Ponomarchuk EM, Hunter C, Song M, Khokhlova VA, Sapozhnikov OA, Yuldashev PV, Khokhlova TD. Mechanical damage thresholds for hematomas near gas-containing bodies in pulsed HIFU fields. Phys Med Biol. 2022 Oct 20;67(21):10.1088/1361-6560/ac96c7. doi: 10.1088/1361-6560/ac96c7. PMID: 36179703; PMCID: PMC9645587.
腾组织解剖 (BH) 是一种新型高强度聚焦超声 (HIFU) 应用，目前正在开发用于软组织和大血肿的非侵入性机械分割。在开发用于消融含气体器官附近目标的 BH 治疗计划方法的背景下，本研究旨在研究雾化引起的组织-空气界面损伤的超声压力阈值以及危险区域尺寸与空间的相关性。非线性 HIFU 场参数的结构。
方法：
新鲜凝固的牛血与空气的平坦界面被用作离体模型，因为与软组织相比，其结构均质且对超声引起的机械损伤更敏感。三个不同F的 1.5 MHz 传感器-数字（0.77、1和1.5）聚焦在平坦凝块表面之前或之后的不同距离处，并且以恒定的高振幅输出水平或逐渐增加的水平进行BH暴露，直到对凝块造成明显的损坏表面发生。凝块表面的 HIFU 压力场参数是通过水中听音器测量、使用“HIFU Beam”软件的前向波传播模拟和图像源方法相结合来确定的，以解释凝块表面的波反射和站立的形成。海浪。由此产生的 HIFU 场中峰值负压的等水平与表面侵蚀的轮廓相关，以识别 BH 焦点周围的危险区域。
主要结果：
危险区域的轮廓与大量凝块材料中产生的典型 BH 损伤的轮廓不同。在焦前区域，该区域被限制在入射峰峰值压力的 4 MPa 轮廓内；在主焦叶内，它由最大 BH 病变宽度确定；在焦后区域，由焦叶的横向尺寸和第一焦后压力轴向零位的位置确定。
意义：
事件 HIFU 基于压力的危险区域边界在 BH 焦点周围勾勒出轮廓，并且可以叠加到治疗中的超声图像上，以避免损坏邻近的含气体物体。
已经开发出许多使用高振幅 HIFU 脉冲（组织解剖学）对组织进行非侵入性机械消融的方法，作为使用高强度聚焦超声 (HIFU) 的热消融技术的替代方案（Maxwell 等人 2012，Khokhlova VA 等人） 2015）。一种称为沸腾组织解剖 (BH) 的组织解剖类型，利用相对较长的几毫秒 HIFU 脉冲，由于非线性传播效应以约 1-2% 的低占空比传递，因此在焦点处包含冲击波，以消除热效应（Khokhlova 等人） 2011年）。快速局部冲击波过热导致每个脉冲内组织温度升高高达 100°С，随后产生的蒸汽泡和入射冲击波之间的相互作用导致组织机械分级为液态（Maxwell 等人 2012，Simon 等人 2012） 。
典型的单个 BH 病变由位于焦前的椭圆形空腔（通常称为“头部”）和较细长的焦后部分（称为“尾部”）组成（图 1(a)））。“头部”被认为是由多种效应组合形成的：当高振幅冲击波从组织-蒸汽压力释放界面反射时，局部大负压区域的形成引起蒸汽泡前面的空化，通过直接散裂机制将组织碎片分离到蒸汽腔中，在腔的近端表面形成微型声喷泉——沿入射波传播方向的碎片射流，并且该射流表面失去稳定性随着小组织碎片的分离（声雾化的效果）（Simon et al. 2012 , 2015 , Pahk et al. 2019 , 2021）。由于 BH 暴露中所有这些相互关联的过程的结果是将组织分解成亚细胞碎片，为简洁起见，它们在这里统称为雾化。所提出的 BH 病变“尾部”形成机制之一是前面提到的蒸汽腔内的雾化组织射流，由亚毫米直径的超聚焦 HIFU 光束的辐射力产生。这种高速射流从蒸汽腔的近端表面喷出，撞击相对的（远端）表面，从而在组织中形成一个通道——“尾巴”（Khokhlova et al 2017）。对“尾部”形成的另一种解释是，由于围绕第一个气泡的入射 HIFU 场的衍射，在第一个气泡后面出现了二次蒸汽泡（帕克等人。2019）。
图 1.
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(a) 在大量软组织中诱发的典型 BH 病变形状示意图。(b) 靠近含气器官（肠）的血肿引起的 BH 病变的示意图以及 HIFU 焦点F（绿点）周围的危险区域轮廓（白色虚线轮廓）。
BH 目前正在开发用于许多临床应用，包括机械肿瘤消融、脓肿消毒以及液化大血肿以供随后的细针抽吸（Khokhlova 等人 2016，Ponomarchuk 等人 2021，Matula 等人 2021）。所有这些消融目标通常位于腹腔中，紧邻含气体器官，例如胃、肠和肺。众所周知，入射到含气器官界面上的 HIFU 波会通过压力释放界面处的雾化增加对界面组织造成机械损伤的风险（Li et al 2007）。充气器官壁损伤的确切地下压力阈值尚不清楚，将 HIFU 压力保持在该阈值以下对于 BH 等高振幅脉冲照射尤其重要。
因此，高振幅超声波与压力释放界面相互作用的机制首先决定了 BH 病变的形状和大小，其次决定了病变附近含气体器官的损伤阈值。这两个方面对于治疗计划都是至关重要的。这项工作的总体目标是在大腹腔内血肿的 BH 液化的背景下，将超声场参数与上述两种治疗效果联系起来：BH 病变尺寸和焦点周围的危险区域，超出该区域则与充气界面接触。器官不会受到损害（图1（b））。
单个 BH 病变的形状和大小取决于换能器参数（频率和聚焦角）、脉冲持续时间、组织机械特性和治疗持续时间（即传递的 BH 脉冲数量）。据报道，在所有换能器参数、脉冲持续时间和目标组织（例如牛血凝块、肝脏和心脏组织）中，BH 病变大小随着传递的 BH 脉冲数量的增加而增加，然后在 5-20 个脉冲内达到饱和。具体数量取决于组织机械特性和脉冲持续时间（Khokhlova et al 2011 , 2016 , 2018a , Simon et al 2012）。BH 换能器工作频率的降低也已被证明会导致 BH 病变尺寸增大，然而，在低于 1.2 MHz 的频率下，会导致有害的焦前空化屏蔽聚焦区域的可能性更高（Khokhlova 等人 2011，2017）。Vlaisavljevich 等人 (2015a , 2015b , 2017 ) 在其他组织解剖技术的背景下也对上述暴露参数进行了广泛研究。
在牛血凝块中也显示，BH 换能器聚焦角的增加导致 BH 病变的“头部”更圆（即横向尺寸更宽，轴向更短），以及更窄和更短的病变“尾巴”（Khokhlova et al 2018a）。
