.

　　10 Vyknodtseva N T，Hynynen K，Damianou C.Pulse duration and peak intensity during focused ultrasound surgery.Ultrasound in Med and Biol，1994，20(9)：987.

　　11 Chernov VV，Efimov AV，Zhadnov VZ，et al.Nonlnear Acoustics in Perspective，1996(edited by Wei Rongjue).NanJing：NanJing Univeristy Press，1996，219.

　　作者单位： 710062 陕西西安，陕西师范大学

　　(编辑：江 宇)