一種用于光聲層析成像的超聲耦合劑及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于光聲層析成像的超聲耦合劑及其制備方法。所述超聲耦合劑是包含光透明劑、促滲劑和增稠劑的均勻透明粘稠狀非牛頓流體，是將光透明劑和增稠劑升溫混溶后降至室溫，然后加入促滲劑攪拌溶解得到的。該超聲耦合劑可應(yīng)用于各種光聲層析成像技術(shù)，例如光聲斷層掃描層析成像、聲學(xué)分辨率光聲顯微成像、光學(xué)分辨率光聲顯微成像等。本發(fā)明的超聲耦合劑具備與傳統(tǒng)超聲耦合劑相近的聲阻抗，具有一定的粘度，與生物組織接觸作用后能夠提供組織光透明效果，且不會輕易流走。
【專利說明】一種用于光聲層析成像的超聲耦合劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于光聲層析成像技術(shù)的超聲耦合劑，具體涉及一種結(jié)合光透明技術(shù)用于光聲層析成像的新型超聲耦合劑。
【背景技術(shù)】
[0002]光聲層析成像(Photoacoustic Tomography, PAT)是一種基于光聲效應(yīng)的層析成像技術(shù)。該成像技術(shù)具有無創(chuàng)性，并結(jié)合了光學(xué)探測的高對比度和超聲成像的高分辨率特性，能在較深層組織中獲得較高分辨率的圖像。
[0003]由于光聲信號在空氣中迅速衰減，因此PAT成像時(shí)，被測物通常需要借助水或其它超聲耦合介質(zhì)使得信號被探測系統(tǒng)接收。在PAT成像中，能量隨時(shí)間變化的激光作用于動物體，動物體中不同的成分吸收激光，基于光聲效應(yīng)原理產(chǎn)生超聲信號。超聲信號透過耦合介質(zhì)傳輸至傳感器，被傳感器所接收，從而轉(zhuǎn)換為電信號，被采集與處理系統(tǒng)所接收和處理，并利用圖像重構(gòu)算法得到圖像。光聲層析成像結(jié)果能夠反映出目標(biāo)生物體組織的結(jié)構(gòu)與功能信息。
[0004]目前主流的超聲耦合劑是以水作為主要成分，在人體或動物體表面涂抹時(shí)間過長會引起皮膚組織泛白，即水滲入皮膚組織導(dǎo)致皮膚組織中各成分折射率不匹配的情況更為嚴(yán)重。
[0005]生物組織光透明技術(shù)(Tissue OpticalClearingTechnique)是一種將高滲透性、高折射率、生物相容的化學(xué)試劑作用生物組織的技術(shù)，該作用使得生物組織中各成分折射率匹配，即能有效降低光在組織的散射、提高光在組織中的穿透深度，使得深層光學(xué)成像以及深層疾病的祀向治療成為了可能。該試劑`被稱為光透明劑(Optical Clearing Agent,0CA)，主要通過兩種途徑完成折射率匹配:光透明劑的高滲特性讓生物組織中的水游離至光透明劑中；光透明劑滲入到生物組織中，利用其高折射率特性，與生物組織各分成完成折射率匹配。
[0006]已有的光透明劑的粘度并不大，導(dǎo)致光透明劑涂抹在動物不規(guī)則皮膚表面后容易流走，使得光透明劑作用過程中需要實(shí)驗(yàn)員時(shí)刻觀察光透明劑在皮膚表面上的量，若光透明劑流走過多得多次補(bǔ)充。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)合光透明技術(shù)用于光聲層析成像的新型超聲耦合劑。
[0008]本發(fā)明用于光聲層析成像的超聲耦合劑結(jié)合了光透明技術(shù)，是包含光透明劑、促滲劑和增稠劑的均勻透明粘稠狀非牛頓流體。
