利用“渦流超聲”龍卷風(fēng)來(lái)?yè)羲榇竽X中的血栓 _大腦

利用“渦流超聲”龍卷風(fēng)來(lái)?yè)羲榇竽X中的血栓
據(jù)EurekAlert!：科研人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的利用“渦流超聲（vortex ultrasound）”-- 一種類(lèi)似于龍卷風(fēng)的超聲--來(lái)?yè)羲榇竽X中的血栓的技術(shù) 。在初步的體外實(shí)驗(yàn)中，這一新技術(shù)在一個(gè)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭幸韵噍^于現(xiàn)有技術(shù)快得多的速度溶解了腦靜脈竇血栓。
“我們之前的工作主要關(guān)注于利用前向超聲技術(shù)進(jìn)行溶栓， ”關(guān)于這項(xiàng)工作的論文的共同通訊作者，北卡羅萊納州立大學(xué)機(jī)械與航天工程系Dean F. Duncan教授江小寧說(shuō)：“我們的這項(xiàng)新工作則是運(yùn)用了有著螺旋波前的渦流超聲。”
“換句話說(shuō) ，這種超聲在向前傳播時(shí)會(huì)不停旋轉(zhuǎn) ， ”江老師說(shuō)：“基于我們的體外實(shí)驗(yàn)，這一新的溶栓技術(shù)因渦流超聲在血栓中產(chǎn)生了較強(qiáng)的剪應(yīng)力而使血栓能以相較于現(xiàn)有醫(yī)療手段快得多的速度溶解。”
該論文的共同通訊作者，佐治亞理工大學(xué)機(jī)械工程系助理教授石承志說(shuō)：“腦靜脈竇血栓會(huì)使顱內(nèi)血壓急劇升高，這會(huì)極大地增加對(duì)病人致命的顱內(nèi)大出血的風(fēng)險(xiǎn)，因此我們這項(xiàng)能快速溶解血栓的技術(shù)非常重要。”
“現(xiàn)有醫(yī)療手段大多基于靜脈滴注溶栓藥物，但這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。我們的技術(shù)能以物理方法快速溶解血栓，進(jìn)而極大降低了病人因顱內(nèi)大出血而病危的風(fēng)險(xiǎn) 。”
腦靜脈竇血栓病是由血栓阻塞了大腦中收集回流血液的主要靜脈所引起的。在美國(guó)，每十萬(wàn)人會(huì)有2-3個(gè)病例，并且病例數(shù)在2018和2019年有逐步增加的趨勢(shì) 。
江老師說(shuō)：“我們的工作之所以重要的另一個(gè)原因是現(xiàn)有的治療手段對(duì)20-40%的腦靜脈竇血栓無(wú)效。”
這一新技術(shù)是基于相控陣超聲換能器原理產(chǎn)生渦旋效應(yīng) 。報(bào)道的超聲換能器小到足以安裝在通過(guò)血管到達(dá)栓塞位置進(jìn)行手術(shù)的導(dǎo)管上。
在概念驗(yàn)證的體外實(shí)驗(yàn)中，研究人員運(yùn)用了牛血血栓在3D打印的腦靜脈醫(yī)學(xué)模型中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
“基于已有的數(shù)據(jù) ，現(xiàn)有的治療手段最快需要15小時(shí)，平均則需要29小時(shí)來(lái)溶解腦靜脈竇血栓，”石老師說(shuō)：“在體外實(shí)驗(yàn)中，我們的新技術(shù)成功在遠(yuǎn)少于半小時(shí)的時(shí)間內(nèi)溶解了一塊急性腦靜脈竇血栓。”
血管內(nèi)手術(shù)都存在著如損傷血管壁等副作用的風(fēng)險(xiǎn) 。為測(cè)試這些風(fēng)險(xiǎn) ，研究人員用動(dòng)物靜脈進(jìn)行了多次渦流超聲照射實(shí)驗(yàn) ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)渦流超聲對(duì)血管壁并未造成影響。
研究人員還測(cè)試了渦流超聲對(duì)血液中紅細(xì)胞的影響，同樣并未發(fā)現(xiàn)渦流超聲對(duì)紅細(xì)胞有顯著的副作用。
“接下來(lái)我們將就渦流超聲治療腦靜脈竇血栓的可行性進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn) ， ”江老師說(shuō)：“如果動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成功，我們將進(jìn)行臨床測(cè)試。”
石老師說(shuō)：“如果渦流超聲能用于臨床治療腦靜脈竇血栓，這一醫(yī)療手段將與現(xiàn)有的血管內(nèi)手術(shù)的成本相當(dāng) 。”
論文“A Model of High-Speed Endovascular Sonothrombolysis with Vortex Ultrasound-Induced Shear Stress to Treat Cerebral Venous Sinus Thrombosis”發(fā)表于開(kāi)放期刊Research, a Science Partner Journal 。論文的共同第一作者是北卡羅萊納州立大學(xué)的博士生張博華，博士后研究員武懷宇，和前北卡羅萊納州立大學(xué)博士生，現(xiàn)韓國(guó)仁荷大學(xué)助理教授Howuk Kim 博士。其他作者包括：佐治亞理工大學(xué)機(jī)械工程系的Phoebe Welch，密西根大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的Ashley Cornett ， Greyson Stocker，Gabe Owens教授和徐蓁教授，匹茲堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心中風(fēng)中心主任Raul Nogueira教授，和北卡羅萊納大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的研究助理教授Jinwook Kim博士和Paul Dayton教授。
