超声照射对声振微泡稳定性的影响
作者：查道刚 刘伊丽 陈树元 金伟军 郑燕列
单位：第一军医大学南方医院心内科, 广州，510515
关键词：声振微泡；声能；频率；时间
超声照射对声振微泡稳定性的影响摘要：目的与方法 造影剂微泡浓度、大小是影响心肌声学显影最重要因素。本研究采用2×2×4析因分析法分析不同超声照射条件对造影剂微泡浓度及直径的影响，即声波频率、能量以及照射时间对微泡浓度、大小的单独及交互作用。为临床行静脉心肌声学造影检查时选择适宜的超声照射条件提供参考。结果 能量越大、照射时间越长，微泡破坏越多，平均直径越小；照射频率对微泡浓度影响不大，但影响微泡大小，频率越高，微泡越小。结论 为减少超声照射对微泡的破坏，提高心肌声学造影效果，应尽可能选用低能量、低频率超声波，并减少不必要的照射时间。
, 百拇医药
中图分类号：R445.1
Effect of ultrasound exposure on stability of sonicated microbubbles
Zha Daogang, Liu Yili, Chen Shuyuan, Jin Weijun, Zheng Yanlie
Department of Cardiology, Nanfang Hospital, First Military Medical University, Guangzhou, 510515
Abstract: Objective and methods The concentration and the size of contrast microbubbles are both the important factors that affect the quality of intravenous myocardial contrast echocardiography (IMCE), but the interactions between microbubbles and ultrasound are poorly understood. In order to select optimal ultrasound exposure condition for IMCE, the influences of ultrasound energy, frequency and exposure time on stability of sonicated microbubbles were evaluated by a 2´ 2´ 4 factorial analysis. Results The concentration of microbubbles was decreased when the ultrasound energy was increased or the duration of exposure to ultrasound was prolonged (P<0.001). The frequency of ultrasound did not significantly influence the concentration of the microbubbles (P=0.061), but influenced the size of the bubbles. The higher the energy and the frequency or the longer the exposure time, the more the bubbles were destroyed and the smaller the mean size of contrast bubbles was (energy, P=0.004; frequency, P<0.001; duration of exposure, P<0.001). Conclusions These findings could lead us to select ultrasound at lower frequency, lower ultrasound power and to reduce duration of exposure microbubbles to ultrasound for improving effect of contrast in IMCE.
, 百拇医药
Key words: sonicated microbubbles; ultrasound power; frequency; exposure time
静脉心肌声学造影是近年来冠心病研究领域的重要课题之一，国内外许多学者都致力于造影剂制备及超声仪器技术方面的研究[1]，而对于超声照射与造影剂微泡稳定性关系的研究则较少。作者采用析因分析研究声波频率、声能及其照射时间对声振氟碳微泡造影剂的微泡浓度、大小的影响。以期为行静脉心肌声学造影时选择适宜的超声照射条件提供参考依据。
1材料与方法
1.1氟碳微泡造影剂的制备 取5%人白蛋白溶液10 ml装入塑料注射器中，使用进口声振仪处理。声处理过程中向白蛋白溶液内匀速注入氟碳气体。采用该方法制备得到的造影剂微泡直径为2.0～5.0μm，其中98%<10μm；微泡浓度为 (1～2)×1012个/L。该造影剂经静脉注射在普通型超声仪上即可实现明显的心肌显影[2]。
, 百拇医药
1.2 实验方案 利用Apogee CX200型超声心动图仪离体照射氟碳微泡造影剂。照射条件分别为：照射频率3.5、7.5 MHz与声波能量0.11 、0.46 mW以及照射时间30、60、120、240 s 进行不同组合。各组合条件重复实验 3次。造影剂微泡浓度、大小均采用Coulter粒子计数器测定。全部过程均由同一实验者操作。