[0009]其中所述光透明劑可選自聚乙二醇(PEG)、丙三醇、葡萄糖水溶液、聚丙二醇、甘露醇等高折射率、高滲透壓試劑；促滲劑選自噻酮、氮酮、丙二醇、二甲基亞砜等經(jīng)皮促滲試劑；增稠劑可選自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、瓊脂糖等高分子聚合物。[0010]光透明劑、促滲劑與增稠劑三者能夠按照一定比例混溶。由于一般的增稠劑為高分子聚合物，要其溶于其它有機(jī)化合物需混合后攪拌并加熱至高溫來助溶，因此選用的光透明劑需要能夠耐高溫(增稠劑的溶解溫度)，同時(shí)為了避免促滲劑在高溫狀態(tài)發(fā)生性質(zhì)變化，光透明劑與增稠劑混溶并降溫至室溫后再加入促滲劑攪拌室溫溶解，最終得到均勻透明粘稠狀非牛頓流體。
[0011]本發(fā)明的超聲耦合劑中光透明劑、促滲劑和增稠劑的比例可根據(jù)所需的促滲效果和粘度進(jìn)行調(diào)整。例如，光透明劑和促滲劑按質(zhì)量比為9~199: I配比，該兩者的混合物與增稠劑按質(zhì)量比為9~99: I配比。增稠劑含量越大混合物越粘稠，但混合物粘度增大會影響光透明劑與促滲劑對生物組織的作用效果，即增稠劑含量越大混合物實(shí)現(xiàn)光透明效果的時(shí)間越長。
[0012]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光透明劑為聚乙二醇(PEG ) 400，促滲劑為噻酮，增稠劑為聚乙烯吡咯烷酮K88-92 ;各成分比例為:聚乙二醇(PEG)400:噻酮:聚乙烯吡咯烷酮 Κ88-92=0.855: 0.095: 0.05 (質(zhì)量比)。
[0013]本發(fā)明的超聲耦合劑是將光透明劑和增稠劑升溫混溶后降至室溫，然后加入促滲劑攪拌溶解得到的，具體包括如下制備步驟:
[0014]I)在加熱條件下將增稠劑溶解于光透明劑中；
[0015]2)將步驟I)所得液體降溫至室溫，加入促滲劑攪拌溶解，得到本發(fā)明的超聲耦合劑。
[0016]具體的，上述步驟I)中光透明劑為液體，增稠劑通常為粉末狀固體，在攪拌下先于室溫將增稠劑均勻分散在光透明劑中，然后加熱至一定溫度，保持恒溫使增稠劑完全溶解。實(shí)際操作中可使用磁力攪拌加熱器進(jìn)行加熱和攪拌。.稱取所需量的光透明劑和增稠劑，先將增稠劑放入容器中，再加入 光透明劑，通過磁棒旋轉(zhuǎn)使增稠劑粉末均勻分散在液體中后，加熱溫度至合適的高溫，然后保持恒溫在攪拌下使增稠劑溶解于液體中，得到透明液體。其中，先增稠劑后光透明劑的加入順利是為了磁棒旋轉(zhuǎn)時(shí)可以讓在液體底下的粉末更均勻地分散至液體中，若粉末漂浮于液體上層，磁棒無法把粉末分散開，粉末容易聚成一團(tuán)，從而增加粉末溶解的時(shí)間。
[0017]在步驟2)，使步驟I)得到的透明液體在攪拌下慢慢冷卻至室溫，期間液體的粘度會逐漸增大，可以通過增大磁棒的旋轉(zhuǎn)速率來攪拌液體，以保持其在冷卻過程中的均勻性，否則會由于液體粘度過大而讓磁棒的轉(zhuǎn)動受限。冷卻至室溫后，可取出磁棒，加入促滲劑，用玻璃棒攪拌一段時(shí)間，直至促滲劑完全溶于其中，可適當(dāng)延長攪拌時(shí)間保證促滲劑溶解的均勻性，最后得到的混合物即為超聲耦合劑。
[0018]本發(fā)明的超聲耦合劑可應(yīng)用于各種光聲層析成像技術(shù)，例如光聲斷層掃描層析成像(PACT)、聲學(xué)分辨率光聲顯微成像(AR-PAM)、光學(xué)分辨率光聲顯微成像(OR-ΡΑΜ)。應(yīng)用時(shí)，將超聲耦合劑涂抹在希望成像區(qū)域?qū)?yīng)的動物皮膚表面，并作用一段時(shí)間，作用時(shí)間越長組織光透明效果越好，隨后使用光聲層析成像系統(tǒng)對該區(qū)域進(jìn)行成像，此時(shí)超聲耦合劑完成動物體與超聲換能器之間的超聲波耦合。
