CN103230648B - 低强度聚焦超声分子显像与治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，包括用于观测微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像的监控单元，用于输出一定能量和频率的聚焦超声的触发单元，控制所述触发单元输出聚焦超声的能量和频率的驱动单元，根据微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像，对微泡靶向爆破的效果进行评价的定量和评价单元。本发明的系统可以使微泡靶向爆破，微泡爆破后使药物得以定位释放，有效地抑制肿瘤细胞增殖。

Description

低强度聚焦超声分子显像与治疗系统

技术领域

本发明涉及一种基于聚焦超声原理，集超声分子显像与治疗于一体的低强度聚焦超声（Low Intensity Focused Ultrasound）分子显像与治疗系统（下简称“LIFU系统”），既可联合超声微泡造影剂进行超声分子显像，还可以在二维超声的监控下局部定位靶向爆破超声药物或基因载体，用于控制药物或基因在体内释放，达到药物或基因体内定位递送、定量控释和疗效评价的一体化。

背景技术

超声波作为能量递送的有效形式，在超声分子显像、超声介导药物和基因递送中发挥了巨大的作用。随着超声技术的发展和造影剂制备技术的完善，对超声显像系统和超声治疗系统技术需求越来越高。

目前超声显像系统和超声治疗系统研究现状及缺点主要体现在以下方面。

体内超声分子成像和治疗的过程主要表现在：

超声药物或基因载体经静脉注射达到靶组织，在一定频率的超声波作用下共振散射增强，背向散射系数增高，可以增强超声对比显像；继而采用一定能量的超声辐照，使药物或基因载体在靶组织爆破并释放出携带的药物和基因，通过诊断超声仪实时监控，达到按需精确定量控释，提高药物疗效和作用时间，减轻毒副作用；同时微泡爆破产生的空化作用，能促进局部微血管的血液循环和细胞膜通透性增高，促进靶组织对药物和基因的摄入，达到靶向治疗的目的；最后，通过仪器技术手段评价定位递送和定量控释的药物的效果。

然而，要实现高效的超声分子成像和治疗效果，需要将超声分子成像设备、超声微泡触发装置及超声分子成像监控和后处理技术有机结合，这是关键性技术难点。目前国内外尚没有一种专门用于超声分子显像及治疗的系统装置。现所用设备主要是利用当前市售的诊断超声仪，虽可实时监控微泡在靶组织的灌注情况，但不能实现超声辐照微泡爆破靶向释放，因为：①市售超声仪所发射的是高频超声，高频超声可以提高组织的灰阶显像，但其破坏微泡产生空化效应的能力明显不足，因为空化效应的产生与所用超声频率的大小成反比，即超声频率越高，产生空化效应的阈值就越大，产生空化效应就越不容易；②诊断超声所发出的为连续波，连续波的发射不利于靶组织内微泡的再灌注；③由于微泡成膜材料的不同，爆破微泡所需的超声能量亦有所不同，诊断超声的能量调节范围有限，不能根据不同的微泡膜材调节相应的超声强度；④市售超声仪所发出的波为平面波，不能靶向定位，超声波束所涉及的组织内的微泡均可能被击破，从而对非靶向区域产生损伤作用。此外，现有超声微泡控释体系无法实现对靶区微泡的量化，在超声波束下进行的药物释放基本上处于“胡乱释放”的状态，不能实现精细、适形、定位、定量控释药物或基因达到药物或基因靶向治疗的目的。

发明内容

本发明要达到的目的是提供一种集诊断、治疗、监控和效果评价于一体的低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，简称“LIFU系统”。本发明以频率、脉冲和焦域可调的低频低强度脉冲聚焦超声作为触发微泡爆破的能量；数字化超声仪作为为监控单元，具有敏感粒子声学定量微泡功能并集成有超声组织定征的模块；具有图像采集卡的电子计算机和软件作为定量和评价单元。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，包括一个用于观测微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像的监控单元；

