CN203989524U - 用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，包括依次层叠设置的透声层、薄膜层、反射层和耦合层。该仿生体具有用于超声换能器聚焦性能评价，计量超声治疗剂量等方面的可行性。

Description

用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体

技术领域

本实用新型属于仿生技术领域，具体涉及一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是近年来迅速发展的无创治疗技术。HIFU的聚焦性能和剂量与治疗的安全性、有效性和稳定性密切相关。

超声聚焦性能评估主要是通过仿生体在超声作用下的温度变化，以及超声对组织的凝固性破坏情况，能有效检测到超声聚焦过程中，声通道的温度变化过程以及该温度对组织的变性情况，同时能有效传递超声，对超声聚焦性能无明显的削弱作用，在生物学上的相关参数与人体相近，特别是声阻抗参数要接近人体的软组织声阻抗参数。

超声聚焦在整个超声传递区域分为三大部分，一是超声声波发生区，该区域靠近超声换能器，囊括了整个超声聚焦通道的起始部分，临床使用中也是最为靠近人体的皮肤表面部分，因此需要对超声能量分布以及能量变化过程进行观察，防止出现过于高的能量作用于人体皮肤，出现烫伤事件；二是超声传递通道部分，该部分是处于超声发生源与超声聚焦焦点之间，实现了超声能量聚焦的整体过程，实现由体外非常微弱的声波能量在聚焦焦点处形成高温的焦点区域，临床使用中主要是会通过人体体内的正常组织，因此对该部分的能量进行严格的观察以及监控是非常有必要的。

目前对超声聚焦的焦点能量进行检测的手段已经比较成熟，两大主要评估方式，一是物理概念上的评估方式，主要是通过声强/声场测量以观测焦点位置以及周围的声强分布，二是主要通过生物仿生组织或离体组织进行观测。目前的技术主要是关注超声聚焦的聚焦性能，部分研究过于注重超声聚焦焦点的能量提升方面，而忽略超声聚焦传递过程中，声通道的能量变化过程。声通道的能量过高会直接影响着超声聚焦治疗的安全性，因此在研究超声聚焦焦点能量的基础上也应注重超声聚焦声通道中能量问题。然而目前对于超声通道的能量检测技术相对薄弱，同时没有一个很好的超声聚焦传递能量反馈介质来评估超声聚焦声通道的温度变化。

由于声强测量设备相对昂贵，同时测量时间长等问题不适用超声聚焦研究，常见的声强测量设备并不适用于超声聚焦性能评估领域，因此，通常采用生物仿生介质进行超声聚焦性能评估，目前尚无一种可以多次使用、制作成本合适、适用于超声聚焦实验的有效评估的仿生体。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，可以计量超声治疗剂量等方面的可行性。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例的技术方案如下：

一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，包括依次层叠设置的透声层、薄膜层、反射层和耦合层。

进一步：所述透声层的厚度为2～3cm。

进一步：所述薄膜层的厚度为0.08～0.12mm。

进一步：所述反射层的厚度为4～8cm。

进一步：所述耦合层的厚度为3～5cm。

进一步：所述透声层、所述薄膜层、所述反射层和所述耦合层的形状分别为圆形，所述圆形的直径为15～20cm。

进一步：所述仿生体从所述透声层到所述耦合层的直径逐渐减小，形成圆台体。

进一步，所述仿生体还包括：凝胶包裹层，所述透声层、所述薄膜层、所述反射层和所述耦合层设置在所述凝胶包裹层内。

进一步：所述凝胶包裹层的厚度为5～10mm。

上述实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体通过透声层、薄膜层、反射层和耦合层的层结构设置，综合利用各层的功能，实现对超声聚焦声通道性能的评估。其中，透声层用于反馈超声聚焦最靠近换能器部分的温度变化情况；薄膜层用于模拟生物组织间的粘膜等相关组织架构；反射层用于在声通道的中下部位的能量变化时，测试超声进行靶治疗区时所产生的反射声波作用情况，检测靶区周围的能量分布情况；耦合层用于衡量二次反射后的声波能量对超声聚焦治疗声通道中的组织损伤程度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体的结构示意图一；

图2为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体的结构示意图二；

图3为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体使用时的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体的结构示意图一。

本实用新型实例提供了一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，包括依次层叠设置的透声层1、薄膜层2、反射层3和耦合层4。

上述实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体通过透声层、薄膜层、反射层和耦合层的层结构设置，综合利用各层的功能，实现对超声聚焦声通道性能的评估。其中，透声层用于反馈超声聚焦最靠近换能器部分的温度变化情况；薄膜层用于模拟生物组织间的粘膜等相关组织架构；反射层用于在声通道的中下部位的能量变化时，测试超声进行靶治疗区时所产生的反射声波作用情况，检测靶区周围的能量分布情况；耦合层用于衡量二次反射后的声波能量对超声聚焦治疗声通道中的组织损伤程度。

各层的厚度和材质皆是参考超声聚焦治疗肿瘤时超声所经过的通道信息而制定的，每个层面所需要反应的信息以及功能是不同的，各层的厚度和材质的选择也不同，具体如下：

透声层1的厚度为2～3cm。由于透声层能有效模拟声能量堆积时间较短这一生物特性，因此透声层的厚度相对较薄。如果透声层的厚度超过3cm，会导致透声层有效模拟声能量堆积过程的作用下降，如果透声层的厚度小于2cm，则对反映超声聚焦过程中所经过的皮肤-脂肪层组织，以及反馈超声聚焦过程对浅层组织的影响的作用降低。

