Pahk KJ. Control of the dynamics of a boiling vapour bubble using pressure-modulated high intensity focused ultrasound without the shock scattering effect: A first proof-of-concept study. Ultrason Sonochem. 2021 Sep;77:105699. doi: 10.1016/j.ultsonch.2021.105699. Epub 2021 Jul 31. PMID: 34371476; PMCID: PMC8358471.
沸腾组织摧毁术(Boiling histotripsy)是一种很有前途的高强度聚焦超声 (HIFU) 技术，可用于通过空化作用在 HIFU 焦点处诱导机械组织分割。沸腾组织解剖暴露过程中产生的两种不同类型的空化可导致机械组织破坏：(1) HIFU 焦点处的沸腾蒸气泡和 (2) 沸腾泡和 HIFU 源之间的空化云。在治疗邻近正常组织或主要血管的实体瘤时，必须控制沸腾组织解剖造成的机械损伤的范围和程度。然而，由于冲击散射引起的惯性空化云的随机形成，这很难通过沸腾组织解剖来实现。在目前的研究中，提出了一种称为压力调制冲击波组织解剖学的新组织摧毁术，作为沸腾组织解剖学的替代或补充，而不引起冲击散射效应。所提出的概念是（a）通过局部冲击波加热产生沸腾蒸汽泡，（b）随后通过操纵峰值压力大小和 HIFU 脉冲长度来控制其范围和寿命。为了证明所提出方法的可行性，使用高速摄像机和被动空化检测系统在单个 10、50 或 100 毫秒长 2、3.5 下研究了光学透明肝组织模型中 HIFU 焦点处诱导的气泡动力学。或 5 MHz 压力调制 HIFU 脉冲，焦点处的峰值正压和负压幅度从 5 到 89 MPa 以及 -3.7 到 -14.6 MPa。此外，通过数值求解广义 Westervelt 方程，对 HIFU 场焦点处存在沸腾气泡的二维非线性波传播进行了数值模拟。高速相机实验结果表明，采用所提出的压力调制冲击波组织切片术，冲击波加热产生的沸腾气泡合并在一起，在HIFU焦点处形成更大的气泡（数百微米量级）。然后，这种合并的沸腾气泡持续存在并维持在 HIFU 聚焦区内，直到曝光结束（10、50 或 100 毫秒）。此外，最重要的是，在所提出的组织解剖激发期间，没有发生通常出现在沸腾组织解剖中的剧烈空化云（即没有冲击散射效应）。这可能是因为沸腾气泡反向散射声场的峰值负压幅度低于空化云固有阈值。聚结沸腾气泡的尺寸随着峰值压力大小逐渐增大。此外，采用所提出的方法，在组织模型的 HIFU 焦点处出现了一个长 0.6 mm、宽 0.1 mm 的椭圆形病变，而更大的蝌蚪状病变（长：2.7 mm，宽度：0.3mm）通过煮沸组织切片产生。综合起来，这些结果表明，所提出的压力调制冲击波组织解剖术可通过控制沸腾气泡的大小和寿命而无需冲击散射效应，从而潜在地用于诱导空间上更局部的组织破坏，并产生所需程度的机械损伤。
亮点
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提出并论证了一种新的组织摧毁术概念。
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沸腾气泡的范围和寿命是可以控制的。
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由局部冲击波加热形成的沸腾气泡可以合并在一起。
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合并的沸腾气泡保持在焦点处，直到曝光结束。
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使用所提出的方法不会产生冲击散射引起的空化云。
沸腾组织摧毁术剖是一种有前途的高强度聚焦超声 (HIFU) 技术，它使用多个毫秒长的 HIFU 脉冲，在 HIFU 焦点处具有高峰值正P +和负P -压力，通过声空化产生机械组织分割。先前的大量研究表明，沸腾组织摧毁术可用于破坏不同类型的软组织（例如心脏、肾脏、大脑、前列腺和肝脏），而不会造成任何明显的热损伤。沸腾组织摧毁术损伤的整体形状呈蝌蚪状，由头部和尾部组成，头部朝向HIFU换能器[11]。在沸腾组织摧毁术中，由于组织非线性效应，在软组织中的HIFU焦点处形成的冲击波可以在几毫秒内最初将组织温度升高到沸腾（即冲击波加热）。随后在 HIFU 焦点处产生沸腾的蒸汽泡。该沸腾气泡与传入的入射冲击波的进一步相互作用会导致机械组织损伤。一旦沸腾的气泡与冲击波相互作用，气泡就会通过修正的生长行为膨胀到一毫米左右。这种校正运动是由于冲击波和水蒸气传输中的不对称性的结合造成的，已通过高速摄像机在组织模型中进行了实验观察。在不断增长的沸腾气泡周围产生的剪切应力可以机械地分裂周围的软组织。在这种修正增长之后，冲击散射效应，这是通过气泡的反向散射冲击波与入射冲击波的相长干涉而形成额外的气泡成核位点，然后发生，这可以在沸腾气泡前面产生惯性空化簇（即，剧烈的气泡崩溃） ，朝着 HIFU 换能器的方向发展。与空化云一起，通过入射波衍射，可在 HIFU 聚焦区域内形成额外的沸腾气泡[15]。局部冲击波加热区内产生的大量沸腾气泡以及沸腾气泡和 HIFU 源之间产生的空化云分别导致沸腾组织解剖损伤尾部和头部的形成。
精确控制沸腾组织摧毁术引起的机械损伤的范围和程度是必要的，特别是在治疗邻近正常组织或主要血管的实体瘤时。然而，这是很难实现的，因为在沸腾组织解剖暴露期间会产生冲击散射引起的剧烈空化云。这种空化簇的形成高度依赖于沸腾气泡反向散射声场的压力大小以及软组织内预先存在的气泡核的位置和数量。这些使得准确预测和控制在给定沸腾组织解剖暴露条件下形成的空化云的时空活动变得困难。
据报道，沸腾组织摧毁术引起的病变范围和机械损伤程度取决于沸腾气泡的大小和所施加的沸腾组织摧毁术脉冲的数量。因此，在控制产生的机械损伤的范围和程度时，HIFU 焦点处气泡的大小和寿命将是两个重要因素：气泡尺寸越小，组织解剖损伤的范围就越小。气泡寿命越长，产生的机械损伤程度越高，反之亦然。在这些背景下，在本研究中，提出了一种称为压力调制冲击波组织摧毁术的新组织摧毁术方法，以控制沸腾气泡的大小和寿命，而不引起冲击散射效应。所提出的概念是使用压力调制 HIFU 脉冲，其中 (a) 具有高声压振幅的冲击波（P 1,+和P 1,−）最初用于产生沸腾气泡，（b）随后应用具有较低压力幅度（ P 2,+和P 2,− ）的弱扭曲非线性或线性波来控制气泡动力学。具体来说，冲击波加热最初会将组织温度升高至沸腾，在 HIFU 焦点处产生沸腾的蒸气泡。然后，该沸腾气泡的大小和寿命将由峰值压力大小（P 2,+和P 2,−）以及压力调制 HIFU 脉冲中使用的后续 HIFU 波的长度。采用所提出的策略，在沸腾气泡形成后可能不会发生冲击散射效应，因为沸腾气泡的反向散射峰值负压大小将保持低于空化云固有阈值 –28 MPa，这是报告的阈值软组织中几乎肯定会出现剧烈空化云的负压值。为了证明所提出想法的可行性，使用高速摄像机和被动空化检测（PCD）研究了压力调制 HIFU 激励过程中在光学透明组织模型中 HIFU 焦点处诱导的沸腾气泡的动力学。 ）系统。还对 HIFU 焦点处气泡的非线性波传播进行了数值模拟，以捕获反向散射声场的基本特征。
图 1.