资料分析及统计学处理 采用2×2×4析因分析法分析不同照射条件对造影剂微泡浓度及直径的影响，即声波频率、能量以及照射时间对微泡浓度、大小的单独及交互作用。为静脉心肌声学造影选择适宜的超声照射条件提供参考。
2 结果
2.1 不同照射条件对造影剂微泡浓度的影响(表1、2)析因分析结果表明，声波能量与照射时间直接影响微泡的浓度，即能量越大或暴露时间越长，微泡破坏越多(P<0.001)，而照射频率对微泡浓度影响不大(P=0.061)。声波能量、频率、照射时间之间无交互作用(P>0.05)。
, 百拇医药
表1 不同超声频率、时间及强度组合对造影剂微泡浓度的影响(单位：´ 1010 个/L)
Tab.1 Influences of ultrasound exposure conditions on the concentration of microbubbles(M±SD，Unit：´ 1010 microbubbles/L)
Exposure condition
Concentration
Change ratio (%)
F
I
, 百拇医药
T
Before exposure
After exposure
f1
e1
t1
153.17±5.33
132.70±7.99
-13.35±4.50
t2
161.93±4.22
116.60±9.59
, 百拇医药
-27.88±7.46
t3
162.60±1.71
107.03±3.54
-34.18±2.01
t4
159.93±5.58
91.87±8.39
-42.64±3.33
e2
t1
160.43±5.23
, 百拇医药
117.30±12.83
-26.96±6.49
t2
162.33±3.67
114.97±13.10
-29.23±7.12
t3
158.07±1.66
101.53±6.23
-35.75±4.24
t4
154.07±1.10
, 百拇医药
84.33±4.25
-45.27±2.37
f2
e1
t1
155.40±6.94
124.77±18.42
-19.96±8.46
t2
164.47±4.92
127.60±1.68
-22.35±3.31
, 百拇医药
t3
161.90±5.88
119.80±10.16
-26.05±4.84
t4
155.03±7.86
107.47±6.77
-30.68±2.93
e2
t1
158.23±8.24
117.67±7.39
, 百拇医药
-25.47±6.83
t2
148.80±9.44
105.47±18.79
-29.46±8.62
t3
148.13±5.75
99.00±5.74
-33.20±1.40
t4
153.17±6.11
85.57±7.21
, http://www.100md.com
-44.19±2.79
F= frequency; I=ultrasound energy; T=exposure time; f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
表2 超声频率、时间及强度各自对造影剂微泡浓度及大小的影响(单位：%)
Tab. 2 Influences of ultrasound frequency, intensity or exposure time on concentration and size of microbubbles respectively
change ratio of concentration(%)
, http://www.100md.com
change ratio of size (%)
Frequency
f1
-31.90± 10.49
-6.29± 1.80
f2
-28.92± 8.56
-3.61± 1.60
Intensity
e1
-27.13± 9.59
, 百拇医药 -5.50± 2.28
e2
-33.69± 8.58
-4.40± 1.95
Exposure time
t1
-21.43± 8.00
-4.38± 1.86
t2
-27.23± 6.63
-4.00± 1.74
t3
, http://www.100md.com
-32.30± 4.87
-4.85± 1.90
t4
-40.69± 6.60
-6.57± 2.41
f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
2.2 不同照射条件对造影剂微泡大小的影响(表2、3)
表3 不同超声频率、时间及强度组合对造影剂微泡大小的影响(单位：μm)
, 百拇医药 Tab. 3 Influences of ultrasound exposure conditions on the size of microbubbles (M±SD, unit=m m)
Exposure condition
Size
Change ratio (%)
F
I
T
Before exposure
After exposure
, 百拇医药 f1
e1
t1
3.361±0.016
3.182±0.020
-5.34±0.91
t2
3.324±0.039
3.170±0.054
-4.62±0.90
t3
3.319±0.026
, http://www.100md.com
3.101±0.007
-6.56±0.57
t4
3.301±0.028
2.973±0.061
-9.93±1.08
e2
t1
3.265±0.067
3.102±0.072
-5.01±1.46
t2
, 百拇医药
3.281±0.050
3.104±0.020
-5.37±1.13
t3
3.228±0.044
3.025±0.043
-6.31±0.49
t4
3.158±0.043
2.930±0.043
