激光聚焦超声与微空泡动力学的理论建模及实验验证：一种用于复杂生物结构的全耦合数值模拟方法

推荐：本研究针对激光聚焦超声(LGFU)在复杂生物结构中诱导空泡行为的精确模拟难题，开发了结合自适应网格细化(AMR)的有限元方法和改进的Gilmore-HM-MY-L气泡模型。通过建立峰值压力达241 MPa的LGFU-SS强冲击波模型，并首次实现纳米级(2.8 nm)种子气泡的精确模拟，在最大气泡尺寸(提升29.6%)和寿命(提升34.5%)预测方面显著优于传统模型，为精准医疗应用提供了重要工具。

　　

在生物医学工程领域，激光聚焦超声(LGFU)因其非热特性和精确的时空控制能力，已成为药物递送、基因治疗和肿瘤治疗的新兴技术。然而，现有技术面临两大瓶颈：一是传统超声诱导空化模型无法准确预测纳米级气泡行为，二是强LGFU冲击波(>|26| MPa)的测量受传感器限制难以获取完整波形。这些限制严重制约了LGFU在复杂生物组织中的应用精度。

为解决这些挑战，研究人员开发了创新的全耦合数值模拟框架。该研究通过有限元方法(FEM)结合自适应网格细化(AMR)技术，首次成功模拟了峰值正压241 MPa、负压34.7 MPa的LGFU强冲击波(LGFU-SS)传播特性。同时，通过将改进的Young-Laplace(MY-L)方程整合到Gilmore-HM模型中，建立了能精确描述2.8 nm种子气泡行为的Gilmore-HM-MY-L模型。相关成果发表在《Ultrasonics Sonochemistry》期刊。

关键技术方法包括：1)采用AMR策略实现从60 MHz到4000 MHz的多尺度计算；2)基于Westervelt方程模拟非线性声波传播；3)结合van der Waals方程和Gilmore方程建立气泡动力学模型；4)通过激光闪光阴影成像技术验证空泡行为。实验使用碳纳米管-聚二甲基硅氧烷(CNT-PDMS)复合透镜产生LGFU，在去离子水和组织模拟体模中进行验证。

研究结果部分：

1. LGFU波形建模与验证
   通过AMR方法成功计算了LGFU在三种压力区间的波形特征。其中LGFU-SS展现出0.8 ns的超快上升时间和4 ns的FWHM-P，频率带宽达365%。与解析解和实验测量结果的高度吻合验证了模型的准确性。

2. 纳米气泡动力学模型
   传统Gilmore-HM模型模拟的2.8 nm气泡在0.14 ns内即坍塌，而Gilmore-HM-MY-L模型通过引入表面电荷项(κ=6.411×10^-27 Pa·m⁴)，成功预测了纳米气泡的稳定存在。实验显示该模型将最大气泡尺寸和寿命预测精度分别提高29.6%和34.5%。

3. 组织模拟体模验证
   在模拟肝脏组织(7% BSA-PAA)和血液(40%甘油溶液)环境中，模型准确预测了气泡在3.96 μs内达到20.8 μm的最大半径，与实验结果偏差<5%。证实了模型在复杂生物介质中的适用性。

研究结论指出，该全耦合模型突破了传统方法在纳米气泡模拟和强冲击波计算方面的限制。通过精确预测LGFU诱导的空泡行为，为神经调控、靶向药物递送等精准医疗应用提供了重要工具。特别是模型对2.8-3.7 nm种子气泡的准确描述，为理解生物体内天然纳米气泡的动力学特性开辟了新途径。未来研究可进一步拓展到不同组织类型和病理条件下的空化效应模拟，推动LGFU治疗方案的优化设计。