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所提出的压力调制冲击波组织解剖脉冲方案的图示，用于控制沸腾气泡的范围和寿命，而不引起冲击散射效应。P 1,+和P 1,−是 HIFU 焦点处冲击波的峰值正压和负压。P 2,+和P 2,−是单个压力调制冲击波组织解剖脉冲内后续 HIFU 波中的那些。
2. 方法
2.1.高速相机实验装置
本研究中使用的 HIFU 实验装置示意图如图 2所示。使用光学透明的肝组织模型进行的 HIFU 实验是在充满脱气去离子水的丙烯酸水浴中进行的，温度为 20°C。使用三种不同的单元件碗形 HIFU 换能器，工作频率为 2.0、3.5 或 5.0 MHz，由函数发生器（33600A，美国加利福尼亚州安捷伦）和射频功率放大器（1040L，ENI，纽约，美国）驱动。表 1提供了 HIFU 换能器的特性。带有波形生成软件（Agilent Waveform Builder，Agilent）的计算机用于通过所需的压力调制 HIFU 脉冲协议驱动函数发生器（图 2）c).功率计（Sonic Concepts 24B，Bothell，WA，USA）连接在 HIFU 换能器和功率放大器之间，以测量在给定驱动条件下提供给换能器的电功率P elect 。本研究采用与先前沸腾组织摧毁术研究相同的制作光学透明肝组织模型的配方（参见补充表 1 ）来制备长方体肝组织模型（10 cm × 10 cm × 2 cm）。该肝组织模型具有与正常肝组织相似的声学和热学特性，弹性为 4.85 kPa。本研究中总共 使用了21 个组织模型 ( n = 21)。对于 2.0、3.5 和 5.0 MHz 换能器，HIFU 换能器表面与体模之间的距离分别为 58.2 mm、30 mm 和 30 mm。吸声器（AptFlex F28，Precision Acoustics Ltd，Dorset，UK）也放置在水浴中 HIFU 换能器的另一端，以尽量减少超声波反射。本研究中进行的大部分分析都是基于 2 MHz HIFU 源获得的结果。在沸腾组织摧毁术中，最常用的频率之一是 2 MHz 和沸腾组织摧毁术的机制已在 2 MHz 超声处理下使用高速相机进行了广泛研究。
图 2.
(a) 照片和 (b) 示意图显示使用 2 MHz HIFU 换能器设置的 HIFU 实验装置。 (c) 显示了用于驱动 HIFU 换能器的调幅正弦信号的示例。 (d) 使用 3.5 或 5.0 MHz HIFU 换能器的实验装置照片。
在实验过程中，使用高速相机（Phantom V2512，Vision Research，新泽西州，美国）和 9× Navitar 镜头（Navitar，Rochester，NY，美国）。相机的运行速度为每秒 0.11 M 帧 (fps)，快门速度为 4.5 μs，像素分辨率为 512 x 320（即每像素 6.2 μm）。所有高速相机实验均采用照明系统（Cyclops I-120 W，KOMI，Gyonggi-do，Korea）进行背光照明。使用内置相机软件（Phantom Camera Control PCC，Vision Research）同时触发相机和函数发生器。所有捕获的高速图像均使用 PCC 软件进行后处理，通过计算像素来研究沸腾气泡和病变大小的变化。除了气泡动力学的光学观察之外，还使用 10 MHz 聚焦 PCD 换能器（直径 20 mm、几何焦距 64 mm、带宽10 kHz 至 20 MHz，Y107，Sonic Concepts）。将该 PCD 换能器插入 2.0 MHz HIFU 换能器的中心孔中，并连接到数字示波器（LeCroy HDO 6054，伯克希尔，英国）。对于使用 3.5 MHz 或 5.0 MHz 传感器进行的实验，PCD 传感器放置在水浴的底面朝上，如图所示还使用 10 MHz 聚焦 PCD 换能器（直径 20 毫米，几何焦距 64 毫米，带宽 10 kHz 至 20 MHz，Y107，索尼克概念）。将该 PCD 换能器插入 2.0 MHz HIFU 换能器的中心孔中，并连接到数字示波器（LeCroy HDO 6054，伯克希尔，英国）。对于使用 3.5 MHz 或 5.0 MHz 传感器进行的实验，PCD 传感器放置在水浴的底面朝上，如图所示还使用 10 MHz 聚焦 PCD 换能器（直径 20 毫米，几何焦距 64 毫米，带宽 10 kHz 至 20 MHz，Y107，索尼克概念）。将该 PCD 换能器插入 2.0 MHz HIFU 换能器的中心孔中，并连接到数字示波器（LeCroy HDO 6054，伯克希尔，英国）。对于使用 3.5 MHz 或 5.0 MHz 传感器进行的实验，PCD 传感器放置在水浴的底面朝上，如图所示对于使用 3.5 MHz 或 5.0 MHz 传感器进行的实验，PCD 传感器放置在水浴的底面朝上，如图所示对于使用 3.5 MHz 或 5.0 MHz 传感器进行的实验，PCD 传感器放置在水浴的底面朝上，如图所示图2 (d)。使用 1 GHz 的采样频率。