-7.20±0.35
f2
, http://www.100md.com
e1
t1
3.153±0.013
3.006±0.073
-4.64±2.71
t2
3.187±0.034
3.068±0.057
-3.74±2.43
t3
3.164±0.023
3.033±0.033
, 百拇医药
-4.15±1.32
t4
3.074±0.070
2.921±0.075
-4.98±0.45
e2
t1
3.056±0.034
2.979±0.070
-2.53±1.20
t2
2.990±0.120
, http://www.100md.com
2.922±0.127
-2.26±0.74
t3
2.901±0.035
2.832±0.038
-2.39±0.21
t4
2.920±0.042
2.798±0.038
-4.15±0.58
F=frequency; I=ultrasound energy; T=exposure time; f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
, 百拇医药
析因分析结果还表明，声波能量、频率及照射时间对造影剂微泡直径大小均有显著影响。即能量越大，频率越高或时间越长，照射后微泡越小(能量间比较，P=0.004；频率间比较，P<0.001；时间之间比较，P<0.001)。三者之间无明显交互作用(P>0.05)。
3讨论
近年来，静脉心肌声学造影得到了迅速发展。其主要原因有：(1)气体构成理论[3]的提出促进了造影剂的研制：即选用高分子量、低血液溶解性的气体有助于增强微泡的稳定性，从而更易于实现经静脉途径左室心肌显影；(2)二次谐波成像技术 (Second harmonic imaging)提高了造影图像质量：造影剂微泡较其他组织产生更强的回波信号，故应用宽频带探头发射某一频率，而接受其谐波频率成像使得造影图像信噪比提高[4]；(3)间断发射成像技术 (Intermittent imaging) 的应用增强造影效果：Porter等[5]首先观察到静脉心肌声学造影剂过程中，在短暂的超声照射暂停之后，重新照射的瞬间，造影效果明显增强，当时认为这一现象与声波的瞬间作用使微波声反射增强有关，故被命名为“瞬间反应成像”(Transient response imaging)。不论其解释是否正确，间断成像技术比谐波造影技术更利于静脉心肌声学造影结果的增强[1]，为静脉心肌声学造影提供了重要的影像手段。
, 百拇医药
目前研究已证明，超声波照射可破坏造影剂微泡[1]。连续超声照射，微泡破坏较多，难以在心肌内蓄积，故静脉心肌显影效果差。而间断发射成像技术可增强造影效果的主要原因是因为超声波发射间歇，造影剂微泡在心肌内蓄积，此时再予以声波照射，心肌内回波反射因微泡数量增多
而增强。至于超声波怎样破坏微泡，其影响因素是什么，目前人们知之不多。已有研究证明，造影剂回声强度与微泡浓度及大小有关。其中微泡回声强度与微泡半径的6次幂呈正相关，故认为浓度高、直径大的微泡造影剂其回声强度往往较高。本研究表明，声波能量越大、照射时间越长，则微泡破坏越多、微泡平均直径越小，提示两者直接影响造影回波的强度。声波频率虽然不直接影响微泡的浓度，但可影响微泡的大小，也将同样影响微泡回声强度。提示在声学造影实践中，为提高静脉心肌声学造影效果，应尽可能选用低能量、低频率超声波，并减少不必要的照射时间。
注：广东省“五个一”重点课题基金及国家自然基金(39870329)
, 百拇医药
作者简介：查道刚，男，1967年出生；1995年毕业于第一军医大学；硕士
参考文献
1 Kaul S. Myocardial contrast echocardiography:15 years of research and development. Circulation, 1997,96(10):3745
2 查道刚，刘伊丽，陈树元等. 无创左室心肌声学造影的实验研究. 中华超声影像学杂志，1998,7(1):45
3 Porter TR, Xie F. Visually discernible myocardial echocardiographic contrast after intravenous injection of sonicated dextrose albumin microbubbles containing high molecular weight, less soluble gases. J Am Coll Cardiol, 1995,25(3):509
, http://www.100md.com
4 Burns PN, Powers JE, Simpson DH et al. Harmonic imaging: Principles and preliminary results. Clin Radiol, 1996,51(Suppl I):50
5 Porter TR, Xie F. Transient myocardial contrast after initial exposure to diagnostic ultrasound pressure with minute doses of intravenously injected microbubbles: demonstration and potential mechanisms. Circulation, 1995,92(9):2391
(收稿日期：1998-11-20), 百拇医药
单位：第一军医大学南方医院心内科, 广州，510515
关键词：声振微泡；声能；频率；时间
