專利名稱：超聲彈性成像體模及其制備方法
超聲彈性成像體模及其制備方法
技術領域：
本發明涉及醫用高分子材料技術領域，特別是涉及一種超聲彈性成像體模及其制 備方法。
背景技術：
傳統使用的超聲彈性成像體模的種類很多，且多用于B型超聲成像、多普勒超聲 成像儀器的圖像檢測、校正以及醫生和技師的技能培訓等。在儀器研發以及臨床應用超聲 彈性成像系統時，需要對系統的品質進行測試，其中最為關鍵的是進行準確性和可靠性的 測試，所測得數據的準確性和可靠性直接關系到組織定征和疾病診斷的準確性和可靠性。 因此，不能使用超聲彈性成像的手段來測試非標準的生物組織的彈性(或硬度)做標準進 行儀器的校正。傳統的超聲彈性成像體模包括明膠或瓊脂，都是天然的高分子化合物。但是，均勻 的瓊脂體模的鍵合比較弱，強度也比較弱，在很小的應力作用下就很容易碎裂；明脂體模的 強度比瓊脂體模稍好，但在使用和保存過程中性質不穩定，易隨著環境溫度的變化而變化。
發明內容基于此，有必要提供一種彈性模量容易控制調節的超聲彈性成像體模。此外，還有必要提供一種彈性模量容易控制調節的超聲彈性成像體模制備方法。一種超聲彈性成像體模，包括聚丙烯酰胺水凝膠和散射子，所述聚丙烯酰胺水凝 膠形成網狀結構，包裹所述散射子。優選的，所述聚丙烯酰胺水凝膠具有丙烯鏈端。優選的，所述散射子是1 100微米粒徑的固體顆粒。優選的，所述散射子是粒徑小于20微米的石墨粉末。一種超聲彈性成像體模制備方法，包括如下步驟制備以丙烯為基本機構單元的 單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液；根據需要達到的衰減系數，將散射子倒入所述以丙烯 為基本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣 體；在所述無氧環境中充入保護氣體，根據所述以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基雙 丙烯酰胺的水溶液，攪拌均勻后倒入模具中密封，置于冰水浴中；反應完成后，洗滌。優選的，所述以丙烯為基本機構單元的單體是丙烯酰胺單體。優選的，所述以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比是 39 1、19 1和59 1中的任一個。優選的，所述所述以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液濃 度為5% 20%。優選的，所述散射子是具有1 100微米粒徑的固體顆粒。優選的，所述散射子是粒徑小于20微米的石墨粉末。優選的，所述制作無氧環境脫去容器中的氣體采用抽真空工藝，即邊攪拌邊抽真空或者采用氮氣流和引發劑的加入中的任一種工藝。優選的，所述催化劑四甲基乙二胺的濃度是1 lOul/ml，所述引發劑過硫酸鹽溶 液的濃度是0. 1 20mg/ml。優選的，所述引發劑過硫酸鹽溶液是過硫酸銨溶液、過硫酸鉀溶液和由過硫酸或 過硫酸鹽與亞硫酸氫鈉組成氧化還原溶液中的任一種溶液。上述超聲彈性成像體模通過調節丙烯酰胺單體的濃度可以自由的在較大范圍內 調節超聲彈性成像體模的彈性(或硬度)，并且調整散射子的比例可以改變聲衰減系數，以 符合超聲彈性成像的標準。在制備超聲彈性成像體模的過程中，在水溶液中進行聚合反應，制作含有石墨的 聚丙烯酰胺水凝膠，以作為超聲彈性成像的體模。由于水溶液的存在，使得體系的粘度較 低，混合和傳熱比較容易，溫度也比較容易控制，不會產生局部過熱的現象。另外，引發劑、 催化劑和交聯劑等其它添加物比較容易均勻分散，引發和交聯的效率高，產物的分子量分 布比較窄，分子量比較均勻，容易得到均勻的水凝膠。上述超聲彈性成像體模穩定性高，隨環境的改變不會發生霉變、腐爛或變質，在工 作使用的溫度范圍內，其物理化學性質尤其是彈性模量不發生改變，保持期長，可靠性和可 重復性好，化學物質單一，質量容易控制，適合作為儀器檢測的標準。上述超聲彈性成像體模具有類似組織的超聲特性，具有與人體組織盡可能相近的 超聲傳播速度，以及該體模的超聲衰減速率本質上低于人體組織的衰減速率并且能夠用添 加劑調節使得其接近要檢查的人體組織的衰減速率，完全符合超聲彈性成像體模需要具備 的性質。上述超聲彈性成像體模的制備過程操作簡單、條件控制容易、聚合物產率高，且對 環境的污染小。