2.2.压力调制冲击波组织摧毁术暴露条件
在高速相机实验中，采用单个 10 ms 长的压力调制 HIFU 脉冲来演示所提出的压力调制冲击波组织解剖学。使用的 HIFU 暴露条件根据以下标准确定：
•沸腾出现的时间比肝组织模型中 19 ms 的特征热扩散时间尺度短得多，因此热扩散效应可以忽略不计[1]。
•HIFU 焦点处的初始声峰值正P 1,+和负P 1,−压力足够高，足以在 5 毫秒内将组织模型温度提高到沸腾温度。先前的沸腾组织解剖研究[2]、[10]、[16]使用 1 至 3 MHz HIFU 波，P +为 67 至 85.4 MPa，P −为 9 至 15.6 MPa，在 HIFU 焦点处产生沸腾蒸汽泡。 5毫秒内的肝脏组织模型。这里，冲击波被定义为一种强烈扭曲的非线性波，其快速上升时间< 50 ns，P + ≥ 35 MPa且P −约10 MPa [22]。
•在 HIFU 焦点处形成沸腾气泡后，应用更多的P 1,+和P 1,−声学循环，以使气泡进行矫正生长。
•最后，随后采用比P 1 , +和P 1,-更低的峰值正P 2 ,+和负P 2, -压力值来避免或最小化冲击散射效应。
通过数值求解 Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK) 非线性波动方程，获得组织模型中 HIFU 焦点处的声学峰值压力值（P 1,+、P 1,−和P 2,+、P 2,− ）并使用一组输入参数的生物传热方程计算相应的温升[10]、[15]。据报道，由于用于测量强非线性 HIFU 场的水听器的带宽有限，使用 KZK 方程对波传播进行数值建模可以比实验测量更准确地预测非线性波形，特别是冲击波阵面[23]。 HIFU 模拟器 v1.2 [24]用于模拟组织模型中产生的声场和温度场。在 KZK 模拟中，为了简单起见，没有考虑温度相关的声学特性变化对波传播的影响[15]。模拟中使用的肝组织模型的声学和热学特性在补充表 2中给出。这里，假设沸腾温度为 100 °C [2]、[10]、[23]。
根据上述潜在压力调制冲击波组织解剖暴露条件的标准，驱动频率为 2.0、3.5 和 5.0 MHz 的各种 HIFU 暴露条件，P +从 5 MPa 到 89 MPa，P −从 −本研究测试了3.7至-14.6 MPa，如表2所示。例如，对于 2 MHz HIFU 换能器，在 10 ms 长压力调制 HIFU 脉冲的前 4 ms 期间最初应用P 1,+为 89.1 MPa 和P 1,−为 -14.6 MPa 的 2 MHz HIFU 波。 P 1,+为89.1 MPa，P 1,−-14.6 MPa，沸腾时间数值预测为 3.98 ms。则 (a) P 2,+为 29.9；P 2,−为-9.6MPa，(b) P 2,+为13.2；P 2,−为-6.8MPa，或 (c) P 2,+为5.0；在随后的6毫秒的暴露期间（即，4毫秒至10毫秒之间的时间段）采用-3.7MPa的P 2,− 。
.3.气泡周围散射声场的数值模拟
使用开源 k-Wave v1.2 MATLAB 工具箱，在给定P 2,+和P 2,−下进行2D 数值模拟，以捕获组织模型中蒸汽泡周围产生的 2 MHz 非线性声场的基本特征[ 25]。 k 波可对广义 Westervelt 方程进行数值求解，该方程解释了环境质量密度、材料非线性（二阶非线性）以及幂律吸收和色散的不均匀性，已成功用于研究冲击波（P +的51.2 MPa 和P − -9.8 MPa），沸腾组织切片中出现沸腾气泡[14]。本研究采用了[14]中开发和实施的相同几何二维模型（图3a）。采用的总网格尺寸为 2 14 × 2 14点，计算域尺寸为 75.7 mm × 75.7 mm。此外，在 2 MHz 下每个波长 160 个点，CFL 数为 0.05，时间步长为 0.15 ns，轴向和横向网格间距为 4.63 μm。所有模拟均在配备 3.6 GHz CPU (i9-9900 K)、64 GB RAM 和 NVIDIA GeForce RTX 8000 (48 GB) GPU 的台式电脑上进行。每次模拟需要四天时间才能完成。
图 3.