靶组织的类型，特别是其弹性模量和韧性，强烈影响 BH 病变的形状和大小 ( Khokhlova et al 2011 , 2014 , 2018a , 2020 , Simon et al 2012 , Wang et al 2013 , 2018 , Khokhlova VA等人，2015）。据报道，胶原蛋白含量高的结缔组织对 BH 的机械破坏具有最高的抵抗力 ( Khokhlova et al 2014 , Wang 2018 )，而血凝块则最敏感 ( Simon et al 2012 , Khokhlova et al 2016)）。因此，组织超声雾化的阈值（介导 BH 的机制之一）也被发现取决于组织类型。Simon 等人 (2012)报道了牛肝和猪血凝块雾化所需的 HIFU 阈值强度，焦点位于平面组织-空气界面。发现猪血凝块雾化的阈值强度低于牛肝组织的雾化阈值强度。
在所有其他软组织中，血凝块材料对雾化引起的机械损伤的敏感性最高，这表明它可以作为研究 BH 治疗部位附近充气器官损伤风险的良好模型。具体来说，如果在 BH 暴露期间 HIFU 光束内存在的凝块-空气界面没有发生机械损伤，那么含气体器官的类似位置的表面预计不会出现这种损伤，因为其对雾化的抵抗力更大。换句话说，就 BH 治疗期间邻近组织的附带损伤而言，大的凝块-空气界面代表了含气体器官壁的最坏情况模型。
上述论点使我们选择大体积牛血凝块作为离体模型，研究 BH 病变形状和大小对 HIFU 场参数的依赖性，并确定病灶周围危险区域的边界，在该边界之外，对含气器官的损害是最小的。此外，与大多数软组织不同，大体积凝块材料被发现非常均匀，其机械性能非常一致且可重复，从而减少了基于组织的结果变异性（Khokhlova 等人，2020）。
这里描述的研究由两部分组成。在第一部分中，研究了换能器聚焦角（或F数）和相对于 HIFU 换能器焦点的平面凝块-空气界面位置对典型 BH 暴露结果的影响。三个具有不同F 的HIFU 换能器-数字用于提供典型的 BH 曝光，焦点位于界面之前或之外的受控距离。将由此产生的 BH 损伤和表面侵蚀的轮廓与相应 HIFU 场的数值模拟参数的等压水平进行比较，以确定损坏压力释放界面的压力阈值。请注意，当聚焦在界面之前或之外时，预计有两种不同的机制会导致表面损坏。当焦点置于凝块体积内部、表面之前时，会发生标准 BH 过程。在焦点处形成的蒸气泡和空化云部分或完全阻挡了 HIFU 场，从而阻止了位于焦点后的表面的雾化。然而，BH 期间与声学微喷泉机制相关的液化材料的高速射流撞击气体/蒸汽腔的远端，形成通向表面的隧道并促进表面损坏。相反，当焦点位于样品外部、凝块-空气界面之外时，表面损伤的主要机制将是 HIFU 场的直接雾化。
在第二部分中，针对表面之前或之外的不同焦点位置，研究了换能器聚焦角度对凝块表面雾化阈值的影响。相同的三个传感器用于将具有 BH 典型持续时间的单脉冲传送到凝块样本，焦点位于凝块-空气界面之前或之外的受控距离处。增加HIFU输出水平直至凝块表面出现肉眼可观察到的损伤，并将相应的输出水平定义为阈值。基于 HIFU 现场水听器测量和建模，该阈值与相应的原位最大负压相关。
然后比较研究第一部分和第二部分确定的阈值，以确定 BH 传感器焦点周围的危险区域。
2 材料与方法
2.1.体外血肿模型
新鲜牛血取自当地屠宰场，用柠檬酸磷酸葡萄糖（CPD，No. C7165；Millipore-Sigma，St. Louis，MO，USA）按 9:1 体积比抗凝，冷藏于 5°С，用于实验一周内。每次实验当天将抗凝血液倒入5×5cm底长方形塑料模具中，室温脱气60～70min，加入25mmol/L CaCl 2凝固。溶液（编号 C3306，Millipore-Sigma）。凝块样本的高度在 2 到 4 厘米之间变化，具体取决于每个样本所用换能器的聚焦角度和预期的焦点位置。在超声处理之前，将样品放入具有声学透明底部的塑料模具中，连接到 3D 定位系统，并部分浸入装有过滤去离子水的水箱中，该水箱已初步脱气 60-70 分钟。将凝块的底部水平侧放入水中，上侧与空气接触（图2（a，b））。
图 2.
用于研究凝块-空气界面机械损伤阈值的实验装置示意图 (a) 和照片 (b)。(c) 所使用的三个聚焦角度的示意图。(d) 血肿损伤示意图，焦点F（绿点）靠近凝块空气界面。L before – 焦点在表面之前的安全距离，L Beyond – 焦点超出表面的安全距离，d – 表面损伤直径。
2.2.实验设置和程序
实验装置如图2(a，b)所示。使用三个 1.5 MHz HIFU 换能器（图 2(c)），它们具有相同的孔径但不同的F数（焦距与孔径之比）——0.77、1 和 1.5（Khokhlova 等人 2018b）。传感器的标称参数列于表1中。传感器由定制的 D 类放大器驱动，输入波形由计算机控制的现场可编程门阵列 (FPGA) 板生成（Maxwell 等人，2017 年）。
Table 1.
Transducer nominal parameters and corresponding pulsing protocols for interface damage threshold determination
| F# | 0.77 | 1.02 | 1.51 |
| f 0 | 1.5 MHz | 1.5 MHz | 1.5 MHz |
| α | 81° | 58° | 39° |
| V | 110 V | 130 V | 180 V |
| W 0 | 320 W | 442 W | 404 W |
| tpulse | 10 ms | 10 ms | 20 ms |
| N p | 30 | 30 | 30 |
| DC | 1% | 1% | 2% |
| In situ P+ / P− / As | 134.4 / −19.33 / 119 MPa | 87.17 / −14 / 95.3 MPa | 44 / −8.624 / 51.52 MPa |
| tb, ms | 0.8 | 1.66 | 10.3 |
| Isppa | 43.7 kW/cm2 | 24.8 kW/cm2 | 8 kW/cm2 |
F# = nominal F-number; f0 = operational ultrasound frequency; α = nominal focusing angle; V = source output voltage; W0 = acoustic output power in situ; tpulse = pulse duration; Np = number of pulses per sonication point; P+(P−) = peak positive (negative) pressure at the focus at the average depth in situ; As = focal shock amplitude in situ; tb = time to boil; Isppa = spatial-peak pulse-average intensity at the average depth in situ.
