一种超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性定量表征方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学工程和临床造影诊断及治疗领域，是一种结合原子力显微镜 技术及声衰减特性测量提出的对微气泡造影剂包膜粘弹特性定量表征的新方法。
【背景技术】
[0002] 超声造影剂为含有包膜微气泡（直径为1-10微米）的液体微气泡，内充空气或者 溶解度比空气低的气体；包膜材料主要有白蛋白类、非离子表面活性剂类、脂类、聚合物类。 随着超声造影剂制备技术的不断发展，超声造影剂在超声诊断和治疗领域的作用越来越重 要，其应用包括：超声造影成像、超声分子成像、超声溶栓、基因转染与药物输送和高强度聚 焦超声（HIFU)等。在上述应用中，微气泡包膜粘弹特性对超声造影剂的性能具有重要的影 响，例如：动力学行为、声学吸收特性及其空化阈值等。为了更好地促进超声造影剂在超声 诊断和治疗领域中的应用，微气泡包膜的粘弹特性的定量表征非常重要。
[0003]目前，微气泡粘弹特性的评估方法主要有：背向散射和衰减检测、高速光学成像、 光散射和原子力显微镜。背向散射和衰减检测方法可以精确测量微气泡散射的时域和频域 特性；高速光学成像可以直接观察微气泡的振动；光散射技术可以分析单个微气泡在多脉 冲作用下的实时数据，然而这些方法评估微气泡的粘弹特性时都依赖于微气泡动力学模型 (如Marmottant及Doinikov等）。由于在动力学模型拟合中弹性系数和粘性系数是相互 影响的，所以上述方法存在很大的不确定性，拟合得到的包膜参数准确性较差。
【发明内容】
[0004] 1?发明要解决的技术问题
[0005] 本发明鉴于传统评估微气泡粘弹特性的方法均依赖微气泡动力学模型，而动力学 模型拟合中弹性系数和粘性系数均为不确定因素，拟合得到的包膜参数准确性差等问题， 提供了一种超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性定量表征方法，本发明是一种基于原子力显 微技术对微气泡包膜的粘弹特性进行逐次单参数定量表征的新方法，首先采用原子力显微 镜技术测量包膜微气泡的力学特性，根据微气泡包膜的力学特性曲线计算得到微气泡的体 弹性模量；再采用超声测量技术进行超声造影剂微气泡的声衰减测量，进而结合微气泡动 力学理论，精确计算出包膜微气泡的体粘度系数，提高了微气泡粘弹特性评估的准确性和 精确度。
[0006] 2?技术方案
[0007] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0008] 本发明的一种超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性定量表征方法，其步骤为：
[0009] 步骤一、制备微气泡造影剂；
[0010] 步骤二、采用原子力显微镜测量微气泡造影剂的力学特性及包膜厚度，并利用测 得的力学特性及包膜厚度计算微气泡造影剂的体弹性模量；
[0011] 步骤三、利用超声测量微气泡造影剂的声衰减特性，采用Hoff微气泡动力学模 型，结合步骤二所得体弹性模量，计算微气泡造影剂的体粘性系数。
[0012] 更进一步地，步骤一制备得到微气泡造影剂之后，将所得微气泡造影剂试样稀释 500倍，采用激光粒度仪测量该微气泡造影剂的粒径分布。
[0013] 更进一步地，步骤二中，将步骤一所得微气泡造影剂试样稀释100倍，并将稀释后 的试样滴在聚赖氨酸包被的云母片上，静置30min，通过原子力显微镜在0. 5Hz的扫描速度 下，测量微气泡造影剂的力学特性。
[0014] 更进一步地，步骤二中，将步骤一所得微气泡造影剂试样稀释100倍，并将稀释后 的试样滴在聚赖氨酸包被的云母片上，使微气泡水分自然蒸发，采用原子力显微镜对微气 泡包膜扫描成像，获得微气泡包膜厚度。
[0015] 更进一步地，步骤二中，微气泡造影剂的体弹性模量计算公式如下：
[0017] 式中，V为泊松比，e为微气泡包膜厚度，kn为微气泡有效硬度。
[0018] 更进一步地，步骤三测量微气泡造影剂的声衰减特性时，设定脉冲能量为IyJ，脉 冲重复频率为200Hz，电压增益为26dB，超声驱动声压小于50KPa，信号采样频率为200MHz。
[0019] 3?有益效果
[0020] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
[0021] (1)本发明的一种超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性定量表征方法，其首先采用 原子力显微镜技术测量包膜微气泡的力学特性，根据微气泡包膜的力学特性曲线计算得到 微气泡的体弹性模量；再采用超声测量技术进行超声造影剂微气泡的声衰减测量，进而结 合微气泡动力学理论，精确计算出包膜微气泡的体粘度系数，将传统的多参数动力学模型 拟合转换为单参数动力学模型拟合，有效消除了弹性系数和粘性系数两者的相互影响，提 高了微气泡粘弹特性评估的准确性和精确度；
