《Biocybernetics and Biomedical Engineering》：A two-stage pressure ramping strategy for improving the efficacy of sonothrombolysis: Insights from a microbubble dynamics study
编辑推荐：
超声溶栓（sonothrombolysis）是一种利用超声波和微泡（microbubbles）清除血凝块的技术。当用高压超声波辐照时，微泡发生惯性空化（inertial cavitation）并剧烈塌缩形成高速射流。如果这种现象发生在凝块附近，射流冲击产生的剪
超声溶栓（sonothrombolysis）是一种利用超声波和微泡（microbubbles）清除血凝块的技术。当用高压超声波辐照时，微泡发生惯性空化（inertial cavitation）并剧烈塌缩形成高速射流。如果这种现象发生在凝块附近，射流冲击产生的剪切应力（shear stress）可导致凝块表面显著的机械侵蚀。通过优化治疗参数来增强剪切应力的努力受到射流速度与微泡移动距离之间权衡的限制。增加射流速度通常会缩短移动距离，而延长移动距离往往会降低射流速度。在本研究中，研究人员提出了一种通过压力递增策略（pressure ramping strategy）的两阶段超声辐照方案来解决这个问题。在第一阶段，低压辐照使微泡向凝块稳定振荡和平移。然后在后续阶段增加压力以触发惯性空化。数值结果表明，压力递增策略仅使用400 kPa的递增压力即可产生702 kPa的剪切应力，这超过了在1000 kPa压力下无压力递增时获得的487 kPa。压力递增导致剪切应力升高是由于在初始利用低压的辐照阶段微泡向凝块显著移动。除了增强剪切应力，压力递增还有利于药物渗透，因为射流穿透了凝块。因此，压力递增可能作为提高超声溶栓有效性的一种有效策略。
超声溶栓（sonothrombolysis）是一种利用超声波和微泡（microbubbles）清除血凝块的技术。现有研究在优化治疗参数（如声压和机械指数）时，发现射流速度与微泡平移距离之间存在权衡效应，限制了剪切应力的提升。此外，以往研究多单独探讨稳定空化或惯性空化，缺乏对两者协同作用的系统研究。为此，研究人员提出一种两阶段压力递增策略，旨在先通过低压辐照促进微泡向凝块平移，再通过高压辐照触发惯性空化，从而结合两种空化机制的优势。研究基于Tan等人
[16]发展的有限元模型，模拟微泡在凝块附近的血流动力学行为，并纳入药物传输模型以评估治疗疗效。论文发表在《Biocybernetics and Biomedical Engineering》。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于Navier-Stokes方程和Brinkman方程（用于多孔凝块）的流体动力学模型，采用Carreau-Yasuda模型描述非牛顿血液黏度；微泡动力学模型（含壳层黏度）；药物传输采用对流-扩散方程；通过压力递增波形（先低压p
A,low后递增至p
A,ramp）控制超声辐照，并利用后塌缩流动分析评估射流冲击和药物渗透。研究未涉及具体试剂或样本队列来源。
研究结果包括三个部分：
**3.1 压力递增对微泡动力学的影响**：通过数值模拟不同周期数（N
cycle=4和7）和递增压力（p
A,ramp=400 kPa）的情况，发现低压辐照阶段使微泡向凝块平移，递增压力后触发惯性空化形成射流。N
cycle增加时，微泡平移距离增大，但射流速度降低；无压力递增时微泡平移距离最小，射流速度最高但距凝块较远。
**3.2 压力递增对超声溶栓疗效的影响**：评估了剪切应力（τ
rz）、射流速度（v
jet）、平移距离（d
trav）和药物渗透体积（V
clot,drug）。结果表明，固定递增压力时，增加N
cycle显著提高剪切应力和药物渗透；固定N
cycle时，增加p
A,ramp虽提高药物渗透，但剪切应力呈现饱和趋势，与射流速度和平移距离的权衡一致。
**3.3 与无压力递增的比较**：在无压力递增的高压（600–1000 kPa）辐照下，剪切应力在约500 kPa达饱和，而压力递增策略（如N
cycle=7, p
A,ramp=400 kPa）可产生702 kPa的剪切应力，远超无压力递增时1000 kPa下的487 kPa。但无压力递增时药物渗透体积更大（五至十倍）。
在讨论部分，研究人员指出压力递增策略有效克服了射流速度与平移距离的权衡，使剪切应力超过传统方案的饱和极限。通过优先优化N
cycle而非仅增加声压，可最大化剪切应力；药物渗透则更依赖于声压幅值。与现有文献相比，该策略具有独立于生理血流驱动微泡平移的优势，且低压操作可降低组织损伤风险。研究也指出局限性，如未考虑多微泡相互作用、生理血流、红细胞影响及凝块结构响应等。
研究结论翻译如下：本研究调查了压力递增（一种两阶段超声辐照方案）对微泡动力学和超声溶栓疗效的影响。先以低压幅值进行辐照，使微泡向凝块稳定振荡和平移，随后递增压力以触发惯性空化。研究人员将Tan等人
[16]的微泡动力学模型进行改编，纳入了溶栓药物在凝块内的移动和渗透，以评估压力递增策略的疗效。这与以往仅评估流致剪切应力的超声溶栓研究有显著不同。结果表明，递增前的声学周期数越多、递增后的压力幅值越高，微泡向凝块的平移距离越大，这增强了射流冲击及凝块表面的流致剪切应力。更大的射流冲击也使更多药物被携带进入凝块。然而，仅提高递增压力会导致剪切应力饱和，类似于无压力递增时增加压力幅值的情况，这可能是由于射流速度与微泡平移距离之间的冲突效应限制了剪切应力的增强。值得注意的是，压力递增策略在远低于无压力递增所需的压力幅值下即可产生更高的剪切应力。压力递增方法所需的低压幅值能够诱导凝块表面产生大剪切应力，这有望提高超声溶栓疗效，同时最小化对周围组织的有害声暴露。
