低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統的制作方法

專利名稱：低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于聚焦超聲原理，集超聲分子顯像與治療于一體的低強度聚焦超聲(Low Intensity Focused Ultrasound)分子顯像與治療系統(下簡稱“LIFU系統”)，既可聯合超聲微泡造影劑進行超聲分子顯像，還可以在二維超聲的監控下局部定位靶向爆破超聲藥物或基因載體，用于控制藥物或基因在體內釋放，達到藥物或基因體內定位遞送、定量控釋和療效評價的一體化。
背景技術：
超聲波作為能量遞送的有效形式，在超聲分子顯像、超聲介導藥物和基因遞送中發揮了巨大的作用。隨著超聲技術的發展和造影劑制備技術的完善，對超聲顯像系統和超聲治療系統技術需求越來越高。目前超聲顯像系統和超聲治療系統研究現狀及缺點主要體現在以下方面。體內超聲分子成像和治療的過程主要表現在:
超聲藥物或基因載體經靜脈注射 達到靶組織，在一定頻率的超聲波作用下共振散射增強，背向散射系數增高，可以增強超聲對比顯像；繼而采用一定能量的超聲輻照，使藥物或基因載體在靶組織爆破并釋放出攜帶的藥物和基因，通過診斷超聲儀實時監控，達到按需精確定量控釋，提高藥物療效和作用時間，減輕毒副作用；同時微泡爆破產生的空化作用，能促進局部微血管的血液循環和細胞膜通透性增高，促進靶組織對藥物和基因的攝入，達到靶向治療的目的；最后，通過儀器技術手段評價定位遞送和定量控釋的藥物的效果。然而，要實現高效的超聲分子成像和治療效果，需要將超聲分子成像設備、超聲微泡觸發裝置及超聲分子成像監控和后處理技術有機結合，這是關鍵性技術難點。目前國內外尚沒有一種專門用于超聲分子顯像及治療的系統裝置。現所用設備主要是利用當前市售的診斷超聲儀，雖可實時監控微泡在靶組織的灌注情況，但不能實現超聲輻照微泡爆破靶向釋放，因為:①市售超聲儀所發射的是聞頻超聲，聞頻超聲可以提聞組織的灰階顯像，但其破壞微泡產生空化效應的能力明顯不足，因為空化效應的產生與所用超聲頻率的大小成反比，即超聲頻率越高，產生空化效應的閾值就越大，產生空化效應就越不容易診斷超聲所發出的為連續波，連續波的發射不利于靶組織內微泡的再灌注；③由于微泡成膜材料的不同，爆破微泡所需的超聲能量亦有所不同，診斷超聲的能量調節范圍有限，不能根據不同的微泡膜材調節相應的超聲強度；④市售超聲儀所發出的波為平面波，不能靶向定位，超聲波束所涉及的組織內的微泡均可能被擊破，從而對非靶向區域產生損傷作用。此外，現有超聲微泡控釋體系無法實現對靶區微泡的量化，在超聲波束下進行的藥物釋放基本上處于“胡亂釋放”的狀態，不能實現精細、適形、定位、定量控釋藥物或基因達到藥物或基因靶向治療的目的。

發明內容
本發明要達到的目的是提供一種集診斷、治療、監控和效果評價于一體的低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，簡稱“LIFU系統”。本發明以頻率、脈沖和焦域可調的低頻低強度脈沖聚焦超聲作為觸發微泡爆破的能量；數字化超聲儀作為為監控單元，具有敏感粒子聲學定量微泡功能并集成有超聲組織定征的模塊；具有圖像采集卡的電子計算機和軟件作為定量和評價單元。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是:低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，包括一個用于觀測微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像的監控單元；
