一種超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性定量表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程和臨床造影診斷及治療領(lǐng)域，是一種結(jié)合原子力顯微鏡 技術(shù)及聲衰減特性測(cè)量提出的對(duì)微氣泡造影劑包膜粘彈特性定量表征的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲造影劑為含有包膜微氣泡（直徑為1-10微米）的液體微氣泡，內(nèi)充空氣或者 溶解度比空氣低的氣體；包膜材料主要有白蛋白類、非離子表面活性劑類、脂類、聚合物類。 隨著超聲造影劑制備技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲造影劑在超聲診斷和治療領(lǐng)域的作用越來越重 要，其應(yīng)用包括：超聲造影成像、超聲分子成像、超聲溶栓、基因轉(zhuǎn)染與藥物輸送和高強(qiáng)度聚 焦超聲（HIFU)等。在上述應(yīng)用中，微氣泡包膜粘彈特性對(duì)超聲造影劑的性能具有重要的影 響，例如：動(dòng)力學(xué)行為、聲學(xué)吸收特性及其空化閾值等。為了更好地促進(jìn)超聲造影劑在超聲 診斷和治療領(lǐng)域中的應(yīng)用，微氣泡包膜的粘彈特性的定量表征非常重要。
[0003]目前，微氣泡粘彈特性的評(píng)估方法主要有：背向散射和衰減檢測(cè)、高速光學(xué)成像、 光散射和原子力顯微鏡。背向散射和衰減檢測(cè)方法可以精確測(cè)量微氣泡散射的時(shí)域和頻域 特性；高速光學(xué)成像可以直接觀察微氣泡的振動(dòng)；光散射技術(shù)可以分析單個(gè)微氣泡在多脈 沖作用下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然而這些方法評(píng)估微氣泡的粘彈特性時(shí)都依賴于微氣泡動(dòng)力學(xué)模型 (如Marmottant及Doinikov等）。由于在動(dòng)力學(xué)模型擬合中彈性系數(shù)和粘性系數(shù)是相互 影響的，所以上述方法存在很大的不確定性，擬合得到的包膜參數(shù)準(zhǔn)確性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1?發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明鑒于傳統(tǒng)評(píng)估微氣泡粘彈特性的方法均依賴微氣泡動(dòng)力學(xué)模型，而動(dòng)力學(xué) 模型擬合中彈性系數(shù)和粘性系數(shù)均為不確定因素，擬合得到的包膜參數(shù)準(zhǔn)確性差等問題， 提供了一種超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性定量表征方法，本發(fā)明是一種基于原子力顯 微技術(shù)對(duì)微氣泡包膜的粘彈特性進(jìn)行逐次單參數(shù)定量表征的新方法，首先采用原子力顯微 鏡技術(shù)測(cè)量包膜微氣泡的力學(xué)特性，根據(jù)微氣泡包膜的力學(xué)特性曲線計(jì)算得到微氣泡的體 彈性模量；再采用超聲測(cè)量技術(shù)進(jìn)行超聲造影劑微氣泡的聲衰減測(cè)量，進(jìn)而結(jié)合微氣泡動(dòng) 力學(xué)理論，精確計(jì)算出包膜微氣泡的體粘度系數(shù)，提高了微氣泡粘彈特性評(píng)估的準(zhǔn)確性和 精確度。
[0006] 2?技術(shù)方案
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0008] 本發(fā)明的一種超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性定量表征方法，其步驟為：
[0009] 步驟一、制備微氣泡造影劑；
[0010] 步驟二、采用原子力顯微鏡測(cè)量微氣泡造影劑的力學(xué)特性及包膜厚度，并利用測(cè) 得的力學(xué)特性及包膜厚度計(jì)算微氣泡造影劑的體彈性模量；
[0011] 步驟三、利用超聲測(cè)量微氣泡造影劑的聲衰減特性，采用Hoff微氣泡動(dòng)力學(xué)模 型，結(jié)合步驟二所得體彈性模量，計(jì)算微氣泡造影劑的體粘性系數(shù)。
[0012] 更進(jìn)一步地，步驟一制備得到微氣泡造影劑之后，將所得微氣泡造影劑試樣稀釋 500倍，采用激光粒度儀測(cè)量該微氣泡造影劑的粒徑分布。