超声照射对声振微泡稳定性的影响摘要：目的与方法 造影剂微泡浓度、大小是影响心肌声学显影最重要因素。本研究采用2×2×4析因分析法分析不同超声照射条件对造影剂微泡浓度及直径的影响，即声波频率、能量以及照射时间对微泡浓度、大小的单独及交互作用。为临床行静脉心肌声学造影检查时选择适宜的超声照射条件提供参考。结果 能量越大、照射时间越长，微泡破坏越多，平均直径越小；照射频率对微泡浓度影响不大，但影响微泡大小，频率越高，微泡越小。结论 为减少超声照射对微泡的破坏，提高心肌声学造影效果，应尽可能选用低能量、低频率超声波，并减少不必要的照射时间。
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中图分类号：R445.1
Effect of ultrasound exposure on stability of sonicated microbubbles
Zha Daogang, Liu Yili, Chen Shuyuan, Jin Weijun, Zheng Yanlie
Department of Cardiology, Nanfang Hospital, First Military Medical University, Guangzhou, 510515
Abstract: Objective and methods The concentration and the size of contrast microbubbles are both the important factors that affect the quality of intravenous myocardial contrast echocardiography (IMCE), but the interactions between microbubbles and ultrasound are poorly understood. In order to select optimal ultrasound exposure condition for IMCE, the influences of ultrasound energy, frequency and exposure time on stability of sonicated microbubbles were evaluated by a 2´ 2´ 4 factorial analysis. Results The concentration of microbubbles was decreased when the ultrasound energy was increased or the duration of exposure to ultrasound was prolonged (P<0.001). The frequency of ultrasound did not significantly influence the concentration of the microbubbles (P=0.061), but influenced the size of the bubbles. The higher the energy and the frequency or the longer the exposure time, the more the bubbles were destroyed and the smaller the mean size of contrast bubbles was (energy, P=0.004; frequency, P<0.001; duration of exposure, P<0.001). Conclusions These findings could lead us to select ultrasound at lower frequency, lower ultrasound power and to reduce duration of exposure microbubbles to ultrasound for improving effect of contrast in IMCE.
, 百拇医药
Key words: sonicated microbubbles; ultrasound power; frequency; exposure time
静脉心肌声学造影是近年来冠心病研究领域的重要课题之一，国内外许多学者都致力于造影剂制备及超声仪器技术方面的研究[1]，而对于超声照射与造影剂微泡稳定性关系的研究则较少。作者采用析因分析研究声波频率、声能及其照射时间对声振氟碳微泡造影剂的微泡浓度、大小的影响。以期为行静脉心肌声学造影时选择适宜的超声照射条件提供参考依据。
1材料与方法
1.1氟碳微泡造影剂的制备 取5%人白蛋白溶液10 ml装入塑料注射器中，使用进口声振仪处理。声处理过程中向白蛋白溶液内匀速注入氟碳气体。采用该方法制备得到的造影剂微泡直径为2.0～5.0μm，其中98%<10μm；微泡浓度为 (1～2)×1012个/L。该造影剂经静脉注射在普通型超声仪上即可实现明显的心肌显影[2]。
, 百拇医药
1.2 实验方案 利用Apogee CX200型超声心动图仪离体照射氟碳微泡造影剂。照射条件分别为：照射频率3.5、7.5 MHz与声波能量0.11 、0.46 mW以及照射时间30、60、120、240 s 进行不同组合。各组合条件重复实验 3次。造影剂微泡浓度、大小均采用Coulter粒子计数器测定。全部过程均由同一实验者操作。
资料分析及统计学处理 采用2×2×4析因分析法分析不同照射条件对造影剂微泡浓度及直径的影响，即声波频率、能量以及照射时间对微泡浓度、大小的单独及交互作用。为静脉心肌声学造影选择适宜的超声照射条件提供参考。
2 结果