HIFU 换能器有一个中心开口，其中包含一个 5 MHz 聚焦换能器，孔径为 13 毫米，曲率半径为 63 毫米（奥林巴斯 NDT），用作由脉冲接收器控制的脉冲回波探头（Panametrics PR5072，Waltham，MA，美国）和数字示波器（DSO-X 3034A，Keysight Technologies, Inc.，Santa Rosa，CA）。脉冲回波测量用于控制 HIFU 焦点和凝块空气界面之间的距离。HIFU 焦点被定义为自由场中激波形成状态中的最大峰值正压点。在自由场中传感器的水听器表征过程中预先记录了与焦点相对应的时间延迟。根据血肿样本的厚度和水中的声速，对超声路径中存在凝块层所引入的延迟进行了校正（c w = 1500 m/s) 和牛血凝块，使用声卡尺在 n=6 个凝块样本中测量 ( c c = 1560±20 m/s) ( Hunter et al 2016 )。HIFU 焦点相对于凝块-空气界面的定位是通过 3D 定位系统（Velmex, Inc., Bloomfield, NY）沿轴向机械平移凝块样本来实现的。对于F # = 0.77 和F # = 1 传感器，焦点位置之间的步长为 1 毫米；对于F # = 1.5 传感器，焦点位置之间的步长为 2 毫米。每个位置重复 n = 1-3 次。在第一组实验中，HIFU照射参数（表1）使用了软组织中典型的 BH（占空比为 1-2% 的 10-20 毫秒脉冲），对应于完全开发的冲击状态，以便在每个脉冲内实现焦点处的组织沸腾（Khokhlova 等人2011，2014 ），2016 年，Simon 等人，2012 年，Wang 等人，2013 年，Khokhlova VA 等人，2015 年）。沸腾时间 ( t b ) 的评估在第 2.4 节中描述。声功率 ( W 0 )、峰值焦点压力和原位激波振幅( P + / P − / A s）是根据2.3 节中描述的组合水听器测量和模拟确定的。每次曝光传递的 BH 脉冲数量与所选脉冲方案的 BH 病变大小的饱和度相对应 ( Khokhlova et al 2016 , 2018a )。脉冲回波探针证实了凝块内气泡活动的启动。HIFU 焦点位于凝块-空气界面之前，深度范围从零到允许在样品内部完全产生 BH 损伤的距离，L之前，或超出界面，范围从零到不会产生 BH 损伤的距离在凝块表面有任何视觉上可辨别的损坏时，L超出（图2(d) )。BH 曝光后，对样品的凝块-空气平面界面进行拍照，然后将样品沿 HIFU 轴垂直平分，并对切割表面进行拍照以获得 3D 病变轮廓。对于给定的 HIFU 换能器，每个焦点位置至少产生 n=3 个病灶，以测试结果的可变性。请注意，在 BH 暴露之前，凝块表面并不完全平坦，并且不可避免地具有一些浅于 1 毫米的表面起伏（例如图 2b中看到的表面））。因此，BH 曝光后发现的表面缺陷在尺寸和深度上与预先存在的缺陷相当，很难通过视觉辨别并明确归因于曝光。考虑到这一限制，深度和直径小于 1 毫米的缺陷被称为凝块表面没有损坏。
在第二组实验中，HIFU 焦点也定位在凝块-空气界面之前或之外的受控距离处，并且相同的 HIFU 换能器提供与表 1中相同的持续时间和占空比的隔离脉冲，但具有输出功率逐渐增加，直到通过声雾化对表面产生视觉上可辨别的损坏。相应的原位压力场是通过测量和建模相结合的方法确定的，并被视为雾化阈值。
为了比较血凝块中的雾化阈值与水中的雾化阈值，其中雾化得到了更彻底的研究（Rozenberg and Eknadiosyants 1960，Tomita 2014，Simon et al 2015，Gaete-Garretón et al 2018，Aikawa and Nobuki 2021，Kim et al 2021）），对脱气水面进行了相同的实验，但阈值压力被定义为导致视觉上可辨别的水滴分离的压力。
2.3. HIFU 场表征
使用“HIFU 光束”软件模拟所有暴露期间血凝块内的 HIFU 场（Yuldashev 等人 2021）。所有三个换能器的边界条件都是根据等效源方法通过水听器测量设置的（Canney et al 2008、Khokhlova et al 2018b、Khokhlova VA et al 2018）。
2.3.1.水中的水听器测量。
两个系列的水听器测量是在充满脱气水的水箱中进行的。
首先，使用 200 μm 孔径校准胶囊水听器（带 AH-2020 前置放大器的 HGL-0200，Onda Corp.，Sunnyvale，CA）在低输出（线性传播）状态下测量轴向压力分布。这些测量用于定义每个 HIFU 换能器的等效源的参数（孔径、焦距和中心开口的尺寸）。测量的压力幅度的绝对值用于获得换能器表面处的压力幅度p 0，并将其与相应的HIFU驱动电压幅度V联系起来。p 0 / V比率用于在增加的驱动电压下进行的“HIFU 光束”模拟。
其次，为了确认具有上述确定参数的等效源高振幅场的数值模拟结果，使用光纤探头水听器在水中进行了一组全范围输出水平的焦点压力波形测量（ FOPH2000，100μm 光纤尖端直径，100 MHz 带宽，RP Acoustics，Leutenbach，德国）。如前所述，焦点被定义为在冲击形成输出水平处发现的最大峰值正压力的位置。对测量的焦点波形进行后处理，以确定峰值正焦点压力和负焦点压力对换能器驱动电压的依赖性。
2.3.2.水中的数值模拟。
HIFU 场的计算是使用模拟器“HIFU 光束”进行的，该模拟器基于 Westervelt 方程的广角抛物线表示，对轴对称 HIFU 换能器产生的线性和非线性场进行建模（Khokhlova VA et al 2018，Yuldashev et al 2018），2021）。该模拟器可从http://limu.msu.ru/node/3555?language=en下载。首先，模拟中等效源的参数变化接近标称参数，以实现水中线性状态下测量的轴向压力分布和建模的轴向压力分布之间的最佳匹配。然后将所得的等效源参数集用作非线性传播建模的边界条件。
进行高功率场计算，等效源表面的压力幅值p 0与实验上增加的源驱动电压V成比例增加，获得焦点处的饱和曲线并与水听器测量结果进行比较。然后，使用为三个换能器中的每一个获得的等效源参数来对 HIFU 焦点相对于空气界面的每个位置的血肿模型中产生的 3D 非线性场进行建模。
2.3.3.血肿样本的数值模拟。
数值场计算所需的牛血肿声学参数取自文献如下：血肿密度ρ = 1060 kg/m 3，非线性参数β = 4，吸收幂律中的指数ν = 1.1 ( Grybauskas et al 1978，Duck 1990，Nahirnyak 等人 2006，Khokhlova 等人 2016）。使用声卡尺和插入法测量纵波速度c l = 1560 m/s 和 1.5 MHz 时的衰减系数α = 0.045 Np/cm。水的声扩散系数为标准值：δ= 4.33 毫米2 /秒。
模拟中使用的传播介质被认为由两个平坦层组成——水层和半无限的凝结血液层，边界在每次模拟中根据相对于凝块层的焦点位置而移动。
图像源方法解释了来自空气凝块表面的波反射和凝块内部驻波的形成（Pierce 2014）：通过引入发射假想镜源来提供凝块-空气界面处的压力释放边界条件。与真实波源方向相反的反向波。来自两个镜像源的波的叠加在界面处提供了零压力，并且这些在凝块表面附近反向传播的波的干扰导致了准驻波的形成。
3.1.传感器场表征
图3（a，b）显示了线性状态下测量的压力振幅轴向扫描与使用等效源的最佳拟合几何参数建模的压力振幅轴向扫描之间的良好一致性。等效源的参数与标称源的比较见表2。
图 3.
