超声空化的生物学效应机制及其应用

发布时间：2021-06-07

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超声空化的生物学效应机制及其应用

王雁

邹建中

超声波与生物组织的相瓦作用主要有机械效应、热效应、空化效应三个方面。其中。空化效应在声强较高时才出现，且最极端、最复杂、最不可控。目前学术界对超声空化还没有完全了解，但已熟悉ｒ其相当一部分特性并加以应用。

超声空化的物理机制

一、空化的发生

空化是液体中由于某种压力（如声压）形成局部气体或蒸

汽空穴及其成长与破灭的过程‘…。

实际液体中。总存在由许多微小气泡构成的“薄弱环节”。当超声交变声压幅值足够大时，负压造成的张力使介质在这些薄弱处被拉开形成足够大的空腔，并使其内迅速充满气体或蒸汽，形成声致空化核。随后，超声会驱动这些空化核振动，这整

个过程就是超声空化‘“１。

因为软组织内很少存在空化核，且软组织是结构复杂的黏

弹性材料而非纯净液体，所以如果没有合适的空化核，软组织内

发生空化的阈值声压是非常大的。

二、空化分类

根据气泡的不同动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬态

空化，见图１。

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圈１稳态空化（上）与惯性空化（Ｆ）

如果超声声强较弱，空化核在声压的负压阶段被拉大；在随后的正压阶段又被压缩变小，即气泡随声波的频率做平衡半径的辐射状体积振动，称为稳态空化。当气泡做平衡半径重复振动时，会产生特征性次谐波‘“；受气泡球面波驱动，气泡周围液

体会在小范围内往返流动，产生不均一的环状微声流。２’…。因

为气体可能逐渐被溶解，其平衡半径也可能不随时间改变。

如果声场内的负压峰值较大，声压周期中的负压部分会将原本由气体填充的稳态空洞拉大，并可能使其内部压强降低至周围介质液体的蒸汽压，必须蒸发很大一部分蒸汽才能和原有气体一起将气泡充满。在随后的正压压缩相中，气泡增长突然被限制，并被绝热压缩进入不稳定萎陷状态。当气泡被压缩到

ＤＯＩ：１０．３７６０／ｃｍａ．ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４－１４２４．２０１Ｉ．０３．０２１

基金项目：国家自然科学基金资助项日（３０８３００４０）

作者单位：４０００１６重庆，莺庆医科大学生物医学Ｔ程系、省部共建超声医学［程国家重点实验室、超声医学工程蓖庆『ｌ『市级霞点实验摩

通信作者：郜建中。Ｅｍａｉｌ：ｚｏｕｊｚ＠ｈａｉｆｕ．ＣＯｆｆｌ．ｃｎ

万方数据

．综述．

一定程度，泡内混合气体的密度增大，难以被继续压缩；但由于

周围液体的惯性推挤，气泡壁被压迫的速度仍非常大，甚至超过泡内气体压缩速度，气泡就会崩溃，其剧烈程度由大量向内推进的液体的惯性决定，因此称为惯性空化口’”。惯性窄化的主要特征是非常小的气泡受到非常大的峰值压力，在萎陷和反弹的

瞬间造成非常高的流体加速度并产生瞬间宽带声辐射ｐ４１。

气泡膨胀时，扩张的气泡通过黏性温升或声辐射对周围流

体傲功，并使之储存为流体巨大的势能，此势能在随后气泡萎陷时释放。若气泡在固体界面附近萎陷，由于界面的吸附作用，气泡将失去球形，靠近界面一侧的泡壁被压扁，而另一侧泡壁陷入气泡内形成一股高速射流。穿过气泡射向固体表面一ｏ，对其产生极大的冲击。若气泡离任何边界或其他气泡很远，特别是当气泡没有因萎陷和反弹被毁坏时，气体被严重压缩，以剧烈的温度和压力升高为结果；此高温可以导致光辐射并致分子内部键裂解，产生游离基，如气泡中的水蒸气被分解为Ｈ和

ＯＨ。…；萎陷的瞬间还伴有强大的冲击波和发光放电等极端物理效应；微声流也会出现。通常，这些气泡萎陷时裂解形成小

气泡再次进入空化或被溶解在介质中¨－。

超声空化的生物学效应

■

一、增强温升和高强度聚焦超声疗法

稳态和惯性空化均能提高声能转换成热能的效率，主要通

过三种方式＂Ｊ：①由于气泡振动，稳态或惯性空化气泡表面的边界层会与周围介质黏滞摩擦产热；②惯性空化气泡萎陷时产生高频宽带噪声使频率依赖性声吸收系数增加，声能更容易被局限性吸收；③气泡云对超声的多重强散射町以在局部范围内延长声波传播路径，通过更多介质问的黏性摩擦和热传导将声

能局限并转换为热能。其中前两者更为重要‘２１。在目前广泛应用于临床的高强度聚焦超声（ｈｉｇｈ

ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ

ｆｏｃｕｓｅｄｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，

ＨＩＦＵ）技术中，热效应为第一效应，其中空化增强温升的效应扮

演了重要角色”。１。