一种用于光声层析成像的超声耦合剂及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于光声层析成像的超声耦合剂及其制备方法。所述超声耦合剂是包含光透明剂、促渗剂和增稠剂的均匀透明粘稠状非牛顿流体，是将光透明剂和增稠剂升温混溶后降至室温，然后加入促渗剂搅拌溶解得到的。该超声耦合剂可应用于各种光声层析成像技术，例如光声断层扫描层析成像、声学分辨率光声显微成像、光学分辨率光声显微成像等。本发明的超声耦合剂具备与传统超声耦合剂相近的声阻抗，具有一定的粘度，与生物组织接触作用后能够提供组织光透明效果，且不会轻易流走。
【专利说明】一种用于光声层析成像的超声耦合剂及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及应用于光声层析成像技术的超声耦合剂，具体涉及一种结合光透明技术用于光声层析成像的新型超声耦合剂。
【背景技术】
[0002]光声层析成像(Photoacoustic Tomography, PAT)是一种基于光声效应的层析成像技术。该成像技术具有无创性，并结合了光学探测的高对比度和超声成像的高分辨率特性，能在较深层组织中获得较高分辨率的图像。
[0003]由于光声信号在空气中迅速衰减，因此PAT成像时，被测物通常需要借助水或其它超声耦合介质使得信号被探测系统接收。在PAT成像中，能量随时间变化的激光作用于动物体，动物体中不同的成分吸收激光，基于光声效应原理产生超声信号。超声信号透过耦合介质传输至传感器，被传感器所接收，从而转换为电信号，被采集与处理系统所接收和处理，并利用图像重构算法得到图像。光声层析成像结果能够反映出目标生物体组织的结构与功能信息。
[0004]目前主流的超声耦合剂是以水作为主要成分，在人体或动物体表面涂抹时间过长会引起皮肤组织泛白，即水渗入皮肤组织导致皮肤组织中各成分折射率不匹配的情况更为严重。
[0005]生物组织光透明技术(Tissue OpticalClearingTechnique)是一种将高渗透性、高折射率、生物相容的化学试剂作用生物组织的技术，该作用使得生物组织中各成分折射率匹配，即能有效降低光在组织的散射、提高光在组织中的穿透深度，使得深层光学成像以及深层疾病的祀向治疗成为了可能。该试剂`被称为光透明剂(Optical Clearing Agent,0CA)，主要通过两种途径完成折射率匹配:光透明剂的高渗特性让生物组织中的水游离至光透明剂中；光透明剂渗入到生物组织中，利用其高折射率特性，与生物组织各分成完成折射率匹配。
[0006]已有的光透明剂的粘度并不大，导致光透明剂涂抹在动物不规则皮肤表面后容易流走，使得光透明剂作用过程中需要实验员时刻观察光透明剂在皮肤表面上的量，若光透明剂流走过多得多次补充。
【发明内容】
[0007]针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种结合光透明技术用于光声层析成像的新型超声耦合剂。
[0008]本发明用于光声层析成像的超声耦合剂结合了光透明技术，是包含光透明剂、促渗剂和增稠剂的均匀透明粘稠状非牛顿流体。
[0009]其中所述光透明剂可选自聚乙二醇(PEG)、丙三醇、葡萄糖水溶液、聚丙二醇、甘露醇等高折射率、高渗透压试剂；促渗剂选自噻酮、氮酮、丙二醇、二甲基亚砜等经皮促渗试剂；增稠剂可选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、琼脂糖等高分子聚合物。[0010]光透明剂、促渗剂与增稠剂三者能够按照一定比例混溶。由于一般的增稠剂为高分子聚合物，要其溶于其它有机化合物需混合后搅拌并加热至高温来助溶，因此选用的光透明剂需要能够耐高温(增稠剂的溶解温度)，同时为了避免促渗剂在高温状态发生性质变化，光透明剂与增稠剂混溶并降温至室温后再加入促渗剂搅拌室温溶解，最终得到均匀透明粘稠状非牛顿流体。
[0011]本发明的超声耦合剂中光透明剂、促渗剂和增稠剂的比例可根据所需的促渗效果和粘度进行调整。例如，光透明剂和促渗剂按质量比为9~199: I配比，该两者的混合物与增稠剂按质量比为9~99: I配比。增稠剂含量越大混合物越粘稠，但混合物粘度增大会影响光透明剂与促渗剂对生物组织的作用效果，即增稠剂含量越大混合物实现光透明效果的时间越长。
