运用超声‘龙卷风’溶解血栓的新技术

科研人员开发了一项新的利用“涡流超声（vortex ultrasound）”-- 一种类似于龙卷风的超声--来击碎大脑中的血栓的技术。在初步的体外实验中，这一新技术在一个医学实验模型中以相较于现有技术快得多的速度溶解了脑静脉窦血栓。

“我们之前的工作主要关注于利用前向超声技术进行溶栓，”关于这项工作的论文的共同通讯作者，北卡罗莱纳州立大学机械与航天工程系Dean F. Duncan教授江小宁说：“我们的这项新工作则是运用了有着螺旋波前的涡流超声。”

“换句话说，这种超声在向前传播时会不停旋转，”江老师说：“基于我们的体外实验，这一新的溶栓技术因涡流超声在血栓中产生了较强的剪应力而使血栓能以相较于现有医疗手段快得多的速度溶解。”

该论文的共同通讯作者，佐治亚理工大学机械工程系助理教授石承志说：“脑静脉窦血栓会使颅内血压急剧升高， 这会极大地增加对病人致命的颅内大出血的风险，因此我们这项能快速溶解血栓的技术非常重要。”

“现有医疗手段大多基于静脉滴注溶栓药物，但这需要耗费大量的时间。我们的技术能以物理方法快速溶解血栓，进而极大降低了病人因颅内大出血而病危的风险。”

脑静脉窦血栓病是由血栓阻塞了大脑中收集回流血液的主要静脉所引起的。在美国，每十万人会有2-3个病例，并且病例数在2018和2019年有逐步增加的趋势。

江老师说：“我们的工作之所以重要的另一个原因是现有的治疗手段对20-40%的脑静脉窦血栓无效。”

这一新技术是基于相控阵超声换能器原理产生涡旋效应。报道的超声换能器小到足以安装在通过血管到达栓塞位置进行手术的导管上。

在概念验证的体外实验中，研究人员运用了牛血血栓在3D打印的脑静脉医学模型中进行实验验证。

“基于已有的数据，现有的治疗手段最快需要15小时，平均则需要29小时来溶解脑静脉窦血栓，”石老师说：“在体外实验中，我们的新技术成功在远少于半小时的时间内溶解了一块急性脑静脉窦血栓。”

血管内手术都存在着如损伤血管壁等副作用的风险。为测试这些风险，研究人员用动物静脉进行了多次涡流超声照射实验，结果发现涡流超声对血管壁并未造成影响。

研究人员还测试了涡流超声对血液中红细胞的影响，同样并未发现涡流超声对红细胞有显著的副作用。

“接下来我们将就涡流超声治疗脑静脉窦血栓的可行性进行动物实验，”江老师说：“如果动物实验成功，我们将进行临床测试。”

石老师说：“如果涡流超声能用于临床治疗脑静脉窦血栓，这一医疗手段将与现有的血管内手术的成本相当。”

论文“A Model of High-Speed Endovascular Sonothrombolysis with Vortex Ultrasound-Induced Shear Stress to Treat Cerebral Venous Sinus Thrombosis”发表于开放期刊Research, a Science Partner Journal。论文的共同第一作者是北卡罗莱纳州立大学的博士生张博华，博士后研究员武怀宇，和前北卡罗莱纳州立大学博士生，现韩国仁荷大学助理教授Howuk Kim 博士。其他作者包括：佐治亚理工大学机械工程系的Phoebe Welch，密西根大学生物医学工程系的Ashley Cornett，Greyson Stocker，Gabe Owens教授和徐蓁教授，匹兹堡大学医学中心中风中心主任Raul Nogueira教授，和北卡罗莱纳大学生物医学工程系的研究助理教授Jinwook Kim博士和Paul Dayton教授。

该工作是在美国国立卫生研究院R01HL141967，R41HL154735和R21EB027304以及美国国家科学基金CMMI-2142555研究经费支持下完成的。