[0019]本發(fā)明的超聲耦合劑具備與傳統(tǒng)超聲耦合劑相近的聲阻抗，具有一定的粘度，能充當(dāng)超聲耦合試劑，并且主成分是加入了促滲劑的光透明劑，與生物組織接觸作用后能夠給生物組織提供組織光透明效果；而且通過往光透明劑中加入一定量的增稠劑，增加了光透明劑的粘度，使得光透明劑不會輕易流走，從而實(shí)驗(yàn)員不需時(shí)刻觀察光透明劑在皮膚表面上的量，以及補(bǔ)充光透明劑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1顯示了 PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度。
[0021]圖2是PEG-400+噻酮+PVP與去離子水的吸收光譜。
[0022]圖3是PEG-400+噻酮與PEG-400+噻酮+PVP涂抹于皮膚組織后透射光強(qiáng)比隨時(shí)間的相對變化率圖。
[0023]圖4是醫(yī)用水基超聲耦合劑與PEG-400+噻酮+PVP作用于小鼠皮膚的聲學(xué)分辨率光聲顯微成像(AR-PAM)結(jié)果，其中(a)和(b)分別是PEG-400+噻酮+PVP作用5min和245min的掃描結(jié)果，(c)和(d)是醫(yī)用水基超聲稱合劑作用5min和245min的掃描結(jié)果。
[0024]圖5是醫(yī)用水基超聲耦合劑與PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮膚不同時(shí)間后圖4圈中血管幅值相對變化率圖。
[0025]圖6是醫(yī)用水基超聲耦合劑與PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮膚不同時(shí)間后圖4圈中血管到相應(yīng)表皮垂直距離變化圖。
[0026]圖7顯示了 PEG-400+噻酮+PVP作用于大鼠皮膚5min(a)和65min(b)的聲學(xué)分辨率光聲顯微成像(AR-PAM)結(jié)果
[0027]圖8是PEG-400 +噻酮+PVP作用大鼠皮膚不同時(shí)間后圖7圈中血管幅值相對變化率圖。
[0028]圖9是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮膚不同時(shí)間后圖7圈中血管到相應(yīng)表皮垂
直距離變化圖。
[0029]圖10是PEG-400+噻酮+PVP作用于大鼠皮膚的AR-PAM三維成像的最大幅值投影圖，其中(a)為作用5min時(shí)結(jié)果，(b)為作用365min時(shí)結(jié)果。
[0030]圖11是PEG-400+噻酮+PVP作用大鼠皮膚不同時(shí)間后圖10框中血管幅值相對變化率圖。
[0031]圖12 是 PEG-400+噻酮+PVP 用作于大鼠皮膚 5min(a)、65min(b)和 125min(c)時(shí)的光學(xué)分辨率光聲顯微成像(OR-PAM)結(jié)果。
[0032]圖13是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮膚不同時(shí)間后圖12圈中血管幅值相對變化率圖。
[0033]圖14是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮膚不同時(shí)間后圖12圈中血管半高寬(FffHM)變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]實(shí)施例1
[0036]根據(jù)下述方法制備超聲耦合劑:
[0037]1.將11.28g聚乙二醇400 (PEG-400)與0.6596g聚乙烯吡咯烷酮K88-92混合加熱至95°C后恒溫加熱，加熱的同時(shí)進(jìn)行磁棒攪拌，直至聚乙烯吡咯烷酮K88-92全部溶解；
[0038]2.把步驟I得到的混合液體在室溫環(huán)境冷卻，冷卻的同時(shí)進(jìn)行磁棒攪拌，冷卻至室溫(如25°C)加入1.253g噻酮，使用玻璃棒攪拌至噻酮全部溶解，得到超聲耦合劑。
