论文部分内容阅读
超声造影剂微泡(UCAs)因其独特的回波对比特性，受到医学超声成像领域的广泛关注。这些微泡的直径约1～10μm，内部充有空气或低水溶性气体，微泡外壳通常使用质地较坚硬的变性白蛋白或较有弹性的磷脂。近年来，随着分子生物学和分子成像的发展，出现了新一代多功能UCAs，已应用到靶向超声分子成像、超声溶栓、靶向基因药物传递等领域。在靶向超声分子成像系统中，带有特异性定位配体的包膜微泡可以粘附到血管壁，并作为声学生物标志用于对疾病的早期检测和定征。然而，粘附到靶目标的微泡的回声信号很容易被来自自由流动的造影剂微泡和周围组织的背景回声信号所掩盖。因此，深入研究超声激励下粘附微泡的振动和声学特性，对发展高灵敏的粘附微泡检测技术非常重要。 自由微泡振动的研究主要是使用Rayleigh-Plesset(RP)方程及其各类修正方程，这些方程均假设微泡保持球对称振动。但实验发现，粘附微泡的振动是非对称的，并且其回波信号频谱特性也与自由微泡显著不同。而RP及修正的RP方程均不适用于求解形状不规则及非均质的约束微泡振动。本论文旨在建立约束包膜微泡的有限元模型以研究约束微泡的非线性振动及声散射特性，并比较与自由微泡的差异，为发展高灵敏度的粘附微泡检测技术提供理论基础。 本论文的主要工作和创新性成果包括: 1)建立了自由包膜微泡的有限元模型，基于该模型分析了自由包膜微泡的共振频率和非线性声学响应，并与解析模型Church方程的结果进行比较。结果表明，有限元模型的计算结果与Church方程的结果一致，从而验证了有限元方法解决该类问题的有效性。 2)建立了刚性边界附近包膜微泡振动的有限元模型。计算结果表明，当微泡接近刚性边界时，其共振频率降低而振动幅度提高。与自由微泡相比，刚性边界附近包膜微泡的声散射信号的基频成分增强，基频成分和二次谐波成分的幅度差异增大。计算结果与文献中实验测量结果一致，为进一步深入研究微管中包膜微泡的振动打下了坚实的基础。 3)基于有限元方法，研究了刚性微管中约束包膜微泡的非对称振动和声学响应。讨论了在2 MHz的超声激励下8μm～20μm的微管中直径为2μm包膜微泡的振动和声散射特性。结果显示，声压越大或微管直径越小，约束微泡的非对称非线性振动越明显。在0.5 MPa的超声激励下，微泡在8μm微管中作椭球形振动，其归一化的椭球长短轴之差约为2.16％。另外，与自由微泡相比，约束微泡的声散射信号的基频成分提高了约6 dB，而二次谐波频率成分降低了约29 dB。该工作创新性地采用有限元方法定量研究了约束微泡的非线性振动和声散射特性，为造影剂在超声分子成像中的进一步应用提供理论基础。 4)构建了超声激励下弹性微管中振动的包膜微泡有限元模型，描述了包膜微泡和微血管相互作用的基本特征，以及弹性微管中约束包膜微泡的声散射特性。结果显示，由于管壁的存在，微泡在弹性微管中的振动受到很大的限制。当激励超声声压增大时，弹性微管中振动的包膜微泡出现了复杂的非球对称振动，并且伴随着气泡的膨胀和压缩，弹性管会收缩或扩张，但是两者并不同步。同时，当弹性微管管径增大时，微管管壁变形增大，这意味着包膜微泡振动引发的微管管壁的周向应力增大。相比于自由微泡，由于管壁的存在，管中微气泡的声散射信号的基频成分幅值增大，而谐波成分幅值减小。这些结论有助于理解造影剂微泡在超声激励下导致的生物效应的机制，同时可以为高灵敏度的靶向超声成像和超声安全诊断提供理论依据。 本论文建立了边界附近和微管中的约束包膜微泡振动的有限元模型，深入研究了约束包膜微泡的非对称振动和声散射特性，考虑了边界距离、微管直径以及激励超声声学参数的影响规律，发现了约束包膜微泡和自由包膜微泡振动和声散射特性的定量差异，为开发高敏锐超声分子成像技术奠定了关键理论基础。