一个用于输出一定能量和频率能够使微泡靶向爆破的聚焦超声的触发单元，所述能量和频率的范围分别为0～5W和0.5～1MHz。所述微泡为市售超声造影剂微泡，或携带有药物或基因的微泡；聚焦超声定位递送微泡，并使微泡靶向爆破释放出微泡所携带的药物或基因。

一个控制所述触发单元输出聚焦超声的能量和频率的驱动单元。

一个根据微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像，对微泡靶向爆破的效果进行评价的定量和评价单元。

用于调节触发单元位置的三维调相器。

所述监控单元包括诊断探头，触发单元包括治疗探头，诊断探头和治疗探头整合为一体。

超声监控单元采用数字化超声仪，触发单元设计为频率、脉冲和焦域可调的低频脉冲聚焦超声，定量和评价单元为具有微泡定量功能、集成有组织定征模块及图像采集卡的电子计算机，并整合具有超声组织定征功能的“DFY型超声图像定量分析诊断仪”，具体的超声图像定量化方法可以参见申请号为94111751.0的发明专利，图像采集卡与监控单元相连接。驱动单元包括功率控制单元、焦域控制单元和时间控制单元，可控制治疗探头输出超声的频率、能量、焦域和时间，频率、能量和时间的调节范围分别为0.5～1MHz，0～5W，1s～30min。

触发单元中治疗探头输出低频聚焦超声的聚焦方式为换能器曲面聚焦，超声频率设置为0.5～1MHz可调，作用时间设置为1s～30min可调。能量设计为低强度并可根据实验要求在一定范围内（0～5W）进行调节。焦域大小的控制，可以通过改变治疗探头输出低频聚焦超声的频率，或应用菲涅尔换能器（环状阵列换能器）控制各个环的初始相位大小及其发射强度，或应用超声相控阵换能器（二位面状多维阵列）通过控制各个阵列单元的相位和超声发射强度来实现。为了精确控制触发单元输出超声的能量强度、作用范围及时间，可预先设置功率、焦域及时间控制单元，发射一定量的超声波，触发微泡靶向破裂，释放所携带的药物和基因。

低强度聚焦超声分子显像与治疗系统首先通过监控单元显示被测体治疗单元的作用区域和微泡灌注的位置，然后调整低强度聚焦超声的辐照参数利用治疗探头靶向发射一定能量的超声波，监控单元观察记录微泡爆破前后超声显像情况及声像图灰阶值，最后，定量分析、计算辐照前后靶组织微泡数及其破裂微泡数和释药量，并进行效果评价。

本发明达到的有益技术效果如下：集诊断和治疗为一体的低强度聚焦超声分子显像与治疗系统兼并了超声造影和超声治疗的功能；体外实验证实低强度聚焦超声能够局部靶向破坏微泡释放药物和基因；动物实验显示该系统具有良好的超声显像效果，并可在二维超声监控下用低强度聚焦超声破坏微泡而使药物得以定位释放，有效地抑制肿瘤细胞增殖。