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(a) k 波模拟中使用的几何模型。 (b) 计算 HIFU 轴向 63.2 mm 处的一维波形（P + = 28 MPa，P − = – 8 MPa），焦点处没有气泡。
由于前面已经指出入射冲击波的峰值正相位对气泡后向散射声场的峰值负压幅值有很大影响[14]，[17]，因此使用输入正弦信号的压力幅值进行的 k 波模拟中的压力值不断变化，直到 HIFU 焦点处无气泡时的峰值正压值变得与29.9 MPa 的P 2,+相似（图 3b）（在 10% 的差异内）压力大小）。模拟中使用的气泡尺寸是根据高速相机的实验结果获得的。
3. 结果
3.1.在传统沸腾组织解剖暴露期间 – 2 MHz
最初在这里捕获了沸腾组织解剖暴露产生的气泡动力学，以便与所提出的压力调制冲击波组织解剖进行比较。图4显示了在组织凝胶体模中在单个10毫秒长的2 MHz沸腾组织解剖脉冲期间获得的一系列高速图像，P +为89.1 MPa，P -为14.6 MPa。与之前的沸腾组织解剖研究类似[2]、[10]、[15]、[16] ，在t = 0.38 ms时，HIFU 焦体积内出现深色椭圆形形式的局部冲击波加热（图 4）b)，它与图 4c中所示的计算的二维温度等值线图很好地对应。这个局部加热区域随着时间的推移而扩大（图 4 b-f）。当P + = 89.1 MPa 和P − = 14.6 MPa 时，达到 100 °C 沸腾温度的时间预计为 3.98 ms（表 2）。在t = 3.53 ms（模拟相应峰值温度 91.2 °C）时，在局部加热区域内观察到直径范围为 90 μm 至 93 μm 的沸腾气泡（如图 4 g 中的红色箭头所示）。然后这些气泡在 0.11 毫秒内生长到约 260 μm（图 4h)（即纠正生长行为）。研究表明，沸腾组织切片中的沸腾气泡成核可以在 100 °C 以下发生，因为毫秒 HIFU 热沉积可以降低气泡成核压力阈值[26]。在校正生长事件之后，在t = 3.64 ms 时，可以在沸腾气泡前面朝向 HIFU 换能器看到空化云（如图 4 h 中的蓝色箭头所示）。沸腾组织切片中的这种空化簇的形成很可能是由于冲击散射[14]和焦前加热[14]，这降低了空化固有阈值[27]。弗莱萨夫列维奇等人[27]据报道，水基组织模型的固有阈值从 10 °C 时的 -29.8 MPa 降至 90 °C 时的 -14.9 MPa。
图 4.
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在单个 10 毫秒长的 2 MHz 沸腾组织解剖脉冲期间，组织模型中 HIFU 焦点处诱发的一系列气泡动力学高速图像，P +为 89.1 MPa，P −为 –14.6 MPa。图像以 0.11 M fps 的速度获得。 (a) 0 ms 和 (m) 10 ms 处的时间对应于沸腾组织解剖暴露的开始和结束。图像 (n) 是在t = 10 ms HIFU 停止 10 ms 后捕获的。 (c) 和 (f) 分别显示了t = 0.38 ms 和t = 3.52 ms时计算的二维温度等值线图 。 (o) PCD 电压与时间关系图。 (p) (o) 对应的频谱图。 HIFU 光束从左向右传播。
实验期间，组织模型中P +为 89.1 MPa、P −为 14.6 MPa 的单个 2 MHz HIFU 脉冲的沸腾时间为 3.61 ms ± 0.11 ms（平均值 ± 标准差 SD， n = 8），存在差异高速摄像机观测结果与温度模拟之间的误差为 0.37 毫秒。
在t = 5.6 ms 时，沿着 HIFU 轴距离主沸腾气泡约 0.87 mm 处出现 二次局部加热区域（由图 4 i 中的箭头表示），然后随后形成二次沸腾气泡（由图 4 j)中的红色箭头。加热区域和沸腾气泡的二次生成可能是由于空化簇与初级沸腾气泡以及传入的 HIFU 波的衍射所引起的屏蔽效应[15]。煮沸组织切片暴露后，组织模型中清晰可见由头和尾组成的蝌蚪形状的机械损伤，如图4所示（n）。经测量沸腾组织解剖暴露后HIFU焦点处发生的机械损伤的长度（沿波传播方向）和宽度（横向）分别为2.72 mm和0.25 mm。产生的机械损伤程度大于图4（e）所示的冲击波加热区域。
除了光学观察之外，在相应的 PCD 结果中还可以观察到初级沸腾泡和空化簇形成的迹象，如图4（o）和（p）所示。 PCD电压幅度的增加（图4o）和频谱图中基频（2 MHz）的高阶多次谐波分量的突然出现（图4p）代表沸腾气泡的形成[1]，[13]，而宽带发射的显着出现通常是由于沸腾组织解剖暴露期间惯性空化云的存在造成的[10]，[15]。在t = 3.53 ms处产生沸腾气泡后，在频谱图中的黑色虚线内可以清楚地注意到这种宽带噪声，如图 4 (p) 所示。
实验过程中，暴露后的肝组织模型中出现长度为2.63±0.44mm、宽度为0.24±0.02mm(平均值±SD，n =4)的沸腾组织切片损伤。
3.2.在建议的压力调制冲击波组织解剖暴露期间 – 2、3.5、5 MHz
3.2.1. 2兆赫
为了证明本研究中所提出的组织解剖学的可行性，在 10 毫秒长压调制 2 MHz HIFU 脉冲的前 4 毫秒内，HIFU 焦点处的峰值正压和负压值保持恒定（即P 1,+ 89.1 和P 1,−为 –14.6 MPa），而随后 6 ms（即 4 ms 和 10 ms 之间的时间段）内的变化为： (a) P 2 , +为 29.9；P 2 , − –9.6 MPa，(b) P 2 , + 13.2；P 2 , − –6.8 MPa，或 (c) P 2 ,+ 5.0；P 2 , − –3.7 MPa（见表2）。
图5描绘了在所提出的压力调制冲击波组织解剖激励期间获得的许多高速图像，其中P 2,+为29.9 MPa，P 2,−为–9.6 MPa 。局部冲击波加热出现在 HIFU 焦点处（图 5 b-f），随后在t = 3.97 ms 时形成直径范围为 49.2 μm 至 63.2 μm 的沸腾气泡（如图 5 g 中的红色箭头所示）。这些沸腾气泡的迹象也可以在相应的 PCD 结果中看到（图 5 z-iii 和 z-iv）。当峰值正压和负压大小从P 1开始减小后，+ = 89.1 MPa 和P 1 , − = –14.6 MPa 到P 2 , + = 29.9 MPa 和P 2 , − = –9.6 MPa 在t = 4 ms 时（图 5 j），沸腾气泡突然增长到约 316 ~ 422 μm（图 5 o），然后随着时间的推移逐渐缩小到 173 ~ 180 μm（图 5 p-s）。有趣的是，在t = 5 ms后 ，局部加热区内的沸腾气泡开始合并（即气泡合并过程开始）（图 5 t-v），在t时形成直径为 254 μm 的较大气泡。= 7.66 ms（如图 5 w 中的红色箭头所示）。这种扩大的沸腾气泡持续存在并保留在 HIFU 焦点处，直到 HIFU 脉冲关闭（图 5 z-i）。暴露结束时 ( t = 10 ms) 的沸腾气泡尺寸测量为 251.8 ± 69 μm（平均值 ± SD，n = 7），其中P 2 , + = 29.9 MPa 和P 2 , − = – 9.6 兆帕。与沸腾组织解剖暴露条件下获得的结果相反（图4），没有二次加热区域（即没有二次沸腾气泡形成），也没有光学检测到明显的空化云，相应的 PCD 结果中没有明显出现宽带发射（特别是在图 1 中t = 4 ms之后）。 5 z-iii 和 z-iv)。
图 5.