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(a,b) 水中线性梁的归一化轴向 (a) 和横向 (b) 压力振幅分布，由胶囊水听器测量（符号），并基于等效源方法进行数值模拟（实线）。(с) 峰值正负焦点压力与源输出功率W 0相关的实验（符号）和理论（实线）饱和曲线。(d) 聚焦在凝块内的 HIFU 光束的辐射力引起的组织位移随暴露时间（实线）的理论评估。虚线对应于评估的沸腾引发时间。F # = 0.83的传感器由蓝线表示，F # = 1.13 由红线表示，F# = 1.6 黑线处。
表 2.
数值模拟中使用的 HIFU 换能器标称几何参数和相应的等效源参数
| 高度聚焦 | 中焦 | 对焦弱 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 标称 | 有效的 | 标称 | 有效的 | 标称 | 有效的 | |
| 直径,毫米 | 56.4 | 60 | 76.8 | 80 | 118.1 | 120 |
| 毫米 | 73 | 72.7 | 75 | 71 | 78 | 75 |
| 直径 | 24 | 30 | 24 | 30 | 24 | 30 |
| F # | 0.77 | 0.83 | 1.02 | 1.13 | 1.51 | 1.6 |
| 尺寸,厘米2 | 42.92 | 39.05 | 42.63 | 34.63 | 44.63 | 38.22 |
| p 0 /V , kPa/V | 4.508 | 4.76 | 3.128 | |||
F = 焦距；A = 孔径；O = 中心开口直径；F #= F-号；S = 源表面积；p 0 = 传感器上的压力幅度；V = 输出电压。
比率p 0 /V是通过将实验饱和曲线与主要在准线性状态下的模拟曲线进行匹配来确定的（图 3(c)），因为由于饱和度的尺寸有限，在较高输出下实验测量的峰值压力可能会被低估。水听器敏感区域与非线性焦瓣的宽度相当。声输出功率W 0根据表 2中列出的换能器表面压力p 0、水中声速c 0、其密度ρ 0和换能器表面积S计算如下：
3.2.组织位移评估
通过方程评估随时间变化的组织位移。图 3（d）中描绘了三个传感器中的每一个的图3，并且在沸腾时间内，对于F数为 0.83、1.13 和 1.6 的传感器，分别为 2、4.5 和 3.6 mm。
3.3.病灶分析
图 4说明了F # = 1.13的换能器的表面损伤（顶行）及其轴向平分（底行）的代表性示例，焦点位置位于凝块-空气界面之前（图 4(a)）和凝块-空气界面之外。空气界面（图4（b））直到不会对表面造成损坏的距离。这些前焦距和后焦距将被称为“安全距离”。
图 4.
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图示了F # = 1.13 的换能器的表面侵蚀直径（顶行）和轴向平面内病变形状（底行）随焦点F（绿点）与凝块空气界面之间距离的变化。(a) 焦点位于表面（左列）、表面前 5 毫米（中列）、表面前安全距离 L – 10 毫米（右列）。 (b) 焦点位于表面（左列），距表面 12 毫米（中列），安全距离L超出表面 - 22 毫米（右列）。绿色虚线表示 HIFU 光束几何形状。HIFU 入射到观察者（顶行）或从图像底部（底行）。比例尺 – 5 毫米。
表 3提供了每个换能器的安全距离，并且对于弱聚焦换能器，安全距离会增加。
表 3.
病灶尺寸与模拟入射线性压力场特征参数的比较
| F # | 前长，毫米 | Δ z柱，毫米 | 超出长度，毫米 | <l>，毫米 | Δ z pre , 毫米 | <d>，毫米 | <D>，毫米 | Δr ,毫米 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.83 | 7 | 6.45 | 18 | 8.2±0.8 | 5.25 | 1.5±0.2 | 1.8±0.5 | 1.7 |
| 1.13 | 10 | 13.8 | 22 号 | 10.1±1.3 | 9.9 | 2.41±1.03 | 2.1±0.5 | 2.3 |
| 1.6 | >16 | 30.5 | 30 | 22.5±0.7 | 18.7 | 5.7±0.5 | 3.1±1.1 | 3.34 |
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L before = 焦点在表面之前的安全距离；Δ z post = 从焦点到第一后焦压轴向零点的距离；L Beyond = 焦点超出表面的安全距离；<l> = 当焦点位于表面之前时 BH 病变“头部”的平均长度；Δ z pre = 第一焦前压力轴零点到焦点的距离；<d> = 当焦点位于凝块内部且表面位于焦点叶之外时表面侵蚀的平均直径；<D> = 当焦点位于表面之前时 BH 病变“尾部”的平均直径；Δ r = 零点处的焦点波瓣宽度。
当焦点位于样品内部并开始沸腾时，与焦点位于样品之外并发生表面雾化（ L超出）时相比，表面损伤在更小的距离（ L之前）消失。对于具有最高F数的源（F # = 1.6），血块内焦点的安全距离显示为超过 16 毫米，但由于产生血肿所需的厚度较大，因此无法通过实验精确确定位于病灶表面以下显着深度的全尺寸 BH 病变（Khokhlova 等人 2018a）。
如图 4(a)所示，当 HIFU 焦点位于凝块-空气界面之前时，样品内的 BH 损伤（底行）呈蝌蚪状，这是 BH 的典型特征，表明表面损伤是由声波产生的。分离的组织碎片的流动，即通过 BH 病变的“尾部”。喷射引起的圆形表面损伤（图 4(a)，顶行）也支持了这一点，而声雾化引起的表面侵蚀的形状更不规则（图 4(b)，顶行） ，中间面板）。
病变的形状也取决于换能器F数（表 3）。当焦点位于样品内部时，具有较高F值的 HIFU 换能器在样品表面产生更窄、更轴向拉长的沸腾引起的直径更大的“蝌蚪”形损伤。当焦点位于样品表面之外时，F值越高，雾化引起的损伤越深，而表面侵蚀的直径则减小。
图5说明了观察到的表面损伤的平均直径（图2(d)中的直径d）与远离其边界的大凝块样本内部产生的典型BH损伤之间的相关性。轴向方向上的焦前危险区轮廓（每张图片左侧的红色十字）相对于典型 BH 病变的“头部”的焦前位置要远得多，而焦后安全距离小于“尾部”的长度。在主焦叶内，表面侵蚀直径接近BH病变“头”的宽度，并且大于当表面位于焦叶外时表面损伤的平均宽度<d> 。如图5中的背景照片所示，由F # = 0.83 和 1.13 换能器产生的大块损伤的“尾部”是弯曲的，这在之前已经观察到（Khokhlova 等人 2016）。我们将这种效应归因于每个特定凝块样本特有的纤维蛋白基质结构的不均匀性，这定义了凝块材料在“尾部”形成过程中对组织碎片的组织流的抵抗力。
图 5.