一個用于輸出一定能量和頻率能夠使微泡靶向爆破的聚焦超聲的觸發單元，所述能量和頻率的范圍分別為O 5W和0.5 1MHz。所述微泡為市售超聲造影劑微泡，或攜帶有藥物或基因的微泡；聚焦超聲定位遞送微泡，并使微泡靶向爆破釋放出微泡所攜帶的藥物或基因。—個控制所述觸發單元輸出聚焦超聲的能量和頻率的驅動單元。—個根據微泡祀向爆破前和祀向爆破后的超聲圖像，對微泡祀向爆破的效果進行評價的定量和評價單元。用于調節觸發單元位置的三維調相器。所述監控單元包括診斷探頭，觸發單元包括治療探頭，診斷探頭和治療探頭整合為一體。超聲監控單元采用數字化超聲儀，觸發單元設計為頻率、脈沖和焦域可調的低頻脈沖聚焦超聲，定量和評價單元為具有微泡定量功能、集成有組織定征模塊及圖像采集卡的電子計算機，并整合具有超聲組織定征功能的“DFY型超聲圖像定量分析診斷儀”，具體的超聲圖像定量化方法可以參見申請號為94111751.0的發明專利，圖像采集卡與監控單元相連接。驅動單元包括功率控制 單元、焦域控制單元和時間控制單元，可控制治療探頭輸出超聲的頻率、能量、焦域和時間，頻率、能量和時間的調節范圍分別為0.5 1ΜΗζ，0 5W，Is 30mino觸發單元中治療探頭輸出低頻聚焦超聲的聚焦方式為換能器曲面聚焦，超聲頻率設置為0.5 IMHz可調，作用時間設置為Is 30min可調。能量設計為低強度并可根據實驗要求在一定范圍內(O 5W)進行調節。焦域大小的控制，可以通過改變治療探頭輸出低頻聚焦超聲的頻率，或應用菲涅爾換能器(環狀陣列換能器)控制各個環的初始相位大小及其發射強度，或應用超聲相控陣換能器(二位面狀多維陣列)通過控制各個陣列單元的相位和超聲發射強度來實現。為了精確控制觸發單元輸出超聲的能量強度、作用范圍及時間，可預先設置功率、焦域及時間控制單元，發射一定量的超聲波，觸發微泡靶向破裂，釋放所攜帶的藥物和基因。低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統首先通過監控單元顯示被測體治療單元的作用區域和微泡灌注的位置，然后調整低強度聚焦超聲的輻照參數利用治療探頭靶向發射一定能量的超聲波，監控單元觀察記錄微泡爆破前后超聲顯像情況及聲像圖灰階值，最后，定量分析、計算輻照前后靶組織微泡數及其破裂微泡數和釋藥量，并進行效果評價。本發明達到的有益技術效果如下:集診斷和治療為一體的低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統兼并了超聲造影和超聲治療的功能；體外實驗證實低強度聚焦超聲能夠局部靶向破壞微泡釋放藥物和基因；動物實驗顯示該系統具有良好的超聲顯像效果，并可在二維超聲監控下用低強度聚焦超聲破壞微泡而使藥物得以定位釋放，有效地抑制腫瘤細胞增殖。


圖1為本發明的LIFU系統結構框 圖2為本發明LIFU系統的一實施例結構框 圖3為LIFU系統和普通診斷超聲體外爆破微泡范圍的對比圖； 圖4為兔VX2肝癌模型中各組腫瘤細胞的PCNA的表達 圖5為兔VX2肝癌模型中各組腫瘤細胞的凋亡 圖1中:1-定量和評價單元；2_驅動單元；3_監控單元；4_觸發單元；5_三維調相器；圖2中:2.1-信號監控；2.2-激勵信號控制器；2.3-調制信號控制器；2.4-射頻放大器;3.1-超聲診斷儀；
圖4和圖5中① ⑥分別對應兔VX2肝癌模型中的① ⑥組實驗中的腫瘤細胞PCNA的表達和腫瘤細胞的凋亡情況。
具體實施例方式參見圖1，低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統包括監控單元3，用于觀測微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像；觸發單元4，用于輸出一定能量和頻率使微泡靶向爆破的聚焦超聲，該聚焦超聲可以定位遞送微泡，并使微泡靶向爆破釋放出微泡所攜帶的藥物或基因；驅動單元2，用于控制觸發單元4輸出聚焦超聲的能量、頻率、焦域和時間；以及定量和評價單元1，可以根據微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像，對微泡靶向爆破的效果進行評價。為了將觸發單元4中的治療探頭和監控單元3中的診斷探頭整合為一體，在治療探頭的中部設置一孔路，診斷探頭鑲嵌于所述孔路中，診斷探頭和治療探頭呈平行關系。整合為一體的治療探頭和診斷探頭固定于特制的水箱中，水箱中盛滿脫氣水，水箱上平放動物臺。通過一個三維調相器5來調控整合為一體的探頭向各方位的移動，包括水平方向上的前、后、左、右和垂直方上向的上、下。首先通過診斷探頭發出二維診斷超聲查找靶向部位，然后將治療探頭的焦點固定于靶向部位，在二維超聲的監控下進行靶向部位治療。觀察記錄查找靶向部位的微泡爆破前后超聲顯像情況及聲像圖灰階值，最后，定量分析、計算爆破前后靶組織微泡數及其破裂微泡數和釋藥量，并進行效果評價。參見圖2為本發明的另一種具體實施方式