[0039]使用時(shí)，先徹底去除動物體表面的毛發(fā)，讓動物露出皮膚表面，并使用醫(yī)用酒精擦洗皮膚表面，去除皮膚表面的臟物以及消毒；把動物固定于所選的光聲層析成像系統(tǒng)中，如光聲斷層掃描層析成像(PACT)系統(tǒng),聲學(xué)分辨率光聲顯微成像(AR-PAM)系統(tǒng),光學(xué)分辨率光聲顯微成像(OR-PAM)系統(tǒng)；固定后往希望成像區(qū)域?qū)?yīng)的動物皮膚表面涂抹足量的超聲耦合劑，并作用一段時(shí)間，作用時(shí)間越長組織光透明效果越好，隨后使用光聲層析成像系統(tǒng)對超聲耦合劑作用的區(qū)域進(jìn)行成像，通過超聲耦合劑完成動物體與超聲換能器之間的超聲波耦合。具體實(shí)驗(yàn)及結(jié)果見實(shí)施例3。
[0040]實(shí)施例2
[0041 ] 根據(jù)下述方法制備超聲耦合劑:
[0042]1.將11.28g聚乙二醇400與0.2558g聚乙烯吡咯烷酮K88-92混合加熱至95°C后恒溫加熱，加熱的同時(shí)進(jìn)行磁棒攪拌，直至聚乙烯吡咯烷酮K88-92全部溶解，由于聚乙烯吡咯烷酮K88-92加入量較實(shí)施例1少，因此溶解時(shí)間較短；
[0043]2.把步驟I得到 的混合液體在室溫環(huán)境冷卻，冷卻的同時(shí)進(jìn)行磁棒攪拌，冷卻至室溫(如25°C)加入1.253g噻酮，使用玻璃棒攪拌至噻酮全部溶解，得到超聲耦合劑。
[0044]由于加入的聚乙烯吡咯烷酮K88-92較實(shí)施例1少，因此得到的超聲耦合劑的粘度較實(shí)施例1小，光透明效果較實(shí)施例1好。
[0045]實(shí)施例3
[0046]根據(jù)實(shí)施例1的方法，取聚乙二醇400、噻酮和聚乙烯吡咯烷酮K88-92制備超聲耦合劑，記作:PEG-400+噻酮+PVP (質(zhì)量比是 PEG-400:噻酮:PVP=0.855:0.095:0.05)。以PEG-400+噻酮(質(zhì)量比是PEG-400:噻酮=0.9:0.1)作為對照，從以下幾個(gè)方面研究本發(fā)明超聲耦合劑的性質(zhì)。
[0047]一、粘度測量
[0048]使用流變儀(AR-G2，TAInstruments, USA)測量 PEG-400+噻酮和 PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度。
[0049]牛頓內(nèi)摩擦定律:τ = μ Y，其中τ為單位面積上的摩擦應(yīng)力，也叫做剪切應(yīng)力，單位Pa或N/m2 ； μ為與流體性質(zhì)相關(guān)的比例系數(shù)，通常稱為動力黏性系數(shù)，或稱動力粘度
(簡稱粘度)，Pa.s或kg/(m.s) ; Y為剪切率，即速度梯度(Y = g)。符合牛頓內(nèi)摩擦定律，
即μ為不變的比例系數(shù)的為牛頓流體，否則為非牛頓流體。
[0050]取出待測液體2mL放置于流變儀的平臺上，60mm直徑錐板從液體上部放置，把液體均勻壓平，直至液體剛到錐板邊緣，把溢出錐板邊緣的液體擦除，用不同的剪切率(對應(yīng)不同的錐板轉(zhuǎn)速)來測定液體粘度。
[0051]圖1顯示了 PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度?？梢园l(fā)現(xiàn)，PEG-400+噻酮的粘度不隨剪切率的變化而變化，屬于牛頓流體；PEG-400+噻酮+PVP的粘度隨剪切率的變化而變化，屬于非牛頓流體。鑒于動物實(shí)驗(yàn)過程中的剪切率很小，取剪切率=101/s的情況分析，其中PEG-400+噻酮的粘度為0.09599，PEG-400+噻酮+PVP的粘度為5.268，后者是前者的54.88倍。