圖1為超聲彈性成像體模的結構示意圖；圖2為電子萬能試驗機中丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的濃度為6%時的數據。具體實施方式
超聲彈性成像是對組織，例如人體組織或者仿生物體組織，施加內部(包括自身 的)或外部的動態、靜態和準靜態激勵中的任一種激勵，在彈性力學、生物力學等物理規律 的作用下，組織將產生一個響應，例如位移、應變、速度的分布中的任一改變。利用該超聲彈 性成像方法，結合數字信號處理或者數字圖像處理技術，可以估計出組織內部的相應情況， 從而間接或直接反映組織內部的彈性模量等力學屬性的差異。其方法是利用探頭或者一 個探頭-擠壓板裝置，沿著探頭的縱向(軸向)壓縮組織給組織施加一個微小的應變；根 據各種不同組織(包括正常和病理組織)的彈性系數(應力/應變)不同和外力或交變振 動后其應變(主要為形態改變)的不同，收集被測體某時間段內的各個信號片段對壓迫前 后反射的回波信號進行分析，估計組織內部不同位置的位移，從而計算出變形的程度，得到 組織的彈性(或硬度)的相對或絕對信息。超聲彈性成像可有效地鑒別實質性腫瘤的良惡 性，對于惡性病變診斷具有較高的特異性和敏感性。
體模，是仿生物體組織模型的簡稱。圖1示出了一種超聲彈性成像體模的結構示 意圖，該超聲彈性成像體模包括聚丙烯酰胺水凝膠和散射子，由丙烯酰胺單體與交聯劑亞 甲基雙丙烯酰胺經聚合反應形成共聚物，并加入散射子。交聯劑亞甲基雙丙烯酰胺使單體 丙烯酰胺聚合后形成網狀結構，保持水凝膠狀態。丙烯酰胺還可以用丙烯酸、異丙基丙烯酰 胺等以丙烯為基本機構單元的單體替換。超聲彈性成像體模的制備流程包括如下步驟首先，制備丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液。將丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺以39 1的質量比溶解在高純去離子水當中，丙 烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比也可以是19 1或59 1;根據需要的超聲彈性成 像體模的彈性或硬度，估算需要用的水溶液濃度，濃度為5% 20%，稀釋丙烯酰胺和亞甲 基雙丙烯酰胺的水溶液到需要的濃度。超聲彈性成像體模的彈性或硬度可以通過調整丙烯 酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比(如39 1或19 1)及其水溶液的濃度(如從5%到 10%)來使硬度發生改變。其次，根據需要達到的衰減系數，將散射子倒入丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰 胺的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣體。該散射子可以是石墨、碳化硅顆粒、氧 化鈦粉末等具有1 100微米粒徑的固體顆粒。制作無氧環境可以是采用抽真空工藝，即 邊攪拌邊抽真空脫去容器上方、溶解在水溶液中的氣體，以及吸附在散射子表面上的空氣， 這樣一方面可以減少空氣中氧氣的阻聚作用，一方面可以排除散射子及水溶液中的氣泡， 此外無氧環境還可以通過氮氣流或者加入引發劑來實現。再次，在無氧環境中充入保護氣體，根據所述丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺 的水溶液，加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸鹽溶液，攪拌均勻后倒入模具中并用 塑料膜密封，置于冰水浴中。若采用抽真空工藝制作無氧環境，則需解除負壓后充入保護氣 體。常壓充入保護氣體，該保護氣體使用氮氣為最佳。催化劑四甲基乙二胺的濃度是1 lOul/ml，引發劑過硫酸鹽溶液的濃度是0. 1 20mg/ml，且過硫酸鹽溶液可以是過硫酸銨 溶液，也可以是過硫酸鉀，或者由過硫酸或其他過硫酸鹽與亞硫酸氫鈉組成氧化還原體系。最后，反應完成后，洗滌。打開模具，用水反復洗滌浸泡除掉表面未反應的化學試 劑后，將體模保存于裝有少量水的模具中測試聲速，利用電子萬能試驗機及超聲瞬時彈性 成像法測試其楊氏模量，并用B超觀察其均勻性。