，驅動單元2具體由信號監控2.1、激勵信號控制器2.2、調制信號控制器2.3和射頻放大器2.4組成，監控單元3采用市售的超聲診斷儀3.1。激勵信號控制器2.2將輸入的電源變為一定的激勵信號后輸入射頻放大器2.4，再由觸發單元4中的治療探頭輸出，激勵信號控制器2.2通過調節電源的電壓、電流大小來控制經觸發單元4中的治療探頭輸出的低強度聚焦超聲的功率。在激勵信號控制器
2.2進行調節的時候，信號監控2.1對被調節的激勵信號進行監控，調制信號控制器可以調節激勵信號的波形并選擇相應的占空比。觸發單元4中的治療探頭輸出的低強度聚焦超聲的頻率設計為0.5 IMHz可調，作用時間設置為Is 30min可調，能量設計為O 5W可調，連續波和脈沖波可根據實驗需要選擇，超聲診斷儀3.1的治療探頭頻率為2 50MHz可調。低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統體外靶向爆破微泡優越性實驗我們將乳膠水囊盛滿機械振蕩法制備的脂質微泡并固定，水囊的一側用低強度聚焦超聲治療探頭輻照，同時用Philips iu22彩色超聲診斷儀橫向和縱向觀察微泡爆破范圍，確定低強度聚焦超聲爆破微泡的焦域，結果參見圖3。此種方法同樣用于同種強度下普通診斷超聲體外爆破微泡范圍的測定。圖3中A所示為超聲微泡爆破前的聲像圖；B所示為“LIFU系統”爆破微泡后沿聚焦超聲聲束方向的聲像圖；C所示為“LIFU系統”爆破微泡后與聚焦超聲聲束垂直方向的聲像圖山所示為普通診斷超聲爆破微泡后的聲像圖。從圖中可以明顯地看出利用“LIFU系統”可以精確定位需要爆破的微泡，可以控制微泡的爆破范圍，使爆破范圍呈梭形或其它可控形狀；而用普通診斷超聲進行微泡爆破的結果是“胡亂釋放”狀態，沒有爆破的固定范圍。動物實驗
載阿霉素微泡的制備(詳細步驟參見申請號為200910260916.X的發明專利)
將一定量的脂膜材料二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)、氨基-聚乙二醇-二硬脂酰磷脂酰乙醇胺(NH2-PEG-DSPE)置于甘油及PLL溶液的混懸液中，42° C水浴30 min，用全氟丙烷氣體置換空氣，采用機械振蕩法即得到帶正電荷的氨基化微泡(MB-NH2)，將羧基端未封閉的(聚乳酸-聚乙醇酸共聚物)PLGA溶解于二氯甲烷中，加入阿霉素溶液聲振50s，再加入PVA高速均質分散，經過磁力攪拌然后離心得到雙乳化法制備帶負電荷的載阿霉素PLGA納米微球(ADM — NP)。取一定摩爾比的NP、耦聯活化劑EDC/souf-NHS分散于MES緩沖液中，冰上輕搖孵育lh，離心3次，去除過量的EDC/souf-NHS得到羧基具有活性的PLGA納米微球(ADM-Np-COOH)0再用碳二亞胺法將納米微球連接到微泡表面，實驗分為2組:靜電組和共價靜電協同組。取等量微泡，用MES緩沖液(PH值為8)漂洗2次，取過量微球分散于MES緩沖液(PH值為8)，緩慢滴入超聲微泡中，冰上輕搖孵育2h，然后將兩組樣品移至4°C冰箱繼續孵育。在光鏡下于12、24、36、48h不同時間點觀察連接效果。48h后光鏡下靜電組微泡表面光滑，周圍未見納米微球聚集；共價靜電協同組微泡表面不光滑，周圍布滿數量不等的小圓形的納米微球，呈 花環狀。“LIFU系統”聯合載阿霉素微泡進行兔VX2肝癌治療評價治療效果
