超声诱导的声流与剪应力在血栓操控中的数值研究

为何在不用药物的情况下破除血栓很重要

静脉和脑血管内的血栓会阻塞循环，导致中风、心肌梗死或危险的肺栓塞。如今的主要治疗依赖抗凝或溶栓药物，这些药物虽能挽救生命，却也增加严重出血的风险，并非所有患者都适用。本研究探讨一种无需用药、且非侵入性的替代方案：通过精确调谐的超声搅动血栓周围流体，使其产生足够的力促使血栓自行破裂。

用声波作用于隐匿的堵塞物

研究者关注一种细微效应，称为声流。当超声束通过流体时，它不仅传播波动，还能驱动一种缓慢但持续的流动，类似水下的微风。在血栓等障碍物附近，这种流动会形成微小涡旋，沿着血栓表面拖拽并产生一种侧向牵引力，称为剪切应力。如果该应力超过血栓的机械强度，血栓内部纤维会断裂，整体开始碎裂。研究团队探讨在现实可行的超声参数下，仅靠声流能否达到这种应力水平，而无需使用破坏血栓的药物。

构建一个数字化的血管模型

为了解答这一问题，作者使用 COMSOL Multiphysics 构建了一个带有血栓的详细计算机模型。他们将血管表示为二维管道，血栓建模为具有厚重粘滞性流体行为的椭圆形区域。超声源被简化为置于血栓上方的直线换能器，连续发射声波进入血管。通过耦合两组方程——一组描述声波传播，另一组描述流体流动——他们计算了超声场如何在血栓周围产生声流，以及在不同条件下血栓表面出现的剪切应力有多大。

寻找合适的声学参数

团队系统地改变了三个关键因素：血栓相对于换能器的位置、超声频率以及声波的强度（压力）。他们发现，随着血栓在血管内移动，声流和剪切应力呈复杂、非线性的变化，这反映了入射波与反射波形成的驻波模式。在某些位置，两侧会形成强烈的涡旋并产生高强度应力；而在其他位置，流动则较弱。频率也很关键。非常低的频率穿透性好但可能引发不受控的气泡活动等不良副作用；非常高的频率又被迅速吸收，主要转化为热能。模型在约2 MHz 附近预测到一个平衡点：声流强度充足且吸收不过度，因此在治疗上尤其具有吸引力。

声波需要多大推力

通过逐步增加声学压力，研究者显示血栓表面的剪切应力先是稳步上升，随后在流体粘性阻力与驱动力平衡时趋于饱和。在优化条件下——约2 MHz、2 MPa 的声压并且血栓位于有利位置——计算得到的剪切应力峰值约为10.9 帕斯卡，超过估算的启动破坏血栓内部结构所需的 4.1 帕斯卡阈值的两倍多。模型还考察了更现实的情形，例如血管壁更厚（可能出现在疾病状态下）。在那种情况下，更多声能在到达血栓前被耗散，初始剪切应力降至约2.7 帕斯卡。适度提高声压可将其提高到约3.0 帕斯卡，但仍低于破碎阈值，这凸显了皮肤与血管之间的体内组织会如何削弱效果。

迈向更安全血栓治疗的下一步

总体而言，模拟结果表明，在理论上若声学参数与几何条件合适，超声驱动的声流能够产生足以使血栓碎裂的机械应力，而无需使用溶栓药物。与此同时，研究也强调了重要的注意事项：当前模型采用了简化的血管与血栓结构，假设无背景血流，甚至将换能器置于血管内部而非皮肤表面。作者认为需要更现实的三维模型、可变形的血管壁、流动的血液以及实验验证。尽管如此，他们的结果绘出了频率、压力与定位的有希望范围，并指出声流可能成为未来更安全的基于超声的血栓治疗的潜在组成部分。

引用: Hisham, A., Hassan, M.A. & Wahba, A.A. Numerical investigation of ultrasound-induced acoustic streaming and shear stress for blood clot manipulation. Sci Rep 16, 12891 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44521-5

关键词: 超声 血栓 治疗, 声流, 血栓, 剪切应力, 计算建模