超声造影剂微泡的力学模型和生物效应的力学机理研究

超声波诊断是临床医学中最常用的诊断方式之一，成像质量直接受回波强度的影响。微泡造影剂注入血管系统中增强了超声回波强度，从而改善了成像质量。但是，超声波诱导的生物效应也伴随着超声造影剂的使用而出现。本项目力图研究微泡本身的力学特性并揭示造影剂诱导的生物效应的力学机理。通过建立微泡的力学模型，研究微泡的基本力学问题和微泡与生物组织间的相互作用，探索超声波诱导的心室早期收缩、溶血和出血等生物效应的力学机理。尤其是微泡本身的尺度效应对其力学性质，比如杨氏模量，泊松比的影响。杨氏模量的变化又会影响微泡在超声中的振动模态。特别是在超声波激励下，力求对微泡作用下细胞表面的扩张、血管内的应力分布以及随着气泡膨胀引起的血管扩张的原因做出准确分析。本项目的研究成果将对造影剂的合理设计、靶向医疗的作用以及超声波的安全诊断提供理论基础。

超声医学技术在近百年来的发展十分迅速，它在医学、生物等方面得到了广泛的推广。如高强度聚焦超声利用高温性质能治疗各种癌症。这种方法虽然能很好的抑制癌细胞的生存，但同时也会伤害到人体各个组织，超声造影剂的出现可以解决部分之前出现的问题，它不但能提高人体组织的显隐清晰度，还能作为靶向载体对特定区域进行局部治疗。这样就避免了对正常组织的破坏从而提高了安全性。超声作用下微泡会产生空化效应。空化效应造成的局部射流可导致红细胞等血细胞破坏，产生溶血等副作用。同时稳态空化和非稳态空化均会导致局部温度升高。一方面，这种高温可以用于直接杀灭癌细胞或者降低癌细胞增殖能力，另一方面，温度过高也会对正常细胞产生不良反应。这种空化效应受到几个因素影响，如换能器的频率以及功率的影响、超声机械指数以及热指数的影响、超声作用时间的影响、超声发射点距离靶向位置的距离等。一、我们系统的研究了换能器中的压电材料的力学特性尤其是掺杂一定的量子点对其力学特性的影响。利用格林函数法，假设夹杂物内部具有梯度分布的特征应变，并利用特征应变的等效体积力，通过应力平衡方程的位移解法，得到了各向异性压电半平面中包含任意多边形夹杂问题的封闭解。该封闭解是用一些初等函数表示，容易求解。数值算例部分，得到了半平面问题退化到全平面问题的临界深度。二、我们对超声波的生物学热效应进行了实验研究，利用了热电偶探针测得了超声波作用下各种生物体组织的升温变化的动态过程，并用红外线热像仪记录脂肪表面温度场分布。换能器发射面与样品表面的距离对于样品的最大温升影响明显；超声波作用于生物体表面所带来的热效应产生的温度场分布是中心处最大，离中心越远，温度降低。三、我们对超声造影剂的热效应机理进行了理论分析，提出了一种新的估算热效应的模式--弹性应变能方法。这种方法第一次将弹性应变能引入到超声造影剂热效应的估算当中。利用有膜壳的R-P方程数值计算出在稳态空化反应下，磷脂薄膜超声造影剂在不同外部激励声压作用膨胀后的最大半径，近而建立超声的机械指数与微泡膨胀的最大半径之间的函数关系，通过能量法计算这一反应中微泡本身吸收的能量，利用吸热公式求得微泡升高的温度，同时我们假设这部分能量以热扩散的形式传递出去，利用球面热源公式可以数值模拟出微泡在一个周期后周围温度场的变化以及持续声压激励下多个周期后温度的改变。