2.1 不同照射条件对造影剂微泡浓度的影响(表1、2)析因分析结果表明，声波能量与照射时间直接影响微泡的浓度，即能量越大或暴露时间越长，微泡破坏越多(P<0.001)，而照射频率对微泡浓度影响不大(P=0.061)。声波能量、频率、照射时间之间无交互作用(P>0.05)。
, 百拇医药
表1 不同超声频率、时间及强度组合对造影剂微泡浓度的影响(单位：´ 1010 个/L)
Tab.1 Influences of ultrasound exposure conditions on the concentration of microbubbles(M±SD，Unit：´ 1010 microbubbles/L)
Exposure condition
Concentration
Change ratio (%)
F
I
, 百拇医药
T
Before exposure
After exposure
f1
e1
t1
153.17±5.33
132.70±7.99
-13.35±4.50
t2
161.93±4.22
116.60±9.59
, 百拇医药
-27.88±7.46
t3
162.60±1.71
107.03±3.54
-34.18±2.01
t4
159.93±5.58
91.87±8.39
-42.64±3.33
e2
t1
160.43±5.23
, 百拇医药
117.30±12.83
-26.96±6.49
t2
162.33±3.67
114.97±13.10
-29.23±7.12
t3
158.07±1.66
101.53±6.23
-35.75±4.24
t4
154.07±1.10
, 百拇医药
84.33±4.25
-45.27±2.37
f2
e1
t1
155.40±6.94
124.77±18.42
-19.96±8.46
t2
164.47±4.92
127.60±1.68
-22.35±3.31
, 百拇医药
t3
161.90±5.88
119.80±10.16
-26.05±4.84
t4
155.03±7.86
107.47±6.77
-30.68±2.93
e2
t1
158.23±8.24
117.67±7.39
, 百拇医药
-25.47±6.83
t2
148.80±9.44
105.47±18.79
-29.46±8.62
t3
148.13±5.75
99.00±5.74
-33.20±1.40
t4
153.17±6.11
85.57±7.21
, http://www.100md.com
-44.19±2.79
F= frequency; I=ultrasound energy; T=exposure time; f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
表2 超声频率、时间及强度各自对造影剂微泡浓度及大小的影响(单位：%)
Tab. 2 Influences of ultrasound frequency, intensity or exposure time on concentration and size of microbubbles respectively
change ratio of concentration(%)
, http://www.100md.com
change ratio of size (%)
Frequency
f1
-31.90± 10.49
-6.29± 1.80
f2
-28.92± 8.56
-3.61± 1.60
Intensity
e1
-27.13± 9.59
, 百拇医药 -5.50± 2.28
e2
-33.69± 8.58
-4.40± 1.95
Exposure time
t1
-21.43± 8.00
-4.38± 1.86
t2
-27.23± 6.63
-4.00± 1.74
t3
, http://www.100md.com
-32.30± 4.87
-4.85± 1.90
t4
-40.69± 6.60
-6.57± 2.41
f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
2.2 不同照射条件对造影剂微泡大小的影响(表2、3)
表3 不同超声频率、时间及强度组合对造影剂微泡大小的影响(单位：μm)
, 百拇医药 Tab. 3 Influences of ultrasound exposure conditions on the size of microbubbles (M±SD, unit=m m)
Exposure condition
Size
Change ratio (%)
F
I
T
Before exposure
After exposure
, 百拇医药 f1
e1
t1
3.361±0.016
3.182±0.020
-5.34±0.91
t2
3.324±0.039
3.170±0.054
-4.62±0.90
t3
3.319±0.026
, http://www.100md.com
3.101±0.007
-6.56±0.57
t4
3.301±0.028
2.973±0.061
-9.93±1.08
e2
t1
3.265±0.067
3.102±0.072
-5.01±1.46
t2
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3.281±0.050
3.104±0.020
-5.37±1.13
t3
3.228±0.044
3.025±0.043
-6.31±0.49
t4
3.158±0.043
2.930±0.043
-7.20±0.35
f2
, http://www.100md.com
e1
t1
3.153±0.013
