组织内包膜微泡声空化动力学及其力学效应分析*

秦对 邹青钦 李章勇 王伟 万明习 冯怡†

1) (重庆邮电大学生物信息学院, 重庆 400065)

2) (西安交通大学生命科学与技术学院, 西安 710049)

声空化机械效应是聚焦超声治疗的重要物理机制.以脂类包膜微泡/纳米相变液滴为空化核可显著地增强空化效应, 本文耦合空化动力学、组织和脂类包膜黏弹性模型, 构建了组织内脂类包膜微泡声空化动力学模型, 数值分析了微泡声空化动力学行为以及周围组织内机械应力的时空分布规律, 并探究了包膜材料、组织黏弹性和驱动声压等关键参数的影响.包膜和组织黏弹性都将抑制微泡振动, 但组织黏弹性的抑制作用更大.组织内机械应力在膨胀阶段为挤压应力, 而在收缩阶段和反弹初始阶段为拉伸应力, 且应力局部分布于微泡壁附近, 随着距离增大而显著减小, 其中拉伸应力衰减率明显更大.包膜黏弹性可减小应力, 但声压较大时, 应力减小可忽略不计.应力随着组织弹性增大而减小, 随着组织黏度增大而先增大后减小, 随着声压增大而增大.本研究可为进一步阐释聚焦超声治疗中组织机械损伤的内在机制奠定重要理论基础.

1 引 言

超声空化是指在超过一定声压阈值的超声波作用下, 液体中压力变化引发的气泡产生、生长、振荡和溃灭等一系列动力学过程, 它是强超声在液体中引发的一种特殊的瞬态物理现象[1-3].超声空化可导致血管内皮细胞损伤、毛细血管破裂、血脑屏障开放、细胞声……