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(a-c) 表面侵蚀的平均直径（蓝色垂直线，表示图 2(d)中的直径d），位于距焦点（绿点）不同距离处，叠加在远距离血肿引起的典型 BH 病变的照片上从它的边界。红十字表示焦点和表面之间的安全距离。HIFU 事件（左）比例尺 – 5 毫米。与典型的大块 BH 病变的形状相比，危险区域轮廓的位置更靠焦前，更少靠后。(d) 表面损伤的平均半径与焦点界面距离的关系：焦点位于凝块表面之前 ( h <0) 或之外 ( h >0) h毫米。带F 的传感器# = 0.83 由蓝色标记表示，F # = 1.13 由红色标记表示，F # = 1.6 由黑色标记表示。十字表示焦点和表面之间的安全距离。误差线显示标尺的组合标准偏差和仪器不确定度。
3.4. BH 病变与 HIFU 场的相关性
由表3可见，焦点在血栓内部时的后焦安全距离（L before）接近于数值模拟线性场中焦点到第一焦后压力轴零点的距离（Δ z post ） 。），而焦前安全距离（L Beyond ），即当焦点超出凝块表面时，比到第一焦前压力零点的距离（Δ z pre ）大2倍以上。然而，该距离 Δ z pre与 BH 损伤“头”(< l> )的平均长度相关，这与血块体积内产生的 BH 损伤的结果一致 (Khokhlova 等人，2018a，2020）。BH 病变“头部”的宽度与任何场参数均不相关。当 HIFU 焦点位于凝块内部但表面位于焦点叶外部时，观察到表面损伤的平均直径<d>与焦点叶的宽度和 BH 病变“尾部”的平均直径<D>相关。对于最弱聚焦换能器，表面射流引起损伤的平均直径大于“尾部”和焦瓣的宽度（表 3）。我们推测，这可能是因为即使在距焦点最远的距离处，表面仍然位于焦点波瓣内，因此，不一定受到“尾部”形成射流的损坏，也可能受到“头部”形成射流的损坏。机制。
图 6显示了表面侵蚀形状与焦点位于表面之外时在血肿内引起的非线性驻波压力场相关的代表性示例 (a-c) 和总结结果 (d)。观察到表面侵蚀的轮廓位于侵蚀底部峰值负压的 4 MPa 轮廓内。这通过表面损伤在驻波场上的叠加（图6a - c）和表面侵蚀半径低于相应的4 MPa峰值负压半径（图6d）来证明。）。在这种情况下，驻波中的峰值负压值也对应于入射声场中峰峰值压力的 4 MPa 轮廓。这些压力值被认为是雾化引起的损坏的阈值。
图 6.
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表面损伤与驻波中峰值负压场几何形状的相关性：(a-c) 对于F # = 0.83 传感器，焦点F（红点）位于凝块-空气界面之外 10 mm；(d) 对于不同焦面距离的所有传感器。(a) 计算出的轴向平面内 1、2、3、4 和 5 MPa 的峰值负压等值线以及相应表面损伤的投影（黑色实线）。红色虚线表示 HIFU 光束几何形状。(b) 叠加在其总照片上的表面损伤的直径和轮廓（黑色实线）。(c) 表面损伤轮廓（黑色实线）叠加在最大P − 1、2、3、4 和 5 MPa 的峰值负压轮廓上病变底部下方 λ/4 厚层内计算的横向分布。HIFU 从底部 (a) 或朝向观察者 (b、c) 入射。(a–c) 的比例相同。(d) 焦点位于凝块-空气界面之外时获得的表面侵蚀直径与在病变底部下 λ/4 厚层内计算的最大P -横向分布中 4 MPa 峰值负压等值线的半径之间的关系。灰色虚线表示身份线。
对于超出凝块表面的所有焦点位置，根据BH病变与HIFU场的相关性确定的负压的雾化阈值总结在图7(a)中。如图所示，观察到阈值取决于相对于压力释放界面的焦点位置，并且对于表面 10 mm 以内的焦点位置通常较高。我们推测，这种差异可能部分是由于当表面位于焦点区域内时，声辐射力导致表面强烈变形，并形成了西蒙等人（2012）观察到的土丘。对反射波起到聚焦作用。虽然此处没有测量土丘的确切高度，但计算出由于辐射力引起的大块组织的轴向位移，对于中聚焦换能器来说最高为 4.5 毫米，对于最聚焦换能器来说最低为 2 毫米传感器，提供一些可能预期值的指示。此外，当焦点靠近表面（最多 4 毫米）时，US 传感器检测到轴向移位组织内形成蒸汽泡（图 7(a)中的星号标记）），因此代表 BH 引起的表面损伤，而不是仅基于雾化的损伤。入射 HIFU 场和驻波形成的数值模拟是针对平面和固定的凝块-空气界面进行的，因此可能会提供错误的可变值和升高的阈值。因此，雾化阈值被定义为在整个焦点位置上对血肿表面造成损害的最低P-值（图7(a)中的虚线框）。所有三个传感器的这些值都相似，范围在 4-6 MPa 之间。
图 7.