該工作是在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院R01HL141967 ， R41HL154735和R21EB027304以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金CMMI-2142555研究經(jīng)費(fèi)支持下完成的。
相關(guān)：新工具使用超聲波“龍卷風(fēng)”分解血栓
據(jù)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)（作者：Matt Shipman）：研究人員開(kāi)發(fā)了一種新工具和技術(shù)，使用“渦旋超聲波”（一種超聲波龍卷風(fēng)）來(lái)分解大腦中的血凝塊。新方法比現(xiàn)有技術(shù)更快地消除腦靜脈竇血栓形成（CVST）體外模型中形成的凝塊。
“我們以前的工作著眼于使用超聲波消除血栓的各種技術(shù) ，這些技術(shù)基本上是面向前的波，”該研究論文的共同通訊作者Xiaoning Jiang說(shuō) 。“我們的新工作使用渦旋超聲，其中超聲波具有螺旋波前。
“換句話說(shuō)，超聲波在向前移動(dòng)時(shí)正在旋轉(zhuǎn)，”北卡羅來(lái)納州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程院長(zhǎng)F. Duncan教授Jiang說(shuō) 。“根據(jù)我們的體外測(cè)試，這種方法比現(xiàn)有技術(shù)更快地消除血栓，主要是因?yàn)闇u流引起的剪切應(yīng)力。
“我們的新技術(shù)快速起作用的事實(shí)很重要，因?yàn)镃VST凝塊增加了大腦血管的壓力， ”該研究的共同通訊作者，佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授Chengzhi Shi說(shuō)，“這增加了大腦出血的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)患者來(lái)說(shuō)可能是災(zāi)難性的。
“現(xiàn)有技術(shù)在很大程度上依賴(lài)于溶解血凝塊的干預(yù)措施。但這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。我們的方法有可能更快地解決這些血栓，降低患者的風(fēng)險(xiǎn) 。
當(dāng)負(fù)責(zé)從大腦排出血液的靜脈中形成血凝塊時(shí)，就會(huì)發(fā)生CVST 。2018 年和 2019 年，美國(guó) CVST 的發(fā)病率在 2 至 3/100，000 之間，并且發(fā)病率似乎在增加。
“我們?cè)谶@里的工作很重要的另一個(gè)原因是，目前CVST的治療在20-40%的病例中失敗，”Jiang說(shuō) 。
新工具由一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生渦流渦旋效應(yīng)的換能器組成。換能器足夠小，可以并入導(dǎo)管，然后導(dǎo)管通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)輸送到血凝塊部位。
對(duì)于概念驗(yàn)證體外測(cè)試，研究人員在腦靜脈竇的3D打印模型中使用了牛血。
“根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，溶解CVST血栓的藥物干預(yù)至少需要15小時(shí)，平均約為29小時(shí)，”Shi說(shuō) 。“在體外測(cè)試期間，我們能夠在半小時(shí)內(nèi)溶解急性血凝塊。
在任何導(dǎo)管插入或手術(shù)干預(yù)期間，都有潛在的傷害風(fēng)險(xiǎn)，例如損壞血管本身。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了將渦旋超聲應(yīng)用于動(dòng)物血靜脈樣本的實(shí)驗(yàn) 。這些測(cè)試發(fā)現(xiàn)血管壁沒(méi)有損傷。
研究人員還進(jìn)行了測(cè)試，以確定渦旋超聲是否對(duì)紅細(xì)胞造成重大損害。他們發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的損傷。
“下一步是我們使用動(dòng)物模型進(jìn)行測(cè)試，以更好地確定這種技術(shù)在CVST治療中的可行性，”Jiang說(shuō) 。“如果這些測(cè)試成功，我們希望進(jìn)行臨床試驗(yàn) 。
“如果渦旋超聲成為臨床應(yīng)用，它的成本可能與用于治療CVST的其他干預(yù)措施相當(dāng)，”Shi說(shuō) 。
論文“高速血管內(nèi)溶栓與渦旋超聲誘導(dǎo)剪切應(yīng)力治療腦靜脈竇血栓形成的模型”發(fā)表在《研究》雜志上。