圖2示出了電子萬能試驗機中丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺的濃度為6%時的數 據，電子萬能試驗機的數據包括加載過程和卸載過程，而利用軟樣品的楊氏模量用卸載過 程的斜線斜率來計算楊氏模量。為了減少在較長反應過程中發生散射子沉積而引起水凝膠不同深度層散射信號 不均勻的現象，可以通過加大引發劑的使用量(增加濃度或者使用的體積，也可使反應在 室溫下進行，以提高反應速度，使水凝膠快速成型從而減少散射子的沉積。此外，使用新鮮 配制的過硫酸鹽作為引發劑提高引發劑的效率，同時提高反應的速度。下面通過具體的實施例進一步說明上述超聲彈性成像體模的制備，在本實施例中 選用以過硫酸銨為引發劑，以四甲基乙二胺為催化劑，以亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，丙烯 酰胺為單體，粒徑小于20微米的石墨粉末為散射子，但過硫酸銨還可以選用其它的過硫酸 鹽或者由過硫酸或其他過硫酸鹽與亞硫酸氫鈉組成氧化還原體系，丙烯酰胺還可以選用丙烯酸、異丙基丙烯酰胺等以丙烯為基本機構單元的單體，散射子還可以選用碳化硅顆粒、氧 化鈦粉末等具有1 100微米粒徑的固體顆粒。實施例1，楊氏模量為4. 5千帕的超聲彈性成像體模制備方法。(1)制備丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液。取25ml質量分數為40 %的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺水溶液，其中丙烯 酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比為39 1，加入去離子水稀釋到200ml得到濃度為 5%的水溶液。(2)根據需要達到的衰減系數，將超聲散射子倒入丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯 酰胺的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣體。將制備好的丙烯酰胺單體和來甲基雙丙烯酰胺的水溶液倒入500ml抽濾瓶中，稱 4g粒徑小于20微米的石墨粉末倒入抽濾瓶，并投入磁力攪拌子，邊攪拌邊用循環水式真空 泵抽真空30分鐘。(3)在無氧環境中常壓充入氮氣，并在氮氣的保護下，根據所述丙烯酰胺單體和亞 甲基雙丙烯酰胺的水溶液，加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸鹽溶液，攪拌均勻后 倒入模具中并用塑料膜密封，置于冰水浴中。稱取200mg的過硫酸銨溶解在2ml的去離子水中，在抽濾瓶中充入氮氣解除負壓， 加入200 yl的四甲基乙二胺到制備好的丙烯酰胺單體和來甲基雙丙烯酰胺的水溶液中， 攪拌均勻后在氮氣保護下分次加入制備好的過硫酸銨溶液，攪拌均勻后倒入模具中，用聚 乙烯膜封好，以進行聚合交聯反應。(4)反應完成后，洗滌。聚合交聯反應結束，打開模具，倒出超聲彈性成像體模，用去離子水反復洗滌浸泡 3次后保存備用。經測試，該超聲彈性成像體模的聲速為1500米/秒，電子萬能試驗機測得楊氏模 量為4. 4千帕，用超聲瞬時彈性成像法測得其楊氏模量為4. 48千帕，衰減系數為0. 29dB/ cm/MHzo實施例2，楊氏模量為9千帕的超聲彈性成像體模制備方法。(1)制備丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液。取30ml質量分數為40 %的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺水溶液，其中丙烯 酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比為39 1，加入去離子水稀釋到200ml得到濃度為 6%的水溶液。(2)根據需要達到的衰減系數，將散射子倒入丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺 的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣體。將制備好的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液倒入500ml抽濾瓶中，稱 4g粒徑小于20微米的石墨粉末倒入抽濾瓶，并投入磁力攪拌子，邊攪拌邊用循環水式真空 泵抽真空30分鐘。