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在拟议的压力调制冲击波组织解剖曝光期间以 0.11 Mfps 采集的高速摄像机图像。采用单个 10 ms 长的压力调制 2 MHz HIFU 脉冲，前 4 ms 声波的P 1,+为 89.1，P 1,−为 14.6 MPa， P 2 , +为 29.9；在接下来的 6 ms 暴露期间，P 2 , −为 –9.6 MPa。 (a) 0 ms 和 (zi) 10 ms 处的时间对应于压力调制冲击波组织解剖暴露的开始和结束。图像 (z-ii) 是在t = 10 ms HIFU 停止 10 ms 后获得的。 (f) 表示在t处计算的二维温度等值线图 = 3.96 毫秒。 HIFU 光束从左向右传播。 HIFU 焦点处的峰值压力为 89.1 MPa 和 –14.6 MPa，在 (j) t = 4 ms时降至 29.9 MPa 和 –9.6 MPa 。 (z-iii) PCD 电压与时间关系图。 (z-iv) (z-iii)对应的谱图。影片展示了在 10 ms 长的 2 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲中捕获的气泡动力学，P 1 , +为 89.1，P 1 , −为 –14.6 MPa，P 2 , +为 29.9，P 2 , −补充视频 1中提供了 –9.6 MPa 的压力。
检查压力调制冲击波组织解剖暴露后的模型形态，组织模型的残余机械损伤呈椭圆形，尺寸为 0.61 mm（长）× 0.14 mm（宽），在 HIFU 焦点处可见（由图 5 z-ii中的箭头）。事实上，引起机械损伤的位置与 HIFU 声波结束时气泡的位置很好地对应。值得注意的是，测得的压力调制冲击波组织解剖损伤（图5 z-ii）的长度和宽度分别比组织模型中产生的沸腾组织解剖损伤的长度和宽度小约4.5倍和1.8倍（图4n )。
实验过程中，在肝组织模型中观察到一个椭圆形的损伤病灶，其长度为0.55±0.09 mm（沿波传播方向），宽度为0.12±0.03 mm（横向）（平均值±SD，n = 7) 压力调制冲击波组织解剖暴露后。
为了研究在所提出的组织解剖暴露期间沸腾气泡形成后负压场的变化，在 HIFU 焦点处存在气泡的情况下进行了 2D 非线性波传播。图 6显示了组织模型中 HIFU 焦点处 217 μm 大小气泡周围的反向散射声场的数值模拟。气泡尺寸由图5（q）测量。可以看出，在 HIFU 源和气泡之间可以清晰地观察到强负压场，沿 HIFU 轴向方向在 62.75 mm 处（气泡前面朝向 HIFU 源）出现最高负压峰值，为 –17.1 MPa （图6b).该值比 HIFU 焦点处没有气泡的模拟值大约 2.1 倍（图 6a）。然而，它仍然低于空化云固有阈值 –28 MPa。由于气泡散射声场与传入的入射 HIFU 场的相长和相消干扰，以层状结构的形式产生局部峰值负压，该层状结构间隔约 0.4 mm（大约为 2 MHz 波长的一半） ）可以在图6b中观察到。
图 6.
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计算负压场的二维空间分布 | p - |肝组织模型中 (a) 没有 HIFU 焦点处的气泡，(b) 在 HIFU 焦点处有气泡。 (c) 是 HIFU 轴向 62.94 mm 处的模拟一维波形。 2 MHz HIFU 光束从左向右传播。
图 7描绘了P 2,+和P 2,−大小变化对(a) 压力调制冲击波组织解剖暴露结束时沸腾气泡的大小和 (b) 机械损伤程度的影响。组织模型中产生的损伤。在图7中观察到随着P 2 ,+和P 2 ,-的增加，沸腾气泡的尺寸和机械损伤程度之间存在正相关关系。在暴露结束时（即t = 10 ms）测得的最大气泡尺寸为 87.9 ± 15.6 μm（平均值 ± SD，n = 4）和 33.9 ± 3.7 μm（n = 4) P 2,+ = 13.2 MPa; P 2,− = –6.8 MPa，P 2,+ = 5 MPa；P 2,− = –3.7 MPa 分别。在P 2,+ = 13.2 MPa 和P 2,− = –6.8 MPa 处出现尺寸为 0.51 ± 0.04 mm（长度，n = 4）× 0.07 ± 0.01 mm（宽度，n = 4）的残余机械损伤 ，而当P 2,+ = 5 MPa 和P 2,− = –3.7 MPa 时， 观察到较小的病变，大小为 0.47 ± 0.09 mm（长度，n = 4）× 0.06 ± 0.004 mm（宽度，n = 4）。这总结于表 3 .
图 7.
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在单个 10 ms 长 2 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲上捕获的高速图像，(a) P 1, +为 86.1 MPa；P 1,−为 –14.6 MPa，P 2, +为 13.2 MPa；P 2,−为 –6.8 MPa，(b) P 1, +为 86.1 MPa；P 1,−为 –14.6 MPa，P 2, +为 5.0 MPa；P 2,−为 –3.7 MPa。t = 0 ms 和 10 ms时的时间 对应于压力调制冲击波组织解剖暴露的开始和结束。 2 MHz HIFU 光束从左向右传播。
表 3.