[0013] 更進(jìn)一步地，步驟二中，將步驟一所得微氣泡造影劑試樣稀釋100倍，并將稀釋后 的試樣滴在聚賴氨酸包被的云母片上，靜置30min，通過原子力顯微鏡在0. 5Hz的掃描速度 下，測(cè)量微氣泡造影劑的力學(xué)特性。
[0014] 更進(jìn)一步地，步驟二中，將步驟一所得微氣泡造影劑試樣稀釋100倍，并將稀釋后 的試樣滴在聚賴氨酸包被的云母片上，使微氣泡水分自然蒸發(fā)，采用原子力顯微鏡對(duì)微氣 泡包膜掃描成像，獲得微氣泡包膜厚度。
[0015] 更進(jìn)一步地，步驟二中，微氣泡造影劑的體彈性模量計(jì)算公式如下：
[0017] 式中，V為泊松比，e為微氣泡包膜厚度，kn為微氣泡有效硬度。
[0018] 更進(jìn)一步地，步驟三測(cè)量微氣泡造影劑的聲衰減特性時(shí)，設(shè)定脈沖能量為IyJ，脈 沖重復(fù)頻率為200Hz，電壓增益為26dB，超聲驅(qū)動(dòng)聲壓小于50KPa，信號(hào)采樣頻率為200MHz。
[0019] 3?有益效果
[0020] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：
[0021] (1)本發(fā)明的一種超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性定量表征方法，其首先采用 原子力顯微鏡技術(shù)測(cè)量包膜微氣泡的力學(xué)特性，根據(jù)微氣泡包膜的力學(xué)特性曲線計(jì)算得到 微氣泡的體彈性模量；再采用超聲測(cè)量技術(shù)進(jìn)行超聲造影劑微氣泡的聲衰減測(cè)量，進(jìn)而結(jié) 合微氣泡動(dòng)力學(xué)理論，精確計(jì)算出包膜微氣泡的體粘度系數(shù)，將傳統(tǒng)的多參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型 擬合轉(zhuǎn)換為單參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型擬合，有效消除了彈性系數(shù)和粘性系數(shù)兩者的相互影響，提 高了微氣泡粘彈特性評(píng)估的準(zhǔn)確性和精確度；
[0022] (2)本發(fā)明的一種超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性定量表征方法，其通過高分 辨原子力顯微鏡對(duì)微氣泡造影劑的力學(xué)特性和包膜厚度進(jìn)行精確測(cè)量，且根據(jù)微氣泡造影 劑包膜質(zhì)地較軟，難于固定的情況，設(shè)定了原子力顯微鏡的無針尖探針的有效彈性系數(shù)與 偏轉(zhuǎn)靈敏度，得到的微氣泡造影劑包膜參數(shù)準(zhǔn)確性高，對(duì)超聲造影劑的制備及其診斷和治 療應(yīng)用有積極意義。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中白蛋白微氣泡的粒度分布圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中直徑為2. 237ym的微氣泡的力學(xué)特性曲線圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明采用的微氣泡聲衰減測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中白蛋白微氣泡造影劑的聲衰減譜及其理論擬合衰減譜圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中微氣泡有效硬度、體彈性模量與微氣泡直徑的關(guān)系圖。
[0028] 不意圖中的標(biāo)號(hào)說明：
[0029] 1、計(jì)算機(jī)；2、數(shù)字示波器；3、超聲波脈沖發(fā)射接收器；4、寬帶平面超聲換能器 (V325-SU和V326-SU) ;5、微泡試樣；6、聲反射板；7、水槽。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 結(jié)合附圖，本實(shí)施例鑒于微氣泡動(dòng)力學(xué)模型擬合中彈性系數(shù)和粘性系數(shù)均為不確 定因素，利用動(dòng)力學(xué)模型擬合得到的包膜參數(shù)準(zhǔn)確性差的問題，提供了一種基于原子力顯 微技術(shù)對(duì)微氣泡包膜的粘彈特性進(jìn)行逐次單參數(shù)定量表征的新方法。本實(shí)施例首先采用原 子力顯微鏡技術(shù)測(cè)量包膜微氣泡的力學(xué)特性，根據(jù)微氣泡包膜的力學(xué)特性曲線計(jì)算得到微 氣泡的體彈性模量；再采用超聲測(cè)量技術(shù)進(jìn)行超聲造影劑微氣泡的聲衰減測(cè)量，進(jìn)而結(jié)合 微氣泡動(dòng)力學(xué)理論，精確計(jì)算出包膜微氣泡的體粘度系數(shù)，有效消除了彈性系數(shù)和粘性系 數(shù)兩者的相互影響，提尚了微氣泡粘彈特性評(píng)估的準(zhǔn)確性和精確度。