(3)在無氧環境中常壓充入氮氣，并在氮氣的保護下，根據所述丙烯酰胺單體和亞 甲基雙丙烯酰胺的水溶液，加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸鹽溶液，攪拌均勻后 倒入模具中并用塑料膜密封，置于冰水浴中。稱取200mg的過硫酸銨溶解在2ml的去離子水中，在抽濾瓶中充入氮氣解除負壓，加入200 yl的四甲基乙二胺到制備好的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液中， 攪拌均勻后在氮氣保護下分次加入制備好的過硫酸銨溶液，攪拌均勻后倒入模具中，用聚 乙烯膜封好后放置在冰水浴中進行聚合交聯反應。(4)反應完成后，洗滌。聚合交聯反應結束，打開模具，倒出超聲彈性成像體模，用去離子水反復洗滌浸泡 3次以洗去表層粘附的未反應的化學藥品，以保存備用。經測試，該超聲彈性成像體模的聲速為1520米/秒，電子萬能試驗機測得楊氏模 量為9. 36千帕，用超聲彈性成像法測得其楊氏模量為8. 85千帕，衰減系數為0. 30dB/cm/ MHz。實施例3，楊氏模量為13千帕的超聲彈性成像體模膠制備方法。(1)制備丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液。取35ml質量分數為40 %的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺水溶液，其中丙烯 酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比為39 1，加入去離子水稀釋到200ml得到濃度為
的水溶液。(2)根據需要達到的衰減系數，將散射子倒入丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺 的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣體。將制備好的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液倒入500ml抽濾瓶中，稱 4g粒徑小于20微米的石墨粉末倒入抽濾瓶，并投入磁力攪拌子，邊攪拌邊用循環水式真空 泵抽真空30分鐘。(3)在無氧環境中常壓充入氮氣，并在氮氣的保護下，根據所述丙烯酰胺單體和亞 甲基雙丙烯酰胺的水溶液，加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸鹽溶液，攪拌均勻后 倒入模具中并用塑料膜密封，置于冰水浴中。稱取200mg的過硫酸銨溶解在2ml的去離子水中，在抽濾瓶中充入氮氣解除負壓， 加入200 yl的四甲基乙二胺到制備好的丙烯酰胺單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液中， 攪拌均勻后在氮氣保護下分次加入制備好的過硫酸銨溶液，攪拌均勻后倒入模具中，用聚 乙烯膜封好后放置在冰水浴中進行聚合交聯反應。(4)反應完成后，洗滌。聚合交聯反應結束，打開模具，倒出超聲彈性成像體模，用去離子水反復洗滌浸泡 3次以洗去表層粘附的未反應的化學藥品，以保存備用。經測試，該超聲彈性成像體模的聲速為1531米/秒，電子萬能試驗機測得楊氏模 量為13. 3千帕，用超聲瞬時彈性成像法測得其楊氏模量為12千帕，衰減系數為0. 30dB/cm/ MHz。上述超聲彈性成像體模通過調節丙烯酰胺單體的濃度可以自由的在較大范圍內 調節超聲彈性成像體模的彈性(或硬度)，并且調整散射子的比例可以改變聲衰減系數，以 符合超聲彈性成像的標準。在制備超聲彈性成像體模的過程中，在水溶液中進行聚合反應，制作含有石墨的 聚丙烯酰胺水凝膠，以作為超聲彈性成像的體模。由于水溶液的存在，使得體系的粘度較 低，混合和傳熱比較容易，溫度也比較容易控制，不會產生局部過熱的現象。另外，引發劑、 催化劑和交聯劑等其它添加物比較容易均勻分散，引發和交聯的效率高，產物的分子量分布比較窄，分子量比較均勻，容易得到均勻的水凝膠。上述超聲彈性成像體模穩定性高，隨環境的改變不會發生霉變、腐爛或變質，在工 作使用的溫度范圍內，其物理化學性質尤其是彈性模量不發生改變，保持期長，可靠性和可 重復性好，化學物質單一，質量容易控制，適合作為儀器檢測的標準。