调控微泡簇群以提升快速短脉冲超声下空化强度的时间均匀性

本研究针对快速短脉冲（RaSP）超声序列中稳定空化强度（SCI）的时间非均匀性问题，通过同步高速显微成像与空化检测技术，揭示了微泡聚集与簇群形成是导致SCI衰减的主要原因。研究人员开发了一种超快速反馈控制器实时调节峰值负压（PNP），显著改善了SCI的时间均匀性，为优化空化介导治疗的效率与生物安全性提供了新策略。

　　

在超声医学领域，微泡辅助的空化效应已被广泛应用于血脑屏障开放、药物递送和肿瘤治疗等前沿方向。然而，在实际治疗过程中，空化强度的不稳定性和非均匀分布一直是制约治疗效果和生物安全性的关键难题。特别是在快速短脉冲（RaSP, Rapid short-pulse）超声序列中，尽管其比传统长脉冲更能实现均匀的生物效应，但稳定空化强度（SCI, Stable Cavitation Intensity）仍存在明显的时间非均匀性——无论是在单个脉冲内还是跨多个脉冲之间。这种不均匀性不仅降低了治疗效率，还可能引发不可逆的组织损伤，如出血或过度开放细胞间隙。因此，深入理解SCI非均匀性的成因，并发展有效的调控策略，成为当前超声治疗领域亟需解决的重要问题。

近日，一篇发表在《Ultrasonics Sonochemistry》上的研究针对这一问题开展了系统深入的探索。该研究通过同步高速显微成像和空化信号检测，首次揭示了微泡聚集与簇群形成是导致SCI时间非均匀性的主要原因，并提出了基于实时反馈的峰值负压（PNP, Peak Negative Pressure）调控方法，显著提升了SCI的稳定性。

为开展本研究，作者团队构建了一套集成高速显微成像（4000 fps）与空化信号检测的同步实验系统。实验使用微流控技术制备的单分散微泡（MDMBs, Monodisperse Microbubbles），在聚二甲基硅氧烷-凝胶流动仿体中进行，模拟微血管中的血流环境（流速15 mm/s）。超声参数设置包括：频率1 MHz、脉冲重复频率1 kHz、PNP 150–250 kPa、脉冲长度（PL, Pulse Length）20–150 μs，总脉冲数100。通过实时采集空化谐波信号（第4–6次谐波）并计算SCI，同时利用图像处理算法定量微泡聚集比率（AR, Aggregation Ratio）。

研究结果主要包括以下几部分：

3.1. SCI衰减率与PNP和PL的相关性

通过分析不同PNP和PL下的空化谐波信号，发现SCI随时间呈指数衰减，衰减系数B随PNP和PL的增加而增大。表明较高的声压和较长的脉冲虽可增强空化强度，但也会加速SCI的衰减，降低其时间均匀性。

3.2. 微泡聚集比率与PNP和PL的关联

高速显微图像显示，微泡在声场中迅速迁移、聚集，最终形成稳定的大簇群。聚集比率随PNP和PL的增加而上升，达到95%聚集所需时间（T₉₅）随声学参数增大而缩短。证明次级辐射力是驱动微泡聚集的关键物理机制。

3.3. 微泡簇群形成与SCI衰减的关联

定量分析表明，T₉₅与SCI衰减系数B呈负相关，证实微泡聚集是导致SCI时间非均匀性的主要原因。优化PNP和PL（如200 kPa、50 μs）可延长SCI持续时间，但无法完全抑制簇群形成。

3.4. 采用PNP反馈控制器提升SCI时间均匀性

作者设计了一种超快速比例反馈控制器，根据实时SCI测量值动态调节下一脉冲的PNP。在最优比例因子（1×10¹⁰）下，SCI在整个暴露时间内保持均匀，稳定性比率（SR）显著提高，浓度比率（CR）降低。尽管微泡聚集仍会发生，但通过实时调控PNP可补偿其带来的SCI衰减。

本研究通过多模态同步观测与定量分析，明确了微泡簇群形成是RaSP序列中SCI时间非均匀性的核心原因。所开发的实时反馈控制方法不仅深化了对空化动力学的理解，也为临床超声治疗中的参数优化提供了新思路。该策略有望应用于血脑屏障开放、药物递送和血栓治疗等场景，通过提升空化效应的时空均匀性，最终实现更安全、高效的治疗效果。