给定频率下压力幅值变化对气泡尺寸和损伤尺寸的影响。
| 频率 [MHz] | 峰值压力幅度 [MPa] | 最大气泡尺寸 [μm] | 最终病灶尺寸 [毫米] | ||
|---|---|---|---|---|---|
| f 0 | P 2,+ | P 2,− | 在t = 10 ms时测量 （平均值 ± SD） | 沿波传播方向的长度 | 沿波传播横向方向的宽度 |
| 2 | 5.0 | −3.7 | 33.9 ± 3.7（n = 4） | 0.47±0.09 | 0.06±0.004 |
| 13.2 | −6.8 | 87.9 ± 15.6（n = 4） | 0.51±0.04 | 0.07±0.01 | |
| 29.9 | −9.6 | 251.8 ± 69 ( n = 7) | 0.55±0.09 | 0.12±0.03 | |
| 89.1* | −14.6* | 476.2 ± 55（n = 4）* | 2.63±0.44* | 0.24±0.02* | |
| 3.5 | 8.8 | −5.4 | 51.5 ± 3.1（n = 3） | 0.30±0.01 | 0.08±0.01 |
| 17.6 | −7.7 | 114.7 ± 10.9（n = 3） | 0.33±0.04 | 0.11±0.01 | |
| 32.1 | −9.6 | 224.2 ± 28.5（n = 6） | 0.41±0.07 | 0.15±0.02 | |
| 5 | 13.9 | −6.4 | 32.6 ± 2.9（n = 3） | 0.28±0.03 | 0.05±0.01 |
| 29.2 | −8.6 | 84.5 ± 11.9（n = 5） | 0.34±0.02 | 0.06±0.01 | |
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*在沸腾组织解剖的情况下（即无压力调节）。
进行了额外的高速相机实验，以研究压力调制冲击波组织解剖脉冲长度的变化对 HIFU 焦点处引起的沸腾气泡寿命的影响。采用单个 50 或 100 ms 长 2 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲，P 1, + = 86.1 MPa；P 1,− = –14.6 MPa 且P 2, + = 29.9 MPa；P 2,− = –9.6 MPa。图 8显示了在 50 ms 内获得的一系列高速图像。局部加热区内产生的沸腾气泡（如图 8a -iv中的红色箭头所示）在t后开始合并 = 4 ms（图 8 b-i 至 di），随后在t = 7.27 ms时形成直径为 304 μm 的较大气泡（如图 8 d-i 中的红色箭头所示）。由于聚结过程而增大的气泡随后被 HIFU 辐射力推离 HIFU 焦点[19]（图 8 d-ii 至 fi）。这种气泡的平移运动也会导致组织模型的损坏。当气泡被推到局部冲击波加热区（即轴向长度为2.5毫米，横向宽度为0.19毫米）之外时，气泡尺寸随着时间的推移变得越来越小（图8）f-ii 到 h-iv），但仍然持续在全宽半最大 HIFU 焦体积内，直到 HIFU 在t = 50 ms时关闭（图 8 h-iv）。在 100 ms 长的压力调制冲击波组织解剖激励下观察到了上述类似的结果，如补充图 1所示。在实验过程中，没有出现热损伤的证据，热损伤会表现为组织模型中的不透明损伤[2] 。
图 8.
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在 50 ms 长的 2 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲期间拍摄的高速图像（ai 到 hv），P 1, +为 86.1 MPa；P 1,−为 –14.6 MPa，P 2, +为 29.9 MPa；P 2,−为 –9.6 MPa。峰值压力在t = 4 ms 时发生变化。 (ai) 0 ms 和 (h-iv) 50 ms 处的时间对应于压力调制冲击波组织解剖暴露的开始和结束。 HIFU 在t停止 10 毫秒后获得图像 (hv) = 50 毫秒。 2 MHz HIFU 光束从左向右传播。影片显示了在 50 毫秒长的压力调制冲击波组织解剖暴露过程中捕获的气泡动力学，其中P 1 , + = 89.1 MPa；P 1 , − = –14.6 MPa 且P 2 , + = 29.9 MPa；P 2 , − = –9.6 MPa 可在补充视频 2中找到。
3.2.2. 3.5兆赫和5兆赫
还使用 3.5 和 5.0 MHz HIFU 换能器研究了所提出的压力调制冲击波组织解剖学的可行性，如图 9、图 10所示。这样做是为了检查所提出的组织解剖学是否也可以以更高的频率进行。这里采用表2中列出的曝光条件。在实验中， 72.4 MPa 的P +,1和-13.8 MPa 的P − ,1在 10 ms 长压力调制 3.5 MHz HIFU 脉冲的前 5 ms 期间保持恒定，而在 10 ms 长压调制 3.5 MHz HIFU 脉冲的后续 5 ms 期间，P +,1 保持恒定。暴露（即 5 毫秒到 10 毫秒之间的时间段）变化如下： (a) P +,2 = 32.1 MPa 且P − ,2 = −9.6 MPa， (b) P +,2 = 17.6 MPa 且P − ,2 = −7.7 MPa，或 (c) P +,2 = 8.8 MPa 且P − ,2 = −5.4兆帕。使用 5 MHz HIFU 换能器，在 10 ms 长压力调制 5.0 MHz HIFU 脉冲的前 5 ms 内，69.2 MPa 的P +,1和-12.5 MPa 的P − ,1保持恒定，并且P +,2和P − ,2随后 5 ms 的暴露（即 5 ms 和 10 ms 之间的时间段）如下：（a）29.2 MPa 和 -8.6 MPa，或（b）13.9 MPa 和 -6.4 MPa。
图 9.
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在单个 10 毫秒长的 3.5 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲期间拍摄的高速图像（ah 和 kr）。 （a 至 h）其中P 1, +为 72.4 MPa，P 1,−为 –13.8 MPa，P 2, +为 32.1 MPa，P 2,−为 –9.6 MPa。 （k 至 n）其中P 2, +为 17.6 MPa，P 2,−为 –7.7 MPa。 (o至r) P 2, +为8.8MPa；P 2,−–5.4 MPa。图像 (h)、(n) 和 (r) 分别在曝光结束后 1.95、1.37 和 1.37 毫秒获得。 (i) PCD 电压与时间的关系图，与 (a 至 g) 相对应。 (j) (i) 对应的频谱图。 3.5 MHz HIFU 光束从左向右传播。影片显示了在 10 毫秒长的 3.5 MHz 压力调制冲击波组织解剖暴露过程中捕获的气泡动力学，其中P 1 , + = 72.4 MPa；P 1 , − = –13.8 MPa, P 2 , + = 32.1 MPa; P 2 , − = –9.6 MPa 可在补充视频 3中找到。
图 10.