[0052]結(jié)論:加入增稠劑PVP能顯著提高混合物的粘度。[0053]二、折射率的測量
[0054]使用阿貝折射儀測量，測量樣品包括PEG-400，PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP。把少量樣品放置于阿貝折射儀測量平臺，調(diào)整儀器后讀出數(shù)據(jù)。折射率分別是:PEG-400 為 1.4654，PEG-400+ 噻酮為 1.4735，PEG-400+ 噻酮 +PVP 為 1.4772。
[0055]結(jié)論:加入促滲劑噻酮會略微提高混合物折射率；加入增稠劑PVP折射率基本不變。
[0056]三、超聲衰減測量
[0057]使用一個(gè)內(nèi)直徑為14mm，內(nèi)高為13mm的容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測樣品為PEG-400+噻酮+PVP，市售普通醫(yī)用水基超聲耦合劑和水。把液體灌入容器中，20MHz超聲傳感器(光聲實(shí)驗(yàn)所用超聲傳感器)的探頭表面水平接觸液體表面，進(jìn)行回波脈沖信號測量，脈沖會至容器底部反射回傳感器，被傳感器接收，結(jié)果取回波脈沖信號的峰峰值。
[0058]
【權(quán)利要求】
1.一種超聲耦合劑，是包含光透明劑、促滲劑和增稠劑的均勻透明粘稠狀非牛頓流體。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述光透明劑選自下列試劑中的一種或多種:聚乙二醇、丙三醇、葡萄糖水溶液、聚丙二醇和甘露醇。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述促滲劑選自下列經(jīng)皮促滲試劑中的一種或多種:噻酮、氮酮、丙二醇和二甲基亞砜。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述增稠劑選自下列高分子聚合物中的一種或多種:聚乙烯吡咯烷酮和瓊脂糖。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述超聲耦合劑中光透明劑與促滲劑的質(zhì)量比為9~199: 1，該兩者的混合物與增稠劑的質(zhì)量比為9~99: I。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述超聲耦合劑由光透明劑聚乙二醇400，促滲劑噻酮和增稠劑聚乙烯吡咯烷酮K88-92組成。
7.如權(quán)利要求6所述的超聲耦合劑，其特征在于，所述超聲耦合劑中聚乙二醇400:噻酮:聚乙烯吡咯烷酮K88-92的質(zhì)量比為0.855: 0.095: 0.05。
8.權(quán)利要求1~7任一所述超聲耦合劑的制備方法，包括如下步驟: 1)在加熱條件下將增稠劑溶解于光透明劑中； 2)將步驟I)所得液體降溫至室溫，加入促滲劑攪拌溶解，得到超聲耦合劑。
9.如權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，步驟I)在攪拌下，先于室溫將增稠劑均勻分散在光透明劑中，然后加熱至一定溫度，保持恒溫使增稠劑完全溶解；步驟2)在攪拌下使步驟I)得到透明液體緩慢冷卻至室溫，然后加入促滲劑，攪拌至促滲劑完全溶解，得到超聲耦合劑。
10.權(quán)利要求1~7任一所述超聲耦合劑在光聲層析成像技術(shù)中的應(yīng)用。
【文檔編號】A61K49/22GK103751813SQ201410047783
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】鄧梓健, 李長輝, 任秋實(shí), 井立佳, 吳寧, 呂鵬宇, 童立 申請人:北京大學(xué)