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驻波中的最大负压：在阈值强度下，BH 病变底部 (a) 和凝块-空气 (b) 或水-空气 (c) 边界下。(a) 圆柱形 λ/4 厚层中驻波峰值负压的最大幅度，其表面损伤半径位于 BH 引起的损伤底部下方。焦点位于凝块表面之外 ( h >0)。星号标记表示煮沸引起的损伤；实心方形标记表示焦点位于距凝块空气界面安全距离处；圆形标记表示雾化引起的损伤。(a) 中的虚线矩形轮廓勾勒出最低的P −在整个焦点位置上对血肿表面造成损害的值。(b) 凝块-空气界面下 2λ 厚层中驻波峰值负压的最大幅度，阈值强度导致凝块表面产生针孔。(с) 水-空气界面下 2λ 厚层中驻波峰值负压的最大幅度，阈值强度导致水滴脱离。在 (b) 和 (c) 中，焦点位于( h < 0) 或之后 ( h>0) 凝块表面，顶部的水平线表示相应传感器的焦点波瓣的轴向尺寸。(b,c) 中的虚线矩形轮廓勾勒出位于焦点波瓣边缘或外部的焦点的数据点。F # = 0.83的传感器由蓝线表示，F # = 1.13 由红线表示，F # = 1.6 由黑线表示。
由低振幅实验确定的雾化阈值如图7(b)所示。如图所示，与高振幅情况类似，阈值高度依赖于焦点相对于凝块表面的位置，并且对于具有较低F数的两个换能器，这种依赖性具有明确定义的最大值。最大值正好对应于表面上的焦点位置，并且在距焦点的距离超过焦点波瓣的长度处，相关性变平（在图 7(b)顶部用水平线表示每个换能器））。我们推测这种依赖性可能又是由辐射力引起的凝块表面的高度和曲率引起的。因此，仅考虑焦点叶之外的凝块表面位置的阈值测量（图7（b，c）中的虚线框）。发现这些阈值峰值负压在 3-6 MPa 范围内，类似于血块中的高振幅测量值，与P -= 4 MPa 轮廓如上定义。对于最弱聚焦换能器，测量的阈值不表现出相同的行为，并且远高于其他两个换能器在远距离处的阈值。然而，请注意，表面距焦点最远的位置仍在焦点波瓣内，并且土丘的形成可能会影响表面下产生的压力水平。因此，未定义F # = 1.6 传感器的低幅度阈值。
与血肿中的雾化阈值相比，在水-空气界面处测得的雾化阈值显示出较低的阈值压力（图7（c））。与凝块-空气界面类似，具有较低F值的两个源的雾化阈值取决于在与焦瓣长度相对应的范围内相对于水面的焦点位置。当水面位于焦瓣之外时，相关性在 1-1.5 MPa 范围内趋于平坦。相反，对于具有最高F值的传感器，水中的阈值压力与焦点位置显着无关，平均为 1.1 MPa，与其他两个传感器一致。
3.5. BH 焦点周围的危险区域轮廓
BH 焦点附近的压力释放界面的总体危险区域由获得的病变的平均尺寸确定，并且可以根据声场的结构和大块 BH 病变的典型尺寸进行概述（图8）。根据图6-图7的结果，可以沿着与4 MPa入射峰峰值压力对应的驻波中的4 MPa峰值负压轮廓来追踪焦前区域的危险区域轮廓。根据图5和表3的结果，主焦叶内的危险区域轮廓由典型 BH 病变的最大宽度确定，而在焦后区域，则由焦叶的横向宽度和第一焦后压力轴向零点的位置确定。由于最弱聚焦传感器（ F #=1.6）的临界距离尚未确定，但显示超过 16 毫米，因此根据以下公式假定危险区域轮廓遵循焦瓣宽度和第一焦后压力轴向零值。观察到的其他两个传感器的模式（图 8中的虚线）。
图 8.
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BH 焦点F（红点）周围空气边界的危险区域轮廓（红线）叠加在典型 BH 损伤的照片上以及入射声场中 4 MPa 峰峰值压力的轮廓（黑线）上。F #=1.6 传感器的虚线表示基于其他两个传感器的结果假定的危险区域轮廓。HIFU 事件（左）比例尺 – 5 毫米。
4. 讨论
该研究的总体目标是建立 3D HIFU 压力场参数与 BH 病变尺寸以及 HIFU 焦点周围危险区域轮廓之间的关系，以代表压力释放界面的含气体器官的边界。为了实现这些目标，我们使用三个具有不同F 的HIFU 换能器生成并分析了大牛血凝块中的 BH 病变-数字。HIFU 焦点位于距凝块-空气界面不同距离的位置，并检查了典型 BH 暴露造成的表面侵蚀的大小和形状。将 BH 病变和表面侵蚀轮廓与针对每个血肿样本和每个焦点位置进行数值模拟的 3D HIFU 压力场进行比较。这些分析不仅可以确定导致雾化引起的凝块材料侵蚀的最小压力值，还可以更深入地了解 BH 病变形成的过程。这些实验选择大凝块模型作为最坏的情况，因为众所周知，大凝块模型比软组织更容易受到机械损伤，而且它与经常位于紧邻的腹部血肿的 BH 治疗相关。含气器官。
当 HIFU 焦点位于样品表面前至少几毫米（即样品内部）时，通过先前研究的机制形成了典型的 BH 损伤，其中包括在几个时间内达到沸腾温度并在焦点处形成蒸汽泡。毫秒（此处由 HIFU 源中心开口中的超声波传感器检测到），激发焦前空化，它既可以直接破坏组织，又可以增强蒸汽泡压力释放边界处的组织雾化，最后，气泡残余物和雾化组织碎片远离换能器（Simon 等人 2012，Pahk 等人2019，2021）。我们已经表明，在这种情况下，对于具有较高F数（即不太聚焦）的传感器，凝块表面侵蚀的直径会增加。侵蚀直径与典型的大块 BH 病变“尾部”的平均宽度一致，并与推动组织碎片的辐射力集中的 HIFU 局灶叶的宽度相关（表 3）。这些发现表明，如果沸腾是在组织-空气界面附近开始的，则表面可能会被分馏材料的雾化诱导射流损坏，类似于 BH 病变“尾部”的形成（Simon 等，2012））。
随着源F数的增加，BH 损伤本身总体上显示出拉长和变窄。“头部”的长度受到压力场焦前轴向零点位置的限制，这与之前报道的大块大凝块内产生的 BH 病变的结果一致（Khokhlova 等人 2018a，2020）。BH 病变“头部”的宽度无法与任何现场参数相关联。这一发现并不令人意外，因为之前有报道称，在固定输出功率（即固定超声场）下，BH 病变的“头部”会随着脉冲持续时间和每点脉冲数量的增加而增加并饱和（Khokhlova 等，2011） , 2016 ,2018a，Simon 等人，2012 年，Ponomarchuk 等人，2021 年）。BH 病变“头部”的饱和宽度已被证明取决于目标组织，并且之前报道过少数组织类型。