我們建立了兔VX2肝癌模型，肝癌種植2周后，分為6組:①生理鹽水組(對照組)，②低強度聚焦超聲+微泡組，③低強度聚焦超聲+載阿霉素微球組，④低強度聚焦超聲+微泡+載阿霉素微球組，⑤普通診斷超聲+載藥微泡組，⑥低強度聚焦超聲+載阿霉素微泡組，各組在治療前后均用二維超聲觀察腫瘤大小，取腫瘤的最大徑線切面并采圖，除①組直接注射生理鹽水外，其它各組均將造影劑經兔耳緣靜脈團注后在二維超聲的監控下用相應的超聲定位輻照腫瘤部位，輻照聲強為1.2w/cm2,占空比50%，輻照時間10s，治療頻率為隔天一次，治療三次。末次治療結束24h后，處死兔子，立即取出腫瘤組織，用多聚甲醛固定后切片，進行HE染色，免疫組化法檢測各組腫瘤細胞的PCNA的表達情況，TUNEL法檢測各組腫瘤細胞的凋亡情況，并分別對組間增殖指數和凋亡指數進行比較。結果低強度聚焦超聲聯合載阿霉素微泡組腫瘤生長緩慢，中位生存期長達92天，抑瘤率為56.7%，PCNA的表達量最低(圖4中⑥)、凋亡細胞最多(圖5中⑥)，因此，低強度聚焦超聲聯合載阿霉素微泡能夠有效控制腫瘤生長。
權利要求
1.低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:包括一個用于觀測微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像的監控單元； 一個用于輸出一定能量和頻率能夠使微泡靶向爆破的聚焦超聲的觸發單元，所述能量和頻率的范圍分別為O 5W和0.5 IMHz ； 一個控制所述觸發單元輸出聚焦超聲的能量和頻率的驅動單元； 一個根據微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像，對微泡靶向爆破的效果進行評價的定量和評價單元； 所述監控單元包括診斷探頭,觸發單元包括治療探頭,診斷探頭和治療探頭整合為一體。
2.根據權利要求1所述低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:還包括用于調節觸發單元位置的三維調相器。
3.根據權利要求1或2所述低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:在所述治療探頭的中部設置一孔路，診斷探頭鑲嵌于所述孔路中，使診斷探頭和治療探頭整合為一體。
4.根據權利要求1所述低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:所述驅動單元通過改變觸發單元輸出聚焦超聲的頻率，或應用菲涅爾換能器，或應用超聲相控陣換能器，使觸發單元輸出聚焦超聲的焦域改變。
5.根據權利要求1所述低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:所述微泡為市售超聲造影劑微泡，或攜帶有藥物或基因的微泡。
6.根據權利要求5所述低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，其特征在于:所述攜帶有藥物的微泡為載阿霉素微泡。
全文摘要
本發明公開了一種低強度聚焦超聲分子顯像與治療系統，包括用于觀測微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像的監控單元，用于輸出一定能量和頻率的聚焦超聲的觸發單元，控制所述觸發單元輸出聚焦超聲的能量和頻率的驅動單元，根據微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超聲圖像，對微泡靶向爆破的效果進行評價的定量和評價單元。本發明的系統可以使微泡靶向爆破，微泡爆破后使藥物得以定位釋放，有效地抑制腫瘤細胞增殖。
文檔編號A61M37/00GK103230648SQ20131014429
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月24日 優先權日2013年4月24日
發明者王志剛, 宮玉萍, 冉海濤, 鄭元義, 李攀, 孫陽 申請人:重慶醫科大學