上述超聲彈性成像體模具有類似組織的超聲特性，具有與人體組織盡可能相近的 超聲傳播速度，以及該體模的超聲衰減速率本質上低于人體組織的衰減速率并且能夠用添 加劑調節使得其接近要檢查的人體組織的衰減速率，完全符合超聲彈性成像體模需要具備 的性質。上述超聲彈性成像體模的制備過程操作簡單、條件控制容易、聚合物產率高，且對 環境的污染小。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保 護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種超聲彈性成像體模，其特征在于，包括聚丙烯酰胺水凝膠和散射子，所述聚丙烯酰胺水凝膠形成網狀結構，包裹所述散射子。
2.根據權利要求1所述的超聲彈性成像體模，其特征在于，所述聚丙烯酰胺水凝膠具 有丙烯鏈端。
3.根據權利要求1所述的超聲彈性成像體模，其特征在于，所述散射子是1 100微米 粒徑的固體顆粒。
4.根據權利要求1或3所述的超聲彈性成像體模，其特征在于，所述散射子是粒徑小于 20微米的石墨粉末。
5.根據權利要求1所述的超聲彈性成像體模制備方法，包括如下步驟制備以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液；根據需要達到的衰減系數，將散射子倒入所述以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基 雙丙烯酰胺的水溶液中，并制作無氧環境脫去容器中的氣體；在所述無氧環境中充入保護氣體，根據所述以丙烯為基本機構單元的單體和亞甲基雙 丙烯酰胺的水溶液，攪拌均勻后倒入模具中密封，置于冰水浴中；反應完成后，洗滌。
6.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述以丙烯為基 本機構單元的單體是丙烯酰胺單體。
7.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述以丙烯為基 本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的質量比是39 1、19 1和59 1中的任一個。
8.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述所述以丙烯 為基本機構單元的單體和亞甲基雙丙烯酰胺的水溶液濃度為5% 20%。
9.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述散射子是具 有1 100微米粒徑的固體顆粒。
10.根據權利要求5或9所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述散射子 是粒徑小于20微米的石墨粉末。
11.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述制作無氧環 境脫去容器中的氣體采用抽真空工藝，即邊攪拌邊抽真空或者采用氮氣流和引發劑的加入 中的任一種工藝。
12.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述催化劑四甲 基乙二胺的濃度是1 lOul/ml，所述引發劑過硫酸鹽溶液的濃度是0. 1 20mg/ml。
13.根據權利要求5所述的超聲彈性成像體模制備方法，其特征在于，所述引發劑過硫 酸鹽溶液是過硫酸銨溶液、過硫酸鉀溶液和由過硫酸或過硫酸鹽與亞硫酸氫鈉組成氧化還 原溶液中的任一種溶液。
全文摘要
一種超聲彈性成像體模，包括聚丙烯酰胺水凝膠和散射子，所述聚丙烯酰胺水凝膠形成網狀結構，包裹所述散射子。上述超聲彈性成像體模通過調節丙烯酰胺單體的濃度可以自由的在較大范圍內調節超聲彈性成像體模的彈性(或硬度)，并且調整散射子的比例可以改變聲衰減系數，以符合超聲彈性成像的標準。
文檔編號C08L33/26GK101864136SQ20101019628
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者凌濤, 姚慧, 鄭海榮, 靳巧鋒 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院