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1、广州医学院 硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 姓名：萧淑宜 申请学位级别：硕士 专业：超声医学 指导教师：柳建华 20100501 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 2 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 中文摘要中文摘要 背景 背景 脾脏是人体内最大的免疫器官,拥有多种免疫活性细胞因子,有着重要的抗感染、 抗肿瘤功能，同时又是机体储血、滤血、造血和毁血的器官；研究还发现脾脏与机 体内分泌关系密切；对肝脏、肠道的多种生理功能起着重要的调节作用。传统治疗 脾亢的方法有脾切除、脾动脉
2、部分栓塞术（PSE）和脾脏射频消融术（RFA） 。脾切 除不仅容易导致免疫力下降，增加感染的发生几率，而且还可能增加血浆的粘滞度， 提高血栓栓塞的发生率；脾动脉部分栓塞术和脾脏射频消融有诱发出血的危险，而 且伴有剧烈疼痛、发热等反应。 超声空化效应是超声热效应之外的另一种主要的物理效应；是指液体中微气泡 在超声作用下产生震荡、 膨胀、 收缩以及内爆等一系列动力学过程， 伴随瞬态高温、 高压、 冲击波、 放电和微射流等多种能量释放行为。 微泡可以降低超声空化的阈值， 用低能量的超声激发情况下，可以发生显著的空化效应，后者可以造成小血管管壁 机械损伤、出血、血肿和血栓形成。 研究目的 研究目的 已
3、知微泡增强的超声空化可能产生显著的血管损伤效应。 本研究采用自行研发的 新型脉冲式超声治疗仪，联合静脉注射超声造影剂，对健康新西兰大白兔的脾脏进 行血流阻断的治疗，视觉比较治疗前后靶区脾脏的灰度超声造影，定量分析实验前 后脾实质的造影声学强度，了解其血供情况和血循环的状态；同时，病理切片检查 探讨脾脏血流阻断初步的病理机制，对脾脏超声空化的生物学效应和潜在的治疗作 用进行初步的研究。 材料与方法 材料与方法 一、实验动物和分组 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 3 健康成年新西兰大白兔 36 只，雌雄不限，体质量 1.7-2.5kg，由广东省医学实 验动物中
4、心提供。根据是否进行超声照射、有无微泡介导、有无凝血酶原参与将 36 只实验兔随机分成四组，A：单纯微泡组(Microbubbles，MB)；B：单纯超声组 (Ultrasound，US)；C：超声微泡组（Ultrasound and Microbubbles，USMB） ；D:凝 血酶原+超声微泡组（Prothrombin and Uultrasound and Microbubbles，PUSMB） ；每 组 9 只。PUSMB 组予缓慢静脉推注凝血酶原（20IU/kg）后立即采用脉冲式超声照 射联合经静脉微泡注射；USMB 组采用脉冲式超声照射联合经静脉微泡注射；US 组用等量的生理盐水
5、替代微泡，采用脉冲式超声照射；MB 组经静脉推注微泡，超 声治疗头假照。 二、实验仪器与材料 脉冲式聚焦超声治疗仪，由第三军医大学第二附属医院超声科提供，超声频率 831KHZ，脉冲宽度 100-1000 微秒可调，峰值声压 4.6Mpa，平均声强 0.89W/cm 2。 “脂氟显”脂膜微泡，第三军医大学第二附属医院超声科研制，其核心气体为 全氟丙烷，外观呈乳白色凝乳状，平均粒径 2m，其中 98%小于 8m，微泡浓度为 4910 9/ml。 三、实验方法 经耳缘静脉注射2%的戊巴比妥钠麻醉动物，剂量1.5ml/kg，同时建立耳缘静脉通 道。麻醉后将兔仰卧固定于实验装置解剖台上，经手术暴露脾脏
