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1、第55卷第12期2006年12月物理学报Vol.55,No.12,December,200610003290200655(12)647606ACTAPHYSICASINICA2006Chin.Phys.Soc.*超声波声孔效应中气泡动力学的研究陈谦邹欣晔程建春(南京大学声学研究所,南京210093)(2006年3月6日收到;2006年8月9日收到修改稿)在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中,发现激励信号对切片制取效果有明显的影响.为了掌握超声激励信号对组织细胞的影响规律,达到快速制取病理切片的最佳状态,从气泡空化模型入手,通过改变激励信号频率、声压、气泡初始
2、半径和液体黏滞系数等参量,研究了声孔效应中气泡动力学激励机制.数值计算表明:空化泡振动随激励声压增强而升高,随液体黏滞系数增强而减弱;一定频率范围内空化泡振动能保持在膨胀、收缩和振荡的稳定空化状态,存在空化泡稳态振动的最佳激励频率;一定初始半径能保证空化泡产生稳定的振动,存在空化泡稳态振动幅度最大的初始半径.实际操作中,在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用的若干空化阈内,声孔效应使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果.关键词:声孔效应,超声空化,气泡振动,稳态空化域PACC:4325,4335,4360传统细胞组织病理切片的制取中,脱水、透明、1引言浸蜡等步骤需要经过长达30h才能完
3、成.如果刻意加快脱水、透明、浸蜡等步骤的速度,会导致细胞收[1]生物组织和组织液中包含许多微小气泡,微缩变形,影响细胞结构的原始形态,或者会导致组织泡被超声波作用时能产生膨胀、收缩、振荡、崩溃等块进蜡不完全,切片变脆易碎.所以,常规石蜡切片[2,3]空化过程,导致细胞膜表面产生孔状结构,停止法给临床外检快速病理诊断带来很大的困难.我们超声波作用后细胞膜的结构又恢复常态,孔状结构在研究中利用超声作用于细胞组织,通过提高细胞[4]消失,称此现象为声孔效应.膜通透性,在不破坏细胞原形状结构的前提下,在较[5]Miller在20世纪80年代证明,红细胞悬浮液短时间内制取出高质量的病理切片,实现临床外
4、检在引入气泡的情况下,超声的作用会使细胞膜通透快速病理诊断,具有很高的应用价值.[6]性发生变化.1997年,Bao等发现含微泡的中华田鼠卵巢细胞悬浮液在超声辐射过程中,细胞膜可以2实验对大分子开放,随后闭合.文献[7,8]指出,淋巴细胞悬浮液中加入低浓度超声造影剂后观察到可修复的实验过程中超声激励信号的声功率控制在102声孔效应,提高造影剂中微气泡浓度还观察到致死Wcm以下,选用200,400,600,800和1000kHz5个性的声孔效应.工作频率对同块肝组织的取样标本分别进行超声作我们利用声孔效应在不破坏细胞形状结构的前用制取切片.5个实验频率经过反复成功制取切片提下,成功地提高了
5、细胞膜的通透性,快速制取了细后,各步骤所需的平均最少时间的差异如表1所列.[9]胞组织病理切片.为了澄清实验结果,我们初步研比较表内数据发现:超声工作频率不同导致病理切究了声孔效应作用于细胞组织的动力学机制,从细片制取的时间不同,说明声孔效应的效果不同;作用胞组织内外微气泡的空化入手,建立了微气泡的振于组织块的超声频率并非越高越好,随实验中所选动模型,详细分析了超声频率、声压、微泡初始半径频率的降低,作用效果有时加强,有时减弱,总体呈和黏滞系数等空化动力参量对微气泡振动的影响.现出一些加快病理切片制取速度的频率带,最佳为*国家杰出青年科学基金(批准号:10125417)资助的课题.通讯联系
6、人.Email:jccheng@nju.edu.cn12期陈谦等:超声波声孔效应中气泡动力学的研究6477200,800kHz左右的频带.表1不同超声频率下制取切片各步骤的最少使用时间4结果及分析频率kHz固定min脱水min透明min浸蜡min总时间min100082011104941空化气泡的运动过程特征800616111043411气泡稳态运动600718101045选择R0=15%m的气泡,用参数为fa=5200kHz,Pa=19!10Pa的超声激励信号作用,由400717101044图1(a)可见此气泡在一个周期内的运动呈现膨胀、200716101
7、043收缩和振荡三个阶段.整个过程从声场的负压相开始,膨胀过程约占整个周期的53%,而收缩过程非3微气泡空化模型常迅速,占整个周期的12%,其余部分为振荡过程.保持超声激励参数不变,延长激励时间就能使空化外加超声激励信号Pasinat耦合至组织细胞,泡继续进入下一个周期的运动,产生连续膨胀、收缩细胞膜内外的细胞液中存在微气泡,它们受到激励和振荡的稳态空化过程,如图1(b)所示.声波的拉伸和压缩作用产生