[0033] 本實(shí)施例定量表征超聲造影劑微氣泡的包膜粘彈特性的具體過程如下：
[0034] -、制備微氣泡造影劑：微氣泡造影劑的包膜材料可以為白蛋白膜，脂類膜，高分 子膜和納米新材料等。本實(shí)施例采用聲振方式制備牛血清白蛋白微氣泡造影劑：分別配置 60% (g/ml)的蔗糖溶液和10% (g/ml)的牛血清白蛋白溶液，將蔗糖溶液與牛血清白蛋白 溶液按體積比1:1混合，置于充滿全氟丙烷的壓力釜中，使壓力釜內(nèi)達(dá)到氣體飽和。將超聲 粉碎儀的超聲探頭與混合溶液的液面貼合，在300W下聲處理2min(超聲頻率為20kHz，脈沖 占空比為5:5)。在超聲作用的同時(shí)，采用微量注射栗以7. 5ml/min的速度進(jìn)行充氣，充氣過 程為充5s停5s，制備出的牛血清白蛋白微氣泡密閉保存，以備測(cè)定。
[0035] 二、微氣泡造影劑的粒徑分布測(cè)量：步驟一微氣泡制備完成靜置2h后，取上層白 色微泡與下層清液分界面處的微氣泡試樣，將試樣濃度稀釋500倍，采用激光粒度儀測(cè)量 微氣泡的濃度和粒度分布。本實(shí)施例選擇將微氣泡試樣稀釋500倍，是因?yàn)闈舛忍呒す?粒度儀會(huì)誤將多個(gè)微泡看做一個(gè)微泡，而濃度太低會(huì)影響微氣泡造影劑的穩(wěn)定性，兩者均 會(huì)造成微氣泡濃度和粒度的測(cè)量誤差。為了減小測(cè)量誤差，本實(shí)施例共對(duì)微氣泡試樣進(jìn)行 5次測(cè)量，對(duì)每次測(cè)量的粒徑分布數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，然后取其平均值。
[0036]圖1為本實(shí)施例制得的牛血清白蛋白微氣泡造影劑的粒度分布圖，圖中實(shí)心點(diǎn)為 測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)線為高斯擬合曲線。由圖1可知，微氣泡的中心直徑為2. 56ym，其中99. 9% 的微氣泡直徑均在1. 47ym與4. 7ym之間。由于超聲造影劑微氣泡的直徑低于8ym，可以 通過肺循環(huán)到達(dá)目標(biāo)組織和器官，增強(qiáng)待查組織的回聲信號(hào)。另外包裹高密度惰性氣體的 超聲造影劑微氣泡，當(dāng)直徑在2-5ym時(shí)，穩(wěn)定性及振動(dòng)特性較好。因此制備的白蛋白微氣 泡造影劑其粒度分布符合超聲造影要求，該微氣泡造影劑的濃度約為1-2XIO8個(gè)/ml。
[0037] 三、采用原子力顯微鏡的MultiMode8系統(tǒng)在輕敲模式下測(cè)量白蛋白微氣泡造影 劑的力學(xué)特性，原子力顯微鏡的掃描速度為〇? 5Hz。為了便于在原子力顯微鏡下尋找微氣 泡，將步驟一制備的微氣泡試樣稀釋100倍，采用移液槍將稀釋后的試樣滴在聚賴氨酸包 被的云母片上，靜置30min，使微氣泡吸附在云母片底部。首先通過原子力顯微鏡內(nèi)嵌的倒 置顯微鏡對(duì)微氣泡試樣與刻度板進(jìn)行對(duì)照測(cè)量微氣泡的大小。然后對(duì)相應(yīng)微氣泡進(jìn)行力學(xué) 特性測(cè)量，研究微氣泡造影劑的力學(xué)特性與微氣泡大小的關(guān)系。測(cè)量微氣泡造影劑的力學(xué) 曲線之前，必須先對(duì)所使用的無針尖探針的有效彈性系數(shù)與偏轉(zhuǎn)靈敏度進(jìn)行研究，驗(yàn)證其 有效值在合理范圍內(nèi)。本實(shí)施例使用探針的有效彈性系數(shù)K。和偏轉(zhuǎn)靈敏度分別為0. 0228N/ m和58. 91nm/V，在此參數(shù)條件下，本實(shí)施例測(cè)量的靈敏度和精確度能夠得到保證。
[0038] 值得說明的是，原子力顯微鏡（AFM)采用納米級(jí)高分辨率顯微技術(shù)，可以直接測(cè) 量聚電解質(zhì)微膠囊以及其他軟顆粒的機(jī)械特性。Sboros等曾采用原子力顯微鏡分析了聚合 物類包膜的微氣泡力學(xué)特性，并估算了微氣泡彈性模量。然而，由于聚合物類微氣泡包膜厚 度較厚、微泡較硬，所以比較容易