3.006±0.073
-4.64±2.71
t2
3.187±0.034
3.068±0.057
-3.74±2.43
t3
3.164±0.023
3.033±0.033
, 百拇医药
-4.15±1.32
t4
3.074±0.070
2.921±0.075
-4.98±0.45
e2
t1
3.056±0.034
2.979±0.070
-2.53±1.20
t2
2.990±0.120
, http://www.100md.com
2.922±0.127
-2.26±0.74
t3
2.901±0.035
2.832±0.038
-2.39±0.21
t4
2.920±0.042
2.798±0.038
-4.15±0.58
F=frequency; I=ultrasound energy; T=exposure time; f1=3.5 MHz; f2=7.5 MHz; e1=0.11 mW; e2=0.46 mW; t1=30 s; t2=60 s; t3=120 s; t4=240 s
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析因分析结果还表明，声波能量、频率及照射时间对造影剂微泡直径大小均有显著影响。即能量越大，频率越高或时间越长，照射后微泡越小(能量间比较，P=0.004；频率间比较，P<0.001；时间之间比较，P<0.001)。三者之间无明显交互作用(P>0.05)。
3讨论
近年来，静脉心肌声学造影得到了迅速发展。其主要原因有：(1)气体构成理论[3]的提出促进了造影剂的研制：即选用高分子量、低血液溶解性的气体有助于增强微泡的稳定性，从而更易于实现经静脉途径左室心肌显影；(2)二次谐波成像技术 (Second harmonic imaging)提高了造影图像质量：造影剂微泡较其他组织产生更强的回波信号，故应用宽频带探头发射某一频率，而接受其谐波频率成像使得造影图像信噪比提高[4]；(3)间断发射成像技术 (Intermittent imaging) 的应用增强造影效果：Porter等[5]首先观察到静脉心肌声学造影剂过程中，在短暂的超声照射暂停之后，重新照射的瞬间，造影效果明显增强，当时认为这一现象与声波的瞬间作用使微波声反射增强有关，故被命名为“瞬间反应成像”(Transient response imaging)。不论其解释是否正确，间断成像技术比谐波造影技术更利于静脉心肌声学造影结果的增强[1]，为静脉心肌声学造影提供了重要的影像手段。
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目前研究已证明，超声波照射可破坏造影剂微泡[1]。连续超声照射，微泡破坏较多，难以在心肌内蓄积，故静脉心肌显影效果差。而间断发射成像技术可增强造影效果的主要原因是因为超声波发射间歇，造影剂微泡在心肌内蓄积，此时再予以声波照射，心肌内回波反射因微泡数量增多
而增强。至于超声波怎样破坏微泡，其影响因素是什么，目前人们知之不多。已有研究证明，造影剂回声强度与微泡浓度及大小有关。其中微泡回声强度与微泡半径的6次幂呈正相关，故认为浓度高、直径大的微泡造影剂其回声强度往往较高。本研究表明，声波能量越大、照射时间越长，则微泡破坏越多、微泡平均直径越小，提示两者直接影响造影回波的强度。声波频率虽然不直接影响微泡的浓度，但可影响微泡的大小，也将同样影响微泡回声强度。提示在声学造影实践中，为提高静脉心肌声学造影效果，应尽可能选用低能量、低频率超声波，并减少不必要的照射时间。
注：广东省“五个一”重点课题基金及国家自然基金(39870329)
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作者简介：查道刚，男，1967年出生；1995年毕业于第一军医大学；硕士
参考文献
1 Kaul S. Myocardial contrast echocardiography:15 years of research and development. Circulation, 1997,96(10):3745
2 查道刚，刘伊丽，陈树元等. 无创左室心肌声学造影的实验研究. 中华超声影像学杂志，1998,7(1):45
3 Porter TR, Xie F. Visually discernible myocardial echocardiographic contrast after intravenous injection of sonicated dextrose albumin microbubbles containing high molecular weight, less soluble gases. J Am Coll Cardiol, 1995,25(3):509
, http://www.100md.com
4 Burns PN, Powers JE, Simpson DH et al. Harmonic imaging: Principles and preliminary results. Clin Radiol, 1996,51(Suppl I):50
5 Porter TR, Xie F. Transient myocardial contrast after initial exposure to diagnostic ultrasound pressure with minute doses of intravenously injected microbubbles: demonstration and potential mechanisms. Circulation, 1995,92(9):2391
(收稿日期：1998-11-20), 百拇医药