对于具有较高F值的换能器，病变“尾部”的长度也增加。在将雾化碎片射流视为“尾部”形成的机制时，这意味着在换能器聚焦程度较低的情况下，喷射的碎片会以更高的速度行进。这似乎与Simon 等人 (2012)报道的结果相矛盾，即从组织-空气界面喷射的组织碎片的速度与组织类型或换能器F数无关，并且由入射声波内的粒子速度决定。然而，对于具有较低F的换能器，粒子喷射预计会更加全向。-数字，因此该速度的平均轴向分量较低，并且可以说是较短的病变“尾巴”的原因。与基于典型大块 BH 病变尺寸的预期相反，其中“尾部”通常超过焦点叶的限制，当定位在第一焦点后压力轴向零点时，这里的表面没有损坏。对于这种效应的一种可能的解释是，与大部分凝块中的情况不同，凝块-空气界面处存在表面张力，该表面张力限制了碎片喷射。由此观察得出的 BH 治疗计划的含义是，HIFU 焦点应放置在充气器官的近端，距离等于或大于到第一个焦点后零点的距离，以避免机械损伤的风险。
当焦点置于凝块体积之外但靠近凝块-空气界面（距离小于4毫米）时，由于声辐射力使焦点处的组织移位3-4毫米，仍然可以引发沸腾（图3）。如果焦点放置在样品外部更远的位置，从而不会发生沸腾，则不会产生 BH 损伤，血肿表面会被超声雾化直接破坏。对于具有较高F 的传感器，表面侵蚀轮廓更深且更窄-数字。这些表面侵蚀被限制在反射准驻波中的4 MPa峰值负压等值线内，也可以通过入射波中的4 MPa峰峰值压力等值线来勾画出来，这更便于治疗计划。有点出乎意料的是，该轮廓明显大于典型的大块 BH 病变，其轴向尺寸的“头部”受到第一焦前轴向压力零点的限制。这些结果表明，平面压力释放界面处的基于压力的雾化阈值与 BH 期间 HIFU 光束产生的气体/蒸汽腔的曲面处的雾化阈值不同。
由于典型的 BH 换能器及其声场是轴对称的，因此本研究中获得的病变和由此产生的危险区域也被认为是轴对称的。因此，可以通过围绕HIFU轴旋转图8中的轮廓来获得3D危险区域，即其中不应存在组织-空气边界以避免对其造成损害的体积的轮廓。如果组织-空气边界发生任何损坏，它将被限制在这个 3D 危险区域的圆形横截面内。
根据高振幅 BH 暴露和上述相应的大规模凝块表面侵蚀确定的入射 HIFU 波中 4 MPa 峰峰值压力的雾化阈值也与根据足以产生针孔大小的表面侵蚀（图7）。
这些较低水平的基于暴露的阈值根据所有三个传感器的焦点和表面之间的距离而波动，这可能归因于西蒙等人先前观察到的凝块表面声辐射力导致的土丘的形成（ 2012）。HIFU 光束从弯曲的土丘-空气界面反射并在土丘下方重新聚焦可以增加表面下的有效压力，这在我们的平面组织-空气界面的数值模型中没有考虑到。因此，与 BH 曝光进行比较的阈值是根据表面位于换能器焦瓣之外（焦前或焦后）的情况确定的，以尽量减少丘形成的影响。由此确定的地下驻波阈值峰值负压约为P − = 4 MPa（或入射波中的 2 MPa），这与较高振幅的 BH 暴露一致。
在将结果与现有技术进行比较时， Simon 等人 (2012)报告了聚焦在猪血凝块表面的F #=1 HIFU 源的2.9 MPa 雾化阈值。对于F #=1的换能器，在相同条件下观察到的雾化阈值明显更高。这种差异可归因于阈值标准的差异：在Simon等人（2012）中，观察到在凝块表面喷射细小的雾化组织喷雾，而在我们的工作中，观察到肉眼可见的表面针孔损伤的产生定义为阈值，并且在比细喷雾喷射更高的输出水平下观察到它。
所有传感器都保持相同的脉冲重复率，但由于与其他两个源相比，具有最高F数 ( F # = 1.6) 的传感器产生的饱和压力明显较低（图 3 (c)），因此较长的 BH 脉冲（与其他来源 (10 毫秒) 相比，该来源使用了 20 毫秒)，以确保 BH 条件。西蒙等人。然而， (2012)已经表明，由于声辐射力造成的表面位移，组织或水面上的显着雾化通常先于形成土丘。在这项工作中，我们估计F # = 1.6 源的组织位移在不到 10 毫秒内达到饱和（图 3(d)））。因此，我们预计该传感器使用较长脉冲不会对原子化阈值结果产生任何影响。
然后将在牛凝块材料中确定的雾化阈值与在水中确定的雾化阈值进行比较，因为在先前的水-空气界面工作中已经对声雾化过程进行了更彻底的研究。与凝块材料类似，导致水滴从表面可见分离的峰值负表面压力被定义为阈值，并且还观察到它取决于相对于表面的焦点位置。对于具有最低F值的两个传感器，这种依赖性尤其明显，可以说是由于与凝块模型中相同的原因——在水面上形成具有高曲率的土丘，而在场的数值模型中未考虑到这一点。使用最高F的传感器-number 显示在整个焦点位置范围内，阈值地下P − =1.1 MPa更恒定，这与我们对独立于焦点位置且仅由传播介质属性定义的阈值的期望一致。这可能是由于该源的焦瓣较宽，并且准线性入射波没有明显扭曲水面，因此也没有扭曲地下压力水平。其他两个换能器的阈值P −在其焦点瓣之外也降低到相同的值 1–1.5 MPa。入射波中大约 0.5–0.75 MPa 的值低于Simon 等人 (2012)获得的F值– 3.2 MPa# = 1 个源聚焦在水面，可以说是因为我们认为阈值强度是通过肉眼观察到的诱导水滴脱离的阈值强度，而在西蒙的研究中，雾化标准是新兴水滴链中的一个水滴的爆炸，该水滴是高速相机以比单个液滴分离更高的强度检测到。
在这项研究中，危险区域是使用特定的 BH 暴露方案获得的，其轮廓部分与体积 BH 病变的轮廓相关。正如引言中所讨论的，超声频率、脉冲长度、每点脉冲数或占空比的变化可能会影响 BH 病变大小，从而影响危险区域。下面的考虑因素分别讨论以下参数的潜在影响：HIFU 换能器频率、换能器F数、脉冲持续时间、脉冲数、占空比和组织类型。