[0022] (2)本发明的一种超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性定量表征方法，其通过高分 辨原子力显微镜对微气泡造影剂的力学特性和包膜厚度进行精确测量，且根据微气泡造影 剂包膜质地较软，难于固定的情况，设定了原子力显微镜的无针尖探针的有效弹性系数与 偏转灵敏度，得到的微气泡造影剂包膜参数准确性高，对超声造影剂的制备及其诊断和治 疗应用有积极意义。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例中白蛋白微气泡的粒度分布图；
[0024] 图2是本发明实施例中直径为2. 237ym的微气泡的力学特性曲线图；
[0025] 图3是本发明采用的微气泡声衰减测量系统的结构框图；
[0026] 图4是本发明实施例中白蛋白微气泡造影剂的声衰减谱及其理论拟合衰减谱图；
[0027] 图5是本发明实施例中微气泡有效硬度、体弹性模量与微气泡直径的关系图。
[0028] 不意图中的标号说明：
[0029] 1、计算机；2、数字示波器；3、超声波脉冲发射接收器；4、宽带平面超声换能器 (V325-SU和V326-SU) ;5、微泡试样；6、声反射板；7、水槽。
【具体实施方式】
[0030] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
[0031] 实施例1
[0032] 结合附图，本实施例鉴于微气泡动力学模型拟合中弹性系数和粘性系数均为不确 定因素，利用动力学模型拟合得到的包膜参数准确性差的问题，提供了一种基于原子力显 微技术对微气泡包膜的粘弹特性进行逐次单参数定量表征的新方法。本实施例首先采用原 子力显微镜技术测量包膜微气泡的力学特性，根据微气泡包膜的力学特性曲线计算得到微 气泡的体弹性模量；再采用超声测量技术进行超声造影剂微气泡的声衰减测量，进而结合 微气泡动力学理论，精确计算出包膜微气泡的体粘度系数，有效消除了弹性系数和粘性系 数两者的相互影响，提尚了微气泡粘弹特性评估的准确性和精确度。
[0033] 本实施例定量表征超声造影剂微气泡的包膜粘弹特性的具体过程如下：
[0034] -、制备微气泡造影剂：微气泡造影剂的包膜材料可以为白蛋白膜，脂类膜，高分 子膜和纳米新材料等。本实施例采用声振方式制备牛血清白蛋白微气泡造影剂：分别配置 60% (g/ml)的蔗糖溶液和10% (g/ml)的牛血清白蛋白溶液，将蔗糖溶液与牛血清白蛋白 溶液按体积比1:1混合，置于充满全氟丙烷的压力釜中，使压力釜内达到气体饱和。将超声 粉碎仪的超声探头与混合溶液的液面贴合，在300W下声处理2min(超声频率为20kHz，脉冲 占空比为5:5)。在超声作用的同时，采用微量注射栗以7. 5ml/min的速度进行充气，充气过 程为充5s停5s，制备出的牛血清白蛋白微气泡密闭保存，以备测定。
[0035] 二、微气泡造影剂的粒径分布测量：步骤一微气泡制备完成静置2h后，取上层白 色微泡与下层清液分界面处的微气泡试样，将试样浓度稀释500倍，采用激光粒度仪测量 微气泡的浓度和粒度分布。本实施例选择将微气泡试样稀释500倍，是因为浓度太高激光 粒度仪会误将多个微泡看做一个微泡，而浓度太低会影响微气泡造影剂的稳定性，两者均 会造成微气泡浓度和粒度的测量误差。为了减小测量误差，本实施例共对微气泡试样进行 5次测量，对每次测量的粒径分布数据进行高斯函数拟合，然后取其平均值。
[0036]图1为本实施例制得的牛血清白蛋白微气泡造影剂的粒度分布图，图中实心点为 测量数据，实线为高斯拟合曲线。由图1可知，微气泡的中心直径为2. 56ym，其中99. 9% 的微气泡直径均在1. 47ym与4. 7ym之间。由于超声造影剂微气泡的直径低于8ym，可以 通过肺循环到达目标组织和器官，增强待查组织的回声信号。另外包裹高密度惰性气体的 超声造影剂微气泡，当直径在2-5ym时，稳定性及振动特性较好。因此制备的白蛋白微气 泡造影剂其粒度分布符合超声造影要求，该微气泡造影剂的浓度约为1-2XIO8个/ml。
[0037] 三、采用原子力显微镜的MultiMode8系统在轻敲模式下测量白蛋白微气泡造影 剂的力学特性，原子力显微镜的扫描速度为〇? 5Hz。为了便于在原子力显微镜下寻找微气 泡，将步骤一制备的微气泡试样稀释100倍，采用移液枪将稀释后的试样滴在聚赖氨酸包 被的云母片上，静置30min，使微气泡吸附在云母片底部。首先通过原子力显微镜内嵌的倒 置显微镜对微气泡试样与刻度板进行对照测量微气泡的大小。然后对相应微气泡进行力学 特性测量，研究微气泡造影剂的力学特性与微气泡大小的关系。测量微气泡造影剂的力学 曲线之前，必须先对所使用的无针尖探针的有效弹性系数与偏转灵敏度进行研究，验证其 有效值在合理范围内。本实施例使用探针的有效弹性系数K。和偏转灵敏度分别为0. 0228N/ m和58. 91nm/V，在此参数条件下，本实施例测量的灵敏度和精确度能够得到保证。
[0038] 值得说明的是，原子力显微镜（AFM)采用纳米级高分辨率显微技术，可以直接测 量聚电解质微胶囊以及其他软颗粒的机械特性。Sboros等曾采用原子力显微镜分析了聚合 物类包膜的微气泡力学特性，并估算了微气泡弹性模量。然而，由于聚合物类微气泡包膜厚 度较厚、微泡较硬，所以比较容易