6、后轻轻牵出腹腔， 以生理盐水纱布周围固定。PUSMB组予静脉缓慢推注20IU/kg凝血酶原后，立即经静 脉缓慢推注微泡， 剂量为0.1ml/kg的生理盐水稀释液， 同时用超声治疗头垂直脾脏轻 接触辐照5min；USMB组无凝血酶原注射，其余与PUSMB组相同；US组以超声治疗 探头垂直辐照5min，用相同剂量的生理盐水替代微泡；MB组经静脉注射微泡同 USMB组，同时超声治疗头假照脾脏5min。治疗前及治疗后0min、30min和60min四 个时间点对脾脏进行诊断性的超声造影检查并记录二次谐波灰度超声造影动态影 像。造影完成后，回放动态图像，启用声学密度的分析软件QLAB，分析脾脏实质感 兴
7、趣区域 （ROI） 辐照前及辐照后各个时间点时间强度曲线 （TIC） ， 计算达峰时间 （t） 及峰值强度（PI） 。每组治疗后0min时随机选取其中的三只实验兔处死，治疗后60min 后处死其余的实验兔，均获取脾脏辐照区及其周围组织，进行常规病理切片，HE染 色，光镜下检查组织的病理学改变。 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 4 四、超声造影分析 使用PILLIPS公司IU22彩色多普勒超声诊断仪，9L高频线阵探头，频率5-9MHz， 超声造影模式。造影时先使用二维显像方式显示脾脏纵切面，调整好放大的倍数、 图像深度；然后选择最佳显示切面,切换到造影状态，
8、打开双幅模式，显示屏上出现 双幅实时图像，一幅为用来观察造影的图像，另一幅为实时的灰阶图像，用来监视 从而保证始终处在同一切面图上；抽取“脂氟显”微泡悬液（0.02ml/kg） ，用生理盐 水稀释成5ml后经耳缘静脉快速推注完毕（35s内） ，随即用2ml生理盐水冲注；注 入造影剂同时启动超声诊断仪内置记时器实时不间断的观察脾脏切面的灌注及回声 强度，记录各组在脉冲聚焦超声治疗前及治疗后0min、30min和60min靶区的二次谐 波灰度超声造影动态影像；启用QLAB声学密度分析软件，选择正方形的取样框，大 小约1.51.5mm，置于脾脏辐照区域（脾脏暴露部分的中央区域，ROI边缘位于上 下包
9、膜的中央） ，避开显影的大血管，由仪器自带程序自动绘制成-强度曲线（TIC）, 计算出达峰时间（t）及峰值强度（PI） 。 五、病理检查 辐照后大体观察脾脏外观、辐照区域的损伤情况；取材辐照区域及周边未损伤 组织，于福尔马林液固定，HE 染色，光镜观察组织的病理学改变，包括血栓、微 血栓、血管周围及组织细胞的改变。 六、统计学处理 各组数据均以均值标准差（SX ）表示，同组治疗前后的数据比较采用配 对t检验， 不同组之间比较采用成组均数比较的t检验或 t 检验， 检验均以05. 00.05； 治疗后 30min、 60min 时 PUSMB 组与 USMB 比较 P0.05；治疗后各组比较 P
10、0.05， ；治疗前及治疗后各组比较P0.05。 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 21 讨讨 论论 一、超声空化效应一、超声空化效应 超声生物效应包括热效应、 机械效应和空化效应； 后者分为稳态空化和瞬态空化。 当声波通过液体时，液体各处的声压会发生周期性的变化，相应地，液体中的微泡 核也会随超声频率发生周期性的振荡。在低声强下，气泡的径向振荡受声压控制， 微气泡沿着平衡半径左右振荡多次，在每一个振荡的微气泡周围将产生辐射压力和 微束流。微束流能在气泡表面附近产生非常高的切变应激力，使气泡变形甚至破裂， 可导致邻近的细胞或生物大分子受到影响，产生一定的生物
11、学效应。这种微泡随声 压以其半径为平衡半径做周期性的振荡运动称为稳态空化。当作用声强增大，使气 泡的振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时，气泡的振动即转而由其周围媒质的惯性所 控制。空化核在超声场负压相半周期迅速膨胀，而在正压相半周期又急剧收缩至内 爆，这种空化称作瞬态空化或惯性空化6。瞬态空化时气泡振荡十分猛烈，最初气泡 先是爆炸式地膨胀，随后又迅速萎陷。在最后萎陷阶段，会产生局部高温、高压现 象(泡内部的压力和温度可以达到几百上千个大气压和数千开尔文)，此外还伴随强 大冲击波、高速微射流、自由基的产生1，出现极端物理条件,使周围的组织细胞遭 到破坏9。 研究表明：超声微泡空化效应发生是一种阈过程