HIFU 换能器频率。选择 1.5 MHz 超声频率作为HIFU 腹部应用的典型案例，特别是 BH，通常使用 1-2 MHz 范围（Xu 等人 2021，Vlaisavljevich 等人2013，2015a ，Knott 等人 2019，Khokhlova等 2011 , 2016 ,王 2013）。对于这些应用来说，与肠和肺等含气体的接近也是最受关注的。在本研究中，我们没有探讨雾化阈值和危险区域轮廓对 HIFU 频率的依赖性，然而，Simon (2013) 发现水雾化压力阈值在 0.155–2 MHz 范围内相似。因此，我们推测此处确定的对压力的依赖性也应适用于该范围内的频率。
换能器形状（或 F 数）。本研究中测试的所有三个具有不同聚焦角度（F数从 0.83 到 1.6）的换能器均产生包含在焦前 4 MPa 峰值稀疏压力轮廓内、焦点区域典型 BH 病变“头部”内以及轴向和轴向内的表面侵蚀。横向压力在焦后为零（图 8）。这些结果可以概括为，所建立的危险区域轮廓适用于该范围内的任何聚焦角度，这对于 HIFU 和 BH 的实际应用来说是典型的。
脉冲数。这里的脉冲数量被认为非常大，超出了在该背景下探索的任何组织中 BH 病变大小的饱和度。因此，我们相信使用更多的脉冲不会产生超出既定危险区域轮廓的表面损坏；使用较少的脉冲可能会产生小于阈值轮廓的表面损伤。这是此处考虑的设置被声称代表最坏情况的原因之一。
组织类型。由于血肿代表最软的组织模型，并且与其他组织相比最容易液化，因此可以合理地假设其他组织的危险区域轮廓将小于血肿的危险区域轮廓。这也符合我们上面对最坏情况的定义。
脉冲持续时间。在本研究中，使用了 BH 的典型脉冲持续时间 – 10 和 20 毫秒。然而，BH 可以使用 1-10 ms 范围内的较低脉冲持续时间。正如我们和其他人之前所表明的，在血肿和其他组织中，所产生的 BH 病变（相对于脉冲数量饱和）与较长脉冲持续时间的情况相同或较小（Khokhlova 等人 2016 年，2017 年，波诺马尔丘克等人 2021）。因此，对于那些较长的脉冲，损伤阈值轮廓也可能比本工作中确定的更严格。在比本研究中考虑的脉冲更长的情况下（例如，30-100 ms），机械损伤的空间范围预计与较短脉冲的情况相似（如 Khokhlova 等人 2013、2014 中所示）然而，热效应预计会更加显着，这可能会产生混杂效应。因此，对于超过 20 毫秒的脉冲，损坏阈值可能与此处报告的不同。
工作周期。这里使用的 1-2% 的占空比对于要避免热效应的 BH 暴露来说是典型的。在占空比为 5% 或更高时，热效应预计将更加明显（Wang et al 2018），并且对组织以及任何空气-组织边界的损伤将包含热效应和机械效应的混合。因此，此处定义的损坏阈值仅适用于低占空比，例如 1-2%，仅产生机械损坏。
在使用脉冲 HIFU 场进行非组织解剖暴露而没有引发空化或沸腾的情况下，我们假设危险区域轮廓将遵循驻波中的 4 MPa 峰值负压轮廓，或事件中的 4 MPa 峰峰值压力场地。这意味着，如果表面受到任何损坏，表面侵蚀将具有圆形（或椭圆形，在非正交入射的情况下）形状，直径不超过 4 MPa 轮廓横截面。
值得注意的是，本研究的目的是确定在空气边界附近的 BH 处理过程中应避免的原位阈值压力，而不是预测表面侵蚀（如果发生）的大小。因此，本工作中建立的危险区域轮廓并不是勾勒出所产生的病变，而是识别“危险体积”，在该危险体积内不应出现组织-空气边界以避免损坏。
当前研究的一个局限性是组织-空气界面是平面的并且与入射 HIFU 光束正交，而这在实际临床情况中可能并不常见。在光束倾斜入射到组织-空气界面上的情况下，反射波和入射波的相长干涉效率较低，因此形成驻波中的峰值压力将低于入射波内的峰间压力海浪。因此，潜在损坏区域将小于根据此处建立的损坏阈值（入射波中的 4 MPa 峰峰值压力）估计的区域。因此，本研究中考虑的设置代表了组织-空气边界上的入射角方面的最坏情况。
本研究中获得的结果的另一个限制是声学传播路径中组织不均匀性的关键影响，这种影响发生在临床环境中并导致光束像差和折射。为了使 BH 可行，需要在焦点处达到足够的原位激波幅度（以及因此的焦点压力）。在实践中，作为治疗计划的一个步骤，在每次治疗之前通过逐渐增加输出功率并在焦点处沉积隔离的 BH 脉冲直到检测到气泡活动（超声成像上的高回声区域）来确定足够的声功率。高回声区域的出现表明原位已达到所需的激波幅度。因此，该治疗计划程序也可用于评估局部原位压力。一旦已知焦点原位压力，假设 HIFU 波束保持其自由场形状，则可以预测 4 MPa 的等压轮廓（对应于危险区域轮廓）。然而，实际的 HIFU 光束经常因软组织层引起的像差而变形，在某些情况下阻碍任何治疗的启动，即使在最高输出水平下也是如此 ( Thomas et al 2022 )。在这些情况下，如上所述评估的危险区域不太可能可靠，并且只有在像差程度被认为较低时才应使用，这可以使用其他人最近描述的程序进行预测（Thomas et al 2022，叶芝等人，2022）。
我们相信这项工作中获得的结果对于沸腾组织解剖学的未来临床应用具有实际意义。我们想象，将根据术前 CT 扫描对原位声场进行数值预测（ Gu 和 Jing 2015），并根据本工作中获得的阈值压力来勾画出危险区域。然后，危险区域轮廓可以叠加到实时成像上，并用于瞄准以避免治疗部位周围的关键含气体结构。
5. 结论
将 BH 方法引入腹部目标临床应用的关键方面之一是确定实用指南，以确保在含气体器官附近进行安全治疗。在这里，我们表明，BH 引起的组织-空气界面机械损伤的面积可以与入射波中峰峰值压力的空间分布相关。这些基于压力的危险区域可以在软组织 BH 期间叠加到治疗中的超声图像上，并且含气体器官表面应位于这些边缘之外，以避免机械损伤。这些危险区域轮廓是在非常柔软且脆弱的生物材料（血凝块）中获得的，因此代表了对任何软组织最保守的建议。