附图说明

图1为本发明的LIFU系统结构框图；

图2为本发明LIFU系统的一实施例结构框图；

图3为LIFU系统和普通诊断超声体外爆破微泡范围的对比图；

图4为兔VX2肝癌模型中各组肿瘤细胞的PCNA的表达图；

图5为兔VX2肝癌模型中各组肿瘤细胞的凋亡图；

图1中：1-定量和评价单元；2-驱动单元；3-监控单元；4-触发单元；5-三维调相器；

图2中：2.1-信号监控；2.2-激励信号控制器；2.3-调制信号控制器；2.4-射频放大器；3.1-超声诊断仪；

图4和图5中①～⑥分别对应兔VX2肝癌模型中的①～⑥组实验中的肿瘤细胞PCNA的表达和肿瘤细胞的凋亡情况。

具体实施方式

参见图1，低强度聚焦超声分子显像与治疗系统包括监控单元3，用于观测微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像；触发单元4，用于输出一定能量和频率使微泡靶向爆破的聚焦超声，该聚焦超声可以定位递送微泡，并使微泡靶向爆破释放出微泡所携带的药物或基因；驱动单元2，用于控制触发单元4输出聚焦超声的能量、频率、焦域和时间；以及定量和评价单元1，可以根据微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像，对微泡靶向爆破的效果进行评价。为了将触发单元4中的治疗探头和监控单元3中的诊断探头整合为一体，在治疗探头的中部设置一孔路，诊断探头镶嵌于所述孔路中，诊断探头和治疗探头呈平行关系。整合为一体的治疗探头和诊断探头固定于特制的水箱中，水箱中盛满脱气水，水箱上平放动物台。通过一个三维调相器5来调控整合为一体的探头向各方位的移动，包括水平方向上的前、后、左、右和垂直方上向的上、下。首先通过诊断探头发出二维诊断超声查找靶向部位，然后将治疗探头的焦点固定于靶向部位，在二维超声的监控下进行靶向部位治疗。观察记录查找靶向部位的微泡爆破前后超声显像情况及声像图灰阶值，最后，定量分析、计算爆破前后靶组织微泡数及其破裂微泡数和释药量，并进行效果评价。

参见图2为本发明的另一种具体实施方式，驱动单元2具体由信号监控2.1、激励信号控制器2.2、调制信号控制器2.3和射频放大器2.4组成，监控单元3采用市售的超声诊断仪3.1。激励信号控制器2.2将输入的电源变为一定的激励信号后输入射频放大器2.4，再由触发单元4中的治疗探头输出，激励信号控制器2.2通过调节电源的电压、电流大小来控制经触发单元4中的治疗探头输出的低强度聚焦超声的功率。在激励信号控制器2.2进行调节的时候，信号监控2.1对被调节的激励信号进行监控，调制信号控制器可以调节激励信号的波形并选择相应的占空比。触发单元4中的治疗探头输出的低强度聚焦超声的频率设计为0.5～1MHz可调，作用时间设置为1s～30min可调，能量设计为0～5W可调，连续波和脉冲波可根据实验需要选择，超声诊断仪3.1的治疗探头频率为2～50MHz可调。

低强度聚焦超声分子显像与治疗系统体外靶向爆破微泡优越性实验

我们将乳胶水囊盛满机械振荡法制备的脂质微泡并固定，水囊的一侧用低强度聚焦超声治疗探头辐照，同时用Philips iu22彩色超声诊断仪横向和纵向观察微泡爆破范围，确定低强度聚焦超声爆破微泡的焦域，结果参见图3。此种方法同样用于同种强度下普通诊断超声体外爆破微泡范围的测定。

图3中A所示为超声微泡爆破前的声像图；B所示为“LIFU系统”爆破微泡后沿聚焦超声声束方向的声像图；C所示为“LIFU系统”爆破微泡后与聚焦超声声束垂直方向的声像图；D所示为普通诊断超声爆破微泡后的声像图。从图中可以明显地看出利用“LIFU系统”可以精确定位需要爆破的微泡，可以控制微泡的爆破范围，使爆破范围呈梭形或其它可控形状；而用普通诊断超声进行微泡爆破的结果是“胡乱释放”状态，没有爆破的固定范围。

动物实验

载阿霉素微泡的制备（详细步骤参见申请号为200910260916.X的发明专利）

将一定量的脂膜材料二棕榈酰磷脂酰胆碱（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溶液的混悬液中，42°C水浴30 min，用全氟丙烷气体置换空气，采用机械振荡法即得到带正电荷的氨基化微泡(MB-NH2)，将羧基端未封闭的（聚乳酸-聚乙醇酸共聚物）PLGA溶解于二氯甲烷中，加入阿霉素溶液声振50s，再加入PVA高速均质分散，经过磁力搅拌然后离心得到双乳化法制备带负电荷的载阿霉素PLGA纳米微球（ADM—NP）。取一定摩尔比的NP、耦联活化剂EDC/souf-NHS分散于MES缓冲液中，冰上轻摇孵育1h，离心3次，去除过量的EDC/souf-NHS得到羧基具有活性的PLGA纳米微球（ADM—NP—COOH）。再用碳二亚胺法将纳米微球连接到微泡表面，实验分为2组：静电组和共价静电协同组。取等量微泡，用MES缓冲液（PH值为8）漂洗2次，取过量微球分散于MES缓冲液（PH值为8），缓慢滴入超声微泡中，冰上轻摇孵育2h，然后将两组样品移至4℃冰箱继续孵育。在光镜下于12、24、36、48h不同时间点观察连接效果。48h后光镜下静电组微泡表面光滑，周围未见纳米微球聚集；共价静电协同组微泡表面不光滑，周围布满数量不等的小圆形的纳米微球，呈花环状。