[0012]在本发明的一个实施例中，所述光透明剂为聚乙二醇(PEG ) 400，促渗剂为噻酮，增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮K88-92 ;各成分比例为:聚乙二醇(PEG)400:噻酮:聚乙烯吡咯烷酮 Κ88-92=0.855: 0.095: 0.05 (质量比)。
[0013]本发明的超声耦合剂是将光透明剂和增稠剂升温混溶后降至室温，然后加入促渗剂搅拌溶解得到的，具体包括如下制备步骤:
[0014]I)在加热条件下将增稠剂溶解于光透明剂中；
[0015]2)将步骤I)所得液体降温至室温，加入促渗剂搅拌溶解，得到本发明的超声耦合剂。
[0016]具体的，上述步骤I)中光透明剂为液体，增稠剂通常为粉末状固体，在搅拌下先于室温将增稠剂均匀分散在光透明剂中，然后加热至一定温度，保持恒温使增稠剂完全溶解。实际操作中可使用磁力搅拌加热器进行加热和搅拌。.称取所需量的光透明剂和增稠剂，先将增稠剂放入容器中，再加入 光透明剂，通过磁棒旋转使增稠剂粉末均匀分散在液体中后，加热温度至合适的高温，然后保持恒温在搅拌下使增稠剂溶解于液体中，得到透明液体。其中，先增稠剂后光透明剂的加入顺利是为了磁棒旋转时可以让在液体底下的粉末更均匀地分散至液体中，若粉末漂浮于液体上层，磁棒无法把粉末分散开，粉末容易聚成一团，从而增加粉末溶解的时间。
[0017]在步骤2)，使步骤I)得到的透明液体在搅拌下慢慢冷却至室温，期间液体的粘度会逐渐增大，可以通过增大磁棒的旋转速率来搅拌液体，以保持其在冷却过程中的均匀性，否则会由于液体粘度过大而让磁棒的转动受限。冷却至室温后，可取出磁棒，加入促渗剂，用玻璃棒搅拌一段时间，直至促渗剂完全溶于其中，可适当延长搅拌时间保证促渗剂溶解的均匀性，最后得到的混合物即为超声耦合剂。
[0018]本发明的超声耦合剂可应用于各种光声层析成像技术，例如光声断层扫描层析成像(PACT)、声学分辨率光声显微成像(AR-PAM)、光学分辨率光声显微成像(OR-ΡΑΜ)。应用时，将超声耦合剂涂抹在希望成像区域对应的动物皮肤表面，并作用一段时间，作用时间越长组织光透明效果越好，随后使用光声层析成像系统对该区域进行成像，此时超声耦合剂完成动物体与超声换能器之间的超声波耦合。
[0019]本发明的超声耦合剂具备与传统超声耦合剂相近的声阻抗，具有一定的粘度，能充当超声耦合试剂，并且主成分是加入了促渗剂的光透明剂，与生物组织接触作用后能够给生物组织提供组织光透明效果；而且通过往光透明剂中加入一定量的增稠剂，增加了光透明剂的粘度，使得光透明剂不会轻易流走，从而实验员不需时刻观察光透明剂在皮肤表面上的量，以及补充光透明剂。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1显示了 PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度。
[0021]图2是PEG-400+噻酮+PVP与去离子水的吸收光谱。
[0022]图3是PEG-400+噻酮与PEG-400+噻酮+PVP涂抹于皮肤组织后透射光强比随时间的相对变化率图。
[0023]图4是医用水基超声耦合剂与PEG-400+噻酮+PVP作用于小鼠皮肤的声学分辨率光声显微成像(AR-PAM)结果，其中(a)和(b)分别是PEG-400+噻酮+PVP作用5min和245min的扫描结果，(c)和(d)是医用水基超声稱合剂作用5min和245min的扫描结果。
[0024]图5是医用水基超声耦合剂与PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮肤不同时间后图4圈中血管幅值相对变化率图。
[0025]图6是医用水基超声耦合剂与PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮肤不同时间后图4圈中血管到相应表皮垂直距离变化图。
