《Scientific Reports》：Numerical investigation of ultrasound-induced acoustic streaming and shear stress for blood clot manipulation
编辑推荐：
本研究聚焦静脉血栓栓塞症(VTD)这一全球重大健康问题，探讨如何利用无创的超声技术安全有效地溶解血栓。传统抗凝或溶栓药物存在出血风险与不完全溶解等局限。为此，研究人员采用COMSOL Multiphysics?软件构建数值模型，深入研究了由超声波诱导的声流及其在血栓表面产生的剪切应力。研究发现，在2 MHz频率和2 MPa声压下，模型产生的最大剪切应力可达10.894 Pa，显著超过了导致血栓碎裂所需的4.1 Pa最小阈值。研究还探讨了不同声压、频率及换能器位置对声流的影响，并模拟了在增厚血管壁条件下的溶栓效果，为优化超声介导的无创溶栓治疗提供了关键的理论依据和参数指导。
每年，静脉血栓栓塞症影响着全球超过一千万人，而出血性卒中的死亡率高达21%，致残率达到41%。这些触目惊心的数据揭示了早期诊断和及时治疗的重要性。然而，当前主流的血栓治疗方法，无论是抗凝药物还是溶栓疗法，都存在明显的局限性。药物使用有严格的时间窗口限制，还可能带来出血并发症的风险，并且有时无法完全溶解血栓。为了突破这些困境，一种不依赖药物的、无创的物理治疗方法——基于超声的血栓治疗技术，正受到越来越多的关注。
这项发表在《Scientific Reports》上的研究，就将目光投向了超声波的一种有趣机制——“声流”（acoustic streaming）。当超声波在流体中传播时，会引发流体的稳定流动，就像在水面上吹气会产生波纹和流动一样。这种声流会在血栓周围形成涡旋，从而在血栓表面产生机械性的“剪切应力”（shear stress）。想象一下，一股持续而有力的“水流”冲刷、撕扯着由纤维蛋白网络构成的血栓结构，就有可能使其逐渐松动、碎裂。本研究的目标，正是通过精密的计算机模拟，来深入理解和优化这种基于声流的血栓碎裂机制，探索其作为一种安全高效的无创溶栓新策略的潜力。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了计算流体力学与声学耦合的数值模拟技术。他们利用COMSOL Multiphysics?（版本6.2）仿真软件，构建了一个包含血管和椭圆形血栓的二维几何模型。研究通过软件中的“压力声学，频域”接口模拟超声波的传播，并用“层流”接口模拟流体动力学，两者通过“声流域耦合”多物理场功能进行交互，从而计算出由声场驱动的流体流动（即声流）及其在血栓表面产生的剪切应力。模型设置了完美的匹配层来吸收边界反射，并探讨了不同超声参数（如频率、声压）和血栓位置对结果的影响。
声流与剪切应力分析
研究人员首先模拟了超声波与血栓的相互作用。模拟结果显示，声场与流体相互作用产生了声流，并在血栓表面附近形成涡旋。这些流动的涡旋对血栓表面施加了剪切应力。通过将声压从1.1 MPa提高到2 MPa，他们发现剪切应力也随之增加。在最佳条件下，模型在血栓表面上方产生了高达10.894 Pa的剪切应力。这个值超过了导致血栓碎裂所需的最小阈值（4.1 Pa），表明其足以引发血栓的纤维网络破裂，促进溶栓。
探究由超声波引起的声流对血栓的影响
研究进一步通过改变多个参数，深入探究了声流的影响，这些参数包括血栓相对于换能器的位置、超声波的频率以及声压。
血栓位置的影响
在固定声压和频率的条件下，改变血栓在血管内的位置会显著改变其表面的声流速度。模拟结果以速度大小场和流线图的形式展示，当血栓位于仿真域中心附近时，其周围的流速最高，可达0.12 m/s，并形成对称的涡旋。而靠近边界的区域，流速则较低。对血栓表面最大声流速度随位置变化的分析显示，其强度并非与位置线性相关，而是呈现振荡模式。这揭示了超声波在介质中形成了“驻波”（standing wave）图案，即入射波与从血栓边界反射的波发生干涉，产生了交替的高压和低压区域，这种压力分布模式直接影响了声流的强度。
频率变化的影响
研究固定其他参数，改变了超声频率（从300 kHz到15 MHz）。结果发现，在300 kHz到1 MHz范围内，随着频率增加，声流速度下降；而在1 MHz到15 MHz范围内，则呈现不规则变化。低频（如300 kHz）虽然能产生较高的声流速度，但存在引发不可控“空化”（cavitation）和能量聚焦不佳的风险。高频（如15 MHz）则衰减严重，能量多转化为热，对血栓的机械作用减弱。有趣的是，在2 MHz频率处观察到了一个意外的声流速度峰值，这表明可能存在共振等复杂物理现象，使得2 MHz成为一个在产生有效声流和避免过度产热/空化之间取得平衡的理想治疗频率。
声压变化的影响
在固定血栓位置和频率（300 kHz）的条件下，增加声压（从20 kPa到2 MPa）会导致声流速度单调上升。然而，在声压达到1.7 MPa和2 MPa时，声流速度呈现出稳定状态，这表明流体的粘性阻力与增大的声压达到了动态平衡。
在增厚血管模型上应用超声
为了使模型更贴近生理实际（如模拟动脉粥样硬化等血管壁增厚的情况），研究增加了血管壁的厚度。在此条件下，初始计算得到的血栓表面剪切应力下降至2.6915 Pa，不足以有效碎裂血栓。随后，研究人员通过调整超声参数，将声压增至2.1 MPa，成功将剪切应力提升至2.9763 Pa。这一尝试表明，虽然增厚的组织层会衰减超声能量、降低疗效，但通过优化参数（如提高声压）仍有可能在一定程度上增强机械效应。不过，这也带来了对组织安全性的新考量。
本研究通过数值模拟，初步阐明了利用超声诱导声流产生剪切应力以机械方式碎裂血栓的可行性。核心结论是，在优化的参数下（特别是2 MHz频率和2 MPa声压），产生的剪切应力（最高10.894 Pa）能够超过血栓碎裂的力学阈值（4.1 Pa）。研究明确了血栓位置、超声频率和声压是影响疗效的关键参数：血栓位于声场特定位置（如驻波腹点）时效应最强；2 MHz可能是一个兼顾穿透深度与机械效应的优势频率；声流速度及剪切应力随声压增加而增大，但在高压下会趋于饱和。此外，研究也指出，血管壁增厚等体内复杂情况会显著衰减超声能量，降低溶栓效率，提示未来的临床转化需要考虑个体解剖差异并优化治疗参数。
这项工作的意义在于，它为开发一种不依赖溶栓药物的、全新的无创血栓治疗策略提供了重要的理论依据和前期数据。通过揭示声流溶栓的物理机制和关键影响参数，该研究为设计更安全、更高效的超声溶栓治疗方案指明了方向。尽管当前的模型还存在简化（如将血栓视为流体、血管壁设为刚性、未考虑血流速度等局限），但它为进一步开展更复杂的多物理场耦合模拟、以及后续的体外和体内实验验证奠定了坚实的基础。未来，结合更真实的生物组织模型、三维模拟和实验验证，有望加速将这一有前景的无创技术推向临床实际应用。