“LIFU系统”联合载阿霉素微泡进行兔VX2肝癌治疗评价治疗效果

我们建立了兔VX2肝癌模型，肝癌种植2周后，分为6组：①生理盐水组（对照组），②低强度聚焦超声+微泡组，③低强度聚焦超声+载阿霉素微球组，④低强度聚焦超声+微泡+载阿霉素微球组，⑤普通诊断超声+载药微泡组，⑥低强度聚焦超声+载阿霉素微泡组，各组在治疗前后均用二维超声观察肿瘤大小，取肿瘤的最大径线切面并采图，除①组直接注射生理盐水外，其它各组均将造影剂经兔耳缘静脉团注后在二维超声的监控下用相应的超声定位辐照肿瘤部位，辐照声强为1.2w/cm²，占空比50%，辐照时间10s，治疗频率为隔天一次，治疗三次。末次治疗结束24h后，处死兔子，立即取出肿瘤组织，用多聚甲醛固定后切片，进行HE染色，免疫组化法检测各组肿瘤细胞的PCNA的表达情况，TUNEL法检测各组肿瘤细胞的凋亡情况，并分别对组间增殖指数和凋亡指数进行比较。

结果 低强度聚焦超声联合载阿霉素微泡组肿瘤生长缓慢，中位生存期长达92天，抑瘤率为56.7%，PCNA的表达量最低（图4中⑥）、凋亡细胞最多（图5中⑥），因此，低强度聚焦超声联合载阿霉素微泡能够有效控制肿瘤生长。

Claims (5)

1.低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，其特征在于：包括一个用于观测微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像的监控单元；

一个用于输出一定能量和频率能够使微泡靶向爆破的聚焦超声的触发单元，所述能量和频率的范围分别为0～5W和0.5～1MHz；

一个控制所述触发单元输出聚焦超声的能量和频率的驱动单元；

一个根据微泡靶向爆破前和靶向爆破后的超声图像，对微泡靶向爆破的效果进行评价的定量和评价单元，通过计算爆破前后靶组织微泡数及其破裂微泡数和释药量进行效果评价；

所述监控单元包括诊断探头，触发单元包括治疗探头，诊断探头和治疗探头整合为一体；整合为一体的诊断探头和治疗探头固定于盛满脱气水的水箱中；

用于调节触发单元位置的三维调相器，所述三维调相器用于调节水平方向上的前、后、左、右和垂直方向上的上、下的探头的移动；

所述低强度聚焦超声分子显像与治疗系统精确定位需要爆破的微泡，控制爆破的范围，所述爆破范围呈梭形或其他可控形状；通过改变治疗探头输出低频聚焦超声的频率，或应用菲涅尔换能器控制各个环的初始相位大小以及发射强度，或应用超声相控阵换能器控制各个阵列单元的相位和超声发射强度实现。

2.根据权利要求1所述低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，其特征在于：在所述治疗探头的中部设置一孔路，诊断探头镶嵌于所述孔路中，使诊断探头和治疗探头整合为一体。

3.根据权利要求1所述低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，其特征在于：所述驱动单元通过改变触发单元输出聚焦超声的频率，或应用菲涅尔换能器，或应用超声相控阵换能器，使触发单元输出聚焦超声的焦域改变。

4.根据权利要求1所述低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，其特征在于：所述微泡为超声造影剂微泡，或携带有药物或基因的微泡。

5.根据权利要求4所述低强度聚焦超声分子显像与治疗系统，其特征在于：所述携带有药物的微泡为载阿霉素微泡。