12、，明显依赖于体液中空化核的存 在2。液体中的核浓度越大，则空化效应的阈值越低。生物体本身空化核的量比较稀 少， 需要较高的声压才能激励空化作用。 包裹的微气泡可被看作是人造的空化核 （空 化催化剂），因而注入超声照影剂能增加血液中空化核的浓度，从而降低空化阈值， 增强空化作用，增大引起损伤性生物学效应的可能性。文献报道，无论体内还是体 外，当用中等能量超声波照射造影剂时，空化效应能引起微血管壁损伤，造成血管 壁通透性增高、内皮脱落、管壁破裂出血或溶血3。微泡超声的空化效应在众多的研 究中已经得到证实。国内外研究发现，微泡增强的超声空化在峰值负压介于 4.6-6.5MPa水平， 对正常微小血管的
13、具有损伤和阻断作用， 可引起血管基底膜断裂、 内皮细胞脱落、和小动静脉内血栓形成等改变2 5。 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 22 二、空化效应对微血管壁的损伤作用（间歇式发射与持续性发射）二、空化效应对微血管壁的损伤作用（间歇式发射与持续性发射） 研究发现经外周血注入微气泡影剂后,超声照射使微血管破裂,内皮细胞间隙增 宽,血管壁通透性增大11。Price20经股静脉输入荧光标记的红细胞、205nm和503nm 的聚合物微囊后,用215MHz的超声照射鼠脊斜方肌,发现肌肉内直径7um的微血管 发生破坏,上述三种物质均扩散到肌肉内。显然,这是超声与微血管内
14、的造影剂微气 泡相互作用,引起血管壁损伤、破裂,使胶囊微粒经损伤的血管内皮间隙进入邻近组 织。Skyba12等也观察到这一现象,在单独超声照射或单独输入微泡剂并不引起斜方 肌微血管的破坏,但在输入造影剂并经超声照射后发现直径7um的微血管发生了损 伤破裂,红细胞外渗于组织间隙,同时临近组织内还发现了死亡的细胞。Ay13等用二 次谐波超声照射灌注含微气泡影剂的悬浮液的离体兔心脏后,大体观察发现心肌壁 内有出血点,光镜下存在毛细血管破裂,红细胞外渗到周围组织内。 Millor15等将造影 剂和蓝色染料经外周静脉注入后,用超声辐照小鼠肠和腹部肌肉,观察到其内有瘀点 出现,并有蓝色染料外渗到肌肉中。S
15、ong16等采用频率1MHz、峰值负压0.75Mpa的 超声联合微泡作用于大鼠斜方肌血管,不仅发现上述现象,还发现微血管压力与输入 的物质转运呈正相关；并发现经静脉注射或经动脉注射微泡对微血管外渗点的产生 和转运无显著差异,但静脉注射更方便,更实用。不少研究还发现微泡介导的超声空 化会造成肿瘤区域内的血管血栓形成及其周边的肿瘤组织坏死,甚至出血性坏死,提 示具有潜在的抗肿瘤血管作用11。 空化效应对组织局部微循环的影响是怎样产生的呢？黄武锋等17认为微泡空化 会导致微血管内皮细胞发生断裂,内皮间隙出现不同程度的增宽,引起微血管通透性 增加,红细胞外溢到组织间隙。从而引起组织局部微循环出现一系列
16、的功能性变化。 首先，微泡介导的超声空化效应损伤微血管和内皮细胞,引起血管破裂、自由基的产 生以致微血管局部壁切应力和切变率下降16。壁切应力和切变率的下降一方面引起 红细胞聚集、白细胞粘着和嵌塞在毛细血管,增加了血液粘度和血流阻力,另一方面, 壁切应力的下降和自由基的产生可直接引起血管内皮源性舒张因子释放减少,内皮 素释放增多,引起微血管收缩,从而导致局部血流速度和血流量的下降 1618。微泡空 化对微循环的影响程度随着超声能量的不同而变化, 微血管在高能量声场微泡空化 作用下损伤较重,微循环血流速度和血流量明显下降, 而在低能量的超声照射下损 伤较轻,微循环所受的影响较小,而且血流速度和血流量随着时间的推移有逐渐增加 广州医学院硕士学位论文 微泡增强的超声空化效应阻断正常脾脏血流的研究 23 趋势,短时间内可不同程度地恢复或接近正常的水平18 20。 这可能与微泡空化效应产 生的微血管损伤有一定的