[0026]图7显示了 PEG-400+噻酮+PVP作用于大鼠皮肤5min(a)和65min(b)的声学分辨率光声显微成像(AR-PAM)结果
[0027]图8是PEG-400 +噻酮+PVP作用大鼠皮肤不同时间后图7圈中血管幅值相对变化率图。
[0028]图9是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮肤不同时间后图7圈中血管到相应表皮垂
直距离变化图。
[0029]图10是PEG-400+噻酮+PVP作用于大鼠皮肤的AR-PAM三维成像的最大幅值投影图，其中(a)为作用5min时结果，(b)为作用365min时结果。
[0030]图11是PEG-400+噻酮+PVP作用大鼠皮肤不同时间后图10框中血管幅值相对变化率图。
[0031]图12 是 PEG-400+噻酮+PVP 用作于大鼠皮肤 5min(a)、65min(b)和 125min(c)时的光学分辨率光声显微成像(OR-PAM)结果。
[0032]图13是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮肤不同时间后图12圈中血管幅值相对变化率图。
[0033]图14是PEG-400+噻酮+PVP作用小鼠皮肤不同时间后图12圈中血管半高宽(FffHM)变化图。
【具体实施方式】
[0034]下面通过实施例进一步说明本发明，但不以任何形式限制本发明的保护范围。
[0035]实施例1
[0036]根据下述方法制备超声耦合剂:
[0037]1.将11.28g聚乙二醇400 (PEG-400)与0.6596g聚乙烯吡咯烷酮K88-92混合加热至95°C后恒温加热，加热的同时进行磁棒搅拌，直至聚乙烯吡咯烷酮K88-92全部溶解；
[0038]2.把步骤I得到的混合液体在室温环境冷却，冷却的同时进行磁棒搅拌，冷却至室温(如25°C)加入1.253g噻酮，使用玻璃棒搅拌至噻酮全部溶解，得到超声耦合剂。
[0039]使用时，先彻底去除动物体表面的毛发，让动物露出皮肤表面，并使用医用酒精擦洗皮肤表面，去除皮肤表面的脏物以及消毒；把动物固定于所选的光声层析成像系统中，如光声断层扫描层析成像(PACT)系统,声学分辨率光声显微成像(AR-PAM)系统,光学分辨率光声显微成像(OR-PAM)系统；固定后往希望成像区域对应的动物皮肤表面涂抹足量的超声耦合剂，并作用一段时间，作用时间越长组织光透明效果越好，随后使用光声层析成像系统对超声耦合剂作用的区域进行成像，通过超声耦合剂完成动物体与超声换能器之间的超声波耦合。具体实验及结果见实施例3。
[0040]实施例2
[0041 ] 根据下述方法制备超声耦合剂:
[0042]1.将11.28g聚乙二醇400与0.2558g聚乙烯吡咯烷酮K88-92混合加热至95°C后恒温加热，加热的同时进行磁棒搅拌，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加入量较实施例1少，因此溶解时间较短；
[0043]2.把步骤I得到 的混合液体在室温环境冷却，冷却的同时进行磁棒搅拌，冷却至室温(如25°C)加入1.253g噻酮，使用玻璃棒搅拌至噻酮全部溶解，得到超声耦合剂。
[0044]由于加入的聚乙烯吡咯烷酮K88-92较实施例1少，因此得到的超声耦合剂的粘度较实施例1小，光透明效果较实施例1好。
[0045]实施例3
[0046]根据实施例1的方法，取聚乙二醇400、噻酮和聚乙烯吡咯烷酮K88-92制备超声耦合剂，记作:PEG-400+噻酮+PVP (质量比是 PEG-400:噻酮:PVP=0.855:0.095:0.05)。以PEG-400+噻酮(质量比是PEG-400:噻酮=0.9:0.1)作为对照，从以下几个方面研究本发明超声耦合剂的性质。
[0047]一、粘度测量
[0048]使用流变仪(AR-G2，TAInstruments, USA)测量 PEG-400+噻酮和 PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度。
[0049]牛顿内摩擦定律:τ = μ Y，其中τ为单位面积上的摩擦应力，也叫做剪切应力，单位Pa或N/m2 ； μ为与流体性质相关的比例系数，通常称为动力黏性系数，或称动力粘度