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在单个 10 毫秒长的 5.0 MHz 压力调制冲击波组织解剖脉冲期间拍摄的高速图像（ah 和 kn）。 （a 至 h）其中P 1, +为 69.2 MPa，P 1,−为 –12.5 MPa，P 2, +为 29.2 MPa，P 2,−为 –8.6 MPa。 （k 至 n）其中P 1, +为 69.2 MPa，P 1,−为 –12.5 MPa，P 2, +为 13.9 MPa，P 2,−–6.4 MPa。图像 (h) 和 (n) 是在曝光结束后 1.95 毫秒获得的。 (i) PCD 电压与时间的关系图，与 (a 至 g) 相对应。 (j) (i) 对应的频谱图。 5.0 MHz HIFU 光束从左向右传播。影片显示了在 10 毫秒长的 5.0 MHz 压力调制冲击波组织解剖暴露过程中捕获的气泡动力学，其中P 1 , +为 69.2 MPa，P 1 , −为 –12.5 MPa，P 2 , +为 29.2 MPa补充视频 4中提供了 –8.6 MPa 的P 2 , −。
与使用 2 MHz 换能器获得的结果类似，在 HIFU 焦点处可以看到局部冲击波加热（图 9b和10b），随后产生沸腾气泡。实验期间，肝组织模型中P + ,1为 72.4 MPa、P − ,1为 –13.8 MPa的单个 3.5 MHz HIFU 脉冲的沸腾时间为 4.38 ms ± 0.34 ms（平均值 ± 标准差 SD n = 21)，而对于 5.0 MHz ， P + ,1 = 69.2 MPa 和P − ,1 = –12.5 MPa 为 4.72 ms ± 0.24 ms ( n = 23）。在两种激励情况下（3.5 MHz 和 5 MHz），在t = 5 ms 后，使用高速摄像机和本研究中使用的 PCD 系统没有检测到明显的空化云（图 9、图 10）。没有出现明显的宽带发射，同时频谱图中出现更强和更高阶的基频多重谐波以及沸腾气泡的形成。例如，对于 3.5 MHz HIFU 换能器，在 3.5、7、10.5、14 和 17.5 MHz 处可以看到具有较大振幅的高阶多重谐波分量（图 9 j），而这些是在 5、10 和 15 MHz 处观察到的对应频谱图中的5 MHz HIFU 源（图 10 j）。
在使用 3.5 MHz HIFU 换能器进行的实验中，在32.1 MPa 的P 2,+处出现尺寸为 0.41 ± 0.07 mm（长度，n = 6）× 0.15 ± 0.02 mm（宽度，n = 6）的残余机械损伤P 2,−为−9.6 MPa，而当 P 2,+ 为 8.8 MPa 且 P 2,+ 为 -9.6 MPa 时，可获得 0.30 ± 0.01 mm（长度，n = 3 ）× 0.08 ± 0.007 mm（宽度，n = 3）的 较小损伤。P 2,−为-5.4 MPa。类似地，在 HIFU 焦点处形成较大的病灶，且P 2 ,+和P 2 ,−较高在5 MHz激励情况下。 （即，P 2,+为29.2 MPa，P 2,−为-8.6 MPa：尺寸为0.34 ± 0.02 mm（长度，n = 5）× 0.06 ± 0.009 mm（宽度，n = 5）。2,+为13.9MPa，P 2,−为-6.4MPa：尺寸为0.28±0.03mm(长度，n =3)×0.05±0.013mm(宽度，n =3))。与使用 2 MHz HIFU 换能器获得的结果进行比较时，可以清楚地注意到，较高的频率可以产生较小的病变（表 3）。
4. 讨论
在本研究中，提出了一种称为压力调制冲击波组织摧毁术的新组织摧毁术剖方法，并通过高速摄像机实验进行了演示。该方法涉及通过调节峰值压力大小（图5，图7，图9，图10）和脉冲长度（图8，补充图1 ）来控制沸腾蒸汽泡的大小和寿命，而不诱导冲击散射效应。在[28]中提出了类似的概念，其中应用短的、高强度的脉冲序列来通过采用惯性空化云和随后的较低强度脉冲来维持该过程。然而，该方法[28]背后的主要思想是使用高强度超声脉冲生成空化核，这可以为后面的较低强度脉冲提供空化种子以维持空化和侵蚀（即，专注于增加组织侵蚀的可能性） ，这与本研究中提出的概念不同。
Maxwell等人[17]通过实验观察到，组织凝胶体模中单个空化气泡表面的入射冲击波的散射可以在气泡前面产生一个大的峰值负压场，从而导致惯性气泡产生额外的气泡成核位点。空化云。这是冲击散射组织解剖学中涉及的主要机制。最近的数值和实验结果报告于[14]、[19]清楚地展示了沸腾组织解剖暴露期间沸腾气泡对入射冲击波反向散射冲击波的相长干涉的出现。研究发现，与 HIFU 焦点处没有气泡的情况相比，这种相互作用最终可以在 HIFU 换能器和气泡之间引起更大的峰值负压场[14]，最终导致形成额外的惯性空化簇[10]、[15]、[16]、[19]。当后向散射声场的负压大小超过空化固有阈值时[17] , [18]，几乎肯定会形成剧烈的空化簇，这被称为冲击散射效应。在本研究中使用的沸腾组织解剖暴露条件下，在图4（h）中观察到冲击散射效应（箭头所示），并且在谱图中出现了强宽带发射（图4p）。相反，在所提出的压力调制冲击波组织解剖暴露下形成沸腾气泡后，没有检测到明显的空化云和宽带发射（图5，图9，图10））。这很可能是因为沸腾气泡反向散射声场的峰值负压幅度低于空化云固有阈值（图 6 b 和 c）。因此，沸腾气泡周围产生的剪切应力可导致 HIFU 焦点处的局部机械分裂，从而形成长为 0.61 毫米、宽为 0.14 毫米的椭圆形病变（图 5 z-ii），如下所示与蝌蚪形状相反（长度：2.72毫米，宽度：0.25毫米，图4n），这是通过煮沸组织解剖产生的典型病变形状。
