贾宇皓; 张晓敏; 赵志鹏; 吴琼; 张林林

doi:10.7498/aps.74.20250430

摘要

超声溶栓的核心机制源于空化气泡溃灭产生的瞬态冲击波与微射流对血栓结构的破坏作用. 尽管该效应已在实验与临床中被证实具备溶栓潜力, 但其疗效受限于空化作用能量传递效率低和损伤可控性差等问题, 其本质在于单气泡空蚀效应不足与多气泡协同作用规律不明确. 本研究通过构建气-液-固多物理场耦合模型来量化分析血栓附近空化气泡溃灭动力学特性, 流-固耦合部分引入结构阻尼项来表征血栓运动过程中的能量耗散; 在此基础上, 结合参数分析详细讨论了多气泡射流序列冲击作用下的协同效应, 其对应力累积的影响完全考虑了血栓的力学特性, 即结合实验确定的超-黏弹性血栓本构模型. 数值模拟表明射流冲击强度与血栓质量、超声振幅正相关, 与无量纲距离、超声频率、气泡初始半径负相关; 多气泡协同效应存在相对优化的半径分布范围, 通过射流序列匹配可使血栓内部正应力或剪应力获得显著增幅. 建议给出的协同空蚀效应预测方程为超声溶栓控制策略提供了理论依据.

关键词:

Abstract

Ultrasound thrombolysis primarily relies on transient shockwaves and microjets from collapsing cavitation bubbles to mechanically disrupt thrombus structures. Although it shows clinical potential, its efficacy is still limited by low cavitation energy transfer efficiency and unpredictable tissue damage, due to incomplete understanding of single bubble dynamics and the synergistic mechanisms of multi-bubble interactions.This study introduces a hyper-viscoelastic constitutive model incorporating blood clot mechanics to analyze stress accumulation under sequential microbubble impacts. A gas-liquid-solid coupling multi-physics model quantifies bubble collapse dynamics near thrombi, and integrates structural damping terms to represent energy dissipation during fluid-solid interactions. Parameter analysis shows that the intensity of jet impact is positively correlated with thrombus mass and ultrasound amplitude, but inversely related to dimensionless distance, ultrasound frequency, and initial bubble radius.The proposed rate-dependent Ogden-Prony model effectively captures thrombus behaviors under transient impacts, including strain hardening, rate-dependent strengthening, and stress relaxation. Sequential jet impacts induce cumulative stress through strain hardening, with multi-bubble synergy achieving significantly higher stresses than single-bubble impact. Optimal bubble radius distribution can amplify the normal/shear stress inside thrombi—maximum normal stress generated by the double bubble impact sequences is 6.02 MPa, exceeding the tensile strength of the thrombus, while the maximum stress generated by single bubble impact is 1.45 MPa. The key quantitative relationships between bubble cluster parameters, dimensionless distance, thrombus mass, and stress accumulation provide optimization guidelines for ultrasound thrombolysis. Notably, controlled multi-bubble jet impact sequences with attenuated pressure peaks demonstrate enhanced therapeutic potential through cumulative mechanical effects rather than a single high-intensity impact.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者: 张晓敏, xiaomin@cqu.edu.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12272065)和中国重庆市研究生科研创新项目(批准号: CYB22026)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author: ZHANG Xiaomin, xiaomin@cqu.edu.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12272065) and the Graduate Research Innovation Project in Chongqing, China (Grant No. CYB22026).

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参数	参数值
参考压力 ${p_0}$/Pa	101325
血液密度 ${\rho _0}$/(kg·m^–3)	1059
血液黏度 ${\mu _{\text{l}}}$/(Pa·s)	0.005
血液体积模量 ${K_0}$/GPa	2.5
血液密度指数 $n$	7.15
血液表面张力系数 $\sigma $/(N·m^–1)	0.072
损耗因子^[38] $\tilde \eta $	0.03
气体黏度${\mu _{\text{g}}}$/(Pa·s)	$1.34 \times 1{0^{ - 5}}$

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分布范围 (ΔR/R_c)/%	半径区间/μm	R_max与R_min 射流时序差/μs
1.7	59—61	0.4
3.3	58—62	0.9
5.0	57—63	1.3
8.3	55—65	2.2
16.7	50—70	4.4
33.3	40—80	9.0

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