(简称粘度)，Pa.s或kg/(m.s) ; Y为剪切率，即速度梯度(Y = g)。符合牛顿内摩擦定律，
即μ为不变的比例系数的为牛顿流体，否则为非牛顿流体。
[0050]取出待测液体2mL放置于流变仪的平台上，60mm直径锥板从液体上部放置，把液体均匀压平，直至液体刚到锥板边缘，把溢出锥板边缘的液体擦除，用不同的剪切率(对应不同的锥板转速)来测定液体粘度。
[0051]图1显示了 PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP在不同剪切率下的粘度。可以发现，PEG-400+噻酮的粘度不随剪切率的变化而变化，属于牛顿流体；PEG-400+噻酮+PVP的粘度随剪切率的变化而变化，属于非牛顿流体。鉴于动物实验过程中的剪切率很小，取剪切率=101/s的情况分析，其中PEG-400+噻酮的粘度为0.09599，PEG-400+噻酮+PVP的粘度为5.268，后者是前者的54.88倍。
[0052]结论:加入增稠剂PVP能显著提高混合物的粘度。[0053]二、折射率的测量
[0054]使用阿贝折射仪测量，测量样品包括PEG-400，PEG-400+噻酮和PEG-400+噻酮+PVP。把少量样品放置于阿贝折射仪测量平台，调整仪器后读出数据。折射率分别是:PEG-400 为 1.4654，PEG-400+ 噻酮为 1.4735，PEG-400+ 噻酮 +PVP 为 1.4772。
[0055]结论:加入促渗剂噻酮会略微提高混合物折射率；加入增稠剂PVP折射率基本不变。
[0056]三、超声衰减测量
[0057]使用一个内直径为14mm，内高为13mm的容器进行实验，所测样品为PEG-400+噻酮+PVP，市售普通医用水基超声耦合剂和水。把液体灌入容器中，20MHz超声传感器(光声实验所用超声传感器)的探头表面水平接触液体表面，进行回波脉冲信号测量，脉冲会至容器底部反射回传感器，被传感器接收，结果取回波脉冲信号的峰峰值。
[0058]
【权利要求】
1.一种超声耦合剂，是包含光透明剂、促渗剂和增稠剂的均匀透明粘稠状非牛顿流体。
2.如权利要求1所述的超声耦合剂，其特征在于，所述光透明剂选自下列试剂中的一种或多种:聚乙二醇、丙三醇、葡萄糖水溶液、聚丙二醇和甘露醇。
3.如权利要求1所述的超声耦合剂，其特征在于，所述促渗剂选自下列经皮促渗试剂中的一种或多种:噻酮、氮酮、丙二醇和二甲基亚砜。
4.如权利要求1所述的超声耦合剂，其特征在于，所述增稠剂选自下列高分子聚合物中的一种或多种:聚乙烯吡咯烷酮和琼脂糖。
5.如权利要求1所述的超声耦合剂，其特征在于，所述超声耦合剂中光透明剂与促渗剂的质量比为9~199: 1，该两者的混合物与增稠剂的质量比为9~99: I。
6.如权利要求1所述的超声耦合剂，其特征在于，所述超声耦合剂由光透明剂聚乙二醇400，促渗剂噻酮和增稠剂聚乙烯吡咯烷酮K88-92组成。
7.如权利要求6所述的超声耦合剂，其特征在于，所述超声耦合剂中聚乙二醇400:噻酮:聚乙烯吡咯烷酮K88-92的质量比为0.855: 0.095: 0.05。
8.权利要求1~7任一所述超声耦合剂的制备方法，包括如下步骤: 1)在加热条件下将增稠剂溶解于光透明剂中； 2)将步骤I)所得液体降温至室温，加入促渗剂搅拌溶解，得到超声耦合剂。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤I)在搅拌下，先于室温将增稠剂均匀分散在光透明剂中，然后加热至一定温度，保持恒温使增稠剂完全溶解；步骤2)在搅拌下使步骤I)得到透明液体缓慢冷却至室温，然后加入促渗剂，搅拌至促渗剂完全溶解，得到超声耦合剂。
10.权利要求1~7任一所述超声耦合剂在光声层析成像技术中的应用。
【文档编号】A61K49/22GK103751813SQ201410047783
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】邓梓健, 李长辉, 任秋实, 井立佳, 吴宁, 吕鹏宇, 童立 申请人:北京大学