在所提出的组织摧毁术暴露期间，清楚地观察到气泡合并现象，即两个或更多个气泡在接触期间合并形成单个气泡的过程（图5、图7、图8）。这种聚结很可能是由于初级和次级毕克内斯力（即声场中单个气泡上的平移力）造成的，这主要取决于气泡尺寸相对于超声处理频率的影响[29]。根据 Bjerknes 理论[30] , [31]，小于与声场共振的尺寸（即给定超声波频率下的共振气泡尺寸）的气泡沿压力梯度向上迁移并在压力波腹处收集，而大于共振尺寸的气泡向下移动压力梯度和压力节点处的聚集。这被称为主要比耶克内斯力。次级比耶克内斯力出现在同一声场中的相邻气泡之间。尺寸相似的气泡之间（即振动相位差小于 π/2）之间会产生吸引力，而尺寸差异较大的气泡之间会产生排斥力（即振动相位差较大）比 π/2) 。在本研究中使用的声波频率（2 MHz）下，共振气泡直径约为 3 μm ，这比本研究中观察到的沸腾气泡的尺寸小得多（即范围从 149 到 217微米，图5t）。在上述 Bjerknes 理论的背景下，可以认为，初级 Bjerknes 力可能导致沸腾气泡沿着压力梯度向波腹迁移，而次级 Bjerknes 力则有助于在沸腾过程中吸引这些气泡。建议进行组织解剖暴露。据报道，在超声波强度过高时，气泡聚集主要是由于二次比耶克尼斯力造成的。这种次级 Bjerknes 力随超声波强度的增加比初级 Bjerknes 力更显着、。高速图像如图5、图7所示表明气泡聚结程度与峰值压力大小之间存在正相关关系，其中在本研究中测试的最高压力幅度下观察到最大聚结（即，P 2,+为 29.9 MPa，P 2,−为 –9.6 MPa）。
在本研究中，峰值压力幅度（P 2,+和P 2,−）和脉冲长度发生变化，以研究暴露条件的变化对所提出的压力调制冲击波组织解剖学中最终病变产生的影响。观察到病变大小随着P 2,+和P 2 , −逐渐增大（图5z -ii、7、8、9、10和表3））。由于在所提出的组织解剖暴露期间没有出现明显的空化云，因此引起的机械损伤的程度应主要归因于沸腾气泡的程度。事实上，在压力调制冲击波组织解剖暴露结束时测量的沸腾气泡的尺寸随着P 2,+和P 2,−的增加而增加：74.7 μm（图 7b）、99.2 μm（图 7a） (a) P 2,+ = 5 MPa时为 298 μm（图 5 z-i） ； P 2,− = –3.7 MPa, (b) P 2,+ = 13.2 MPa; P 2,− = –6.8 MPa, (c) P 2,+ = 29.9 兆帕; P 2,− = –9.6 MPa 分别。气泡尺寸的增加很可能是由于（a）气泡合并程度与峰值正压幅度之间的正相关关系（图5，图7）[29]，[36]和（b） ）气泡的大小与峰值负压[16]。本研究还证明了使用所提出的组织解剖学来控制 HIFU 焦点处沸腾气泡的寿命的可行性（图 8，补充图 1））。在所使用的暴露条件下，最初由冲击波加热形成的沸腾气泡持续存在并维持在 HIFU 聚焦区内，直到暴露结束（即超过 10、50 或 100 毫秒），这表明改变程度的可能性通过改变压力调制冲击波组织切片脉冲长度来控制机械损伤（即，气泡寿命越长，产生的损伤程度越高，反之亦然）。这值得进一步调查。
根据本研究中提出的结果，可以表明所提出的组织解剖学有可能用于通过控制沸腾气泡的范围和寿命而不引起机械损伤来诱导具有所需程度机械损伤的空间局部组织分割冲击散射效应。建议使用强度刚好足以产生沸腾气泡的沸腾组织解剖脉冲，而不是应用所提出的组织解剖方法（例如，图4g）。然而，在沸腾组织解剖中，沸腾气泡的爆炸及其与冲击的进一步相互作用可能导致机械组织分割。先前的研究[2] , [6]据报道，沸腾组织切片脉冲长度需要比沸腾时间长（即比形成初始沸腾气泡的时间长），以便由爆炸沸腾气泡引起的机械损伤程度（通过整流气泡生长）]）及其与入射冲击波的进一步相互作用（冲击散射效应、入射 HIFU 波的衍射、雾化）变得大于冲击波加热造成的潜在热损伤。在本研究中，可以观察到局部冲击波加热区域的宽度（图5e）大于HIFU焦点处产生的初始沸腾气泡的尺寸（图5g）。在沸腾组织解剖中，惯性空化云随着沸腾气泡的爆炸性增长而形成[2]，，而该空化簇在保持沸腾的同时消失使用所提出的压力调制冲击波组织切片术在 HIFU 焦点处产生气泡（图 5、图 7，图8）。为了有效治疗实体瘤，所提出的组织解剖学可以与煮沸组织解剖学一起使用。例如，大的实体瘤最初可以通过煮沸组织解剖术进行治疗，随后可以采用所提出的压力调制冲击波组织解剖术来破坏与正常组织或主要血管相邻的残余肿瘤。
5. 结论
在这项研究中，提出并论证了压力调制冲击波组织摧毁术术。该方法的概念是通过调节峰值压力大小和脉冲长度来控制沸腾蒸汽泡的程度和寿命，而不引起冲击散射效应。高速摄像机和PCD实验结果清楚地表明，在所提出的组织解剖暴露下，通常出现在沸腾泡和沸腾组织解剖中的HIFU换能器之间的空化云不会出现（即，不会出现冲击散射效应）。这可能是因为沸腾气泡反向散射声场的峰值负压幅度保持在空化云固有阈值以下。因此，空间局部机械损伤，主要是由于 HIFU 焦点处沸腾气泡周围产生的剪切应力而发生，导致产生比沸腾组织解剖产生的典型蝌蚪形病变更小的椭圆形病变。