由于透声层的主要用途是检测超声聚焦治疗过程中靠近皮肤层面的能量信息，而且能高度模拟人体皮肤的温度变化参数信息，具有高度的温度敏感性，因此，在一实施例中，该透声层1的材质选用聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)水凝胶。该水凝胶是一种可变性共聚生物水凝胶，具有温敏性，可在温度发生变化时发生凝固性改变。该水凝胶形成的凝胶体在声学特性上与人体接近或相同。使用该仿生体时，透声层1贴近换能器部位，在超声聚焦过程中首先实现超声的传递耦合功能。该透声层能实现对超声聚焦过程传递能量、透射声波，同时能实现在透射过程中的能量检测，当透声层温度达到45摄氏度以上时出现凝固性变白的化学变化。由于声通道上层的温度和能量相对集中且比较小，所以该处生物水凝胶仿生体的物质仿生突变温度需要更加敏感，同时启动化学变化反应的温度相对薄膜层和反射层更低。透声层约在43摄氏度时逐渐开始变化，当达到55摄氏度而且持续30s时透声层能出现在声通道位置的整体变性。同时该透声层在整个架构中的作用是测量声通道中最为靠近声波发出处的温度持续变化情况，由于在人体试验中，最靠近换能器的人体组织是皮肤，皮肤对温度的敏感性要高于其他内在的组织，因此需要模拟体也具备这样的特性和生物体需求的灵敏度度以及可观测性。该透声层还需要具备高度透明度，由于当水凝胶体的温度达到一定数值并且持续一定时间时，能发生化学反应使得温度变化区域的水凝胶变白色，因此，高度的透明度能有效捕获到物质变化的过程，能充分及时反馈出相关能量变化的信息。

薄膜层2的厚度为0.08～0.12mm。薄膜层是用于隔离透声层与反射层的一种模拟生物粘膜以及组织包膜，如果薄膜层的厚度小于0.08mm，则薄膜层容易漏；如果薄膜层的厚度大于0.12mm，则薄膜层有效模拟生物粘膜以及组织包膜的性能的作用下降。

薄膜层2为仿组织生物薄膜。该仿组织生物薄膜的透声性能良好。薄膜层是用于模拟生物组织间的粘膜等相关组织架构，起到生物包膜的作用。在超声聚焦治疗肿瘤过程中超声必然通过生物组织的包膜，而包膜对超声聚焦的传递产生一种减损耗的作用，在该仿生体中必须考虑到这一点，需要全面掌握好超声聚焦过程中各种干扰信息，在有干扰信息下的超声聚焦治疗模拟才是最为接近人体组织的真实状况，更好更准确地反馈出反射层的能量真实性以及参考性，测量出来的数据也就更加具备参考价值。

反射层3的厚度为4～8cm。反射层主要用于在超声聚焦模拟治疗过程中模拟肿瘤周围的正常组织。肿瘤周围的正常组织是能够承受相对较高的温度，温度很高时才会发生不可逆反应，因此和透声层相比较，在该层的能量没有透声层敏感，同时该区域的组织体积相对较大，对超声能量的散失也是有着比较好的作用。因为该层的能量散失相对较慢，所以反射层的厚度相对较厚。如果仿生层的厚度小于4cm，则由于反射层模拟的组织是肌肉层，反射层厚度太小，有可能会把一些能量信息遗漏，使模拟效果不佳；如果仿生层的厚度大于8cm，则反射层过厚，不符合人体特质，有可能把过多的能量吸收而影响超声聚焦过程能量检测。

反射层3的材质为基于蛋清的N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺凝胶体。该胶体以蛋清为组织变性的评价手段。使用时，反射层主要用于模拟在声通道的中下部位的能量变化情况，测试超声在作用于焦点靶区时所产生的反射声波作用情况以及观察在焦点位置周围的能量变化情况。因为声通道上的介质相对均匀，能量传递以及能量累积位置与能量大小基本上是相同的，因此当特定区域出现持续高的温度的时候，仿生体就能发生由于凝固性坏死而产生的变白，所以只要确保反射层没有出现凝固性坏死可以证明超声聚焦在该区域的温度或者是能量是安全的，不会对生物组织产生不可逆的损伤。

耦合层4的厚度为3～5cm。耦合层的主要目的是衡量二次反射后的声波能量对超声聚焦治疗声通道中的组织损伤程度，以及使得超声聚焦通过的路径累积最好达到9cm～15cm。反射层以及透声层的总厚度没有达到这个标准，因此需要补充超声路径中的仿生体厚度，该仿生体为纯的N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺凝胶，不包括蛋白质衡量质。如果耦合层的厚度小于3cm，则超声聚焦通过的路径累积没有达到9cm～15cm，使效果变差；如果耦合层的厚度大于5cm，则不符合超声传递过程中经过组织的厚度，也会使效果变差。

耦合层4的材质为生物水凝胶。该生物水凝胶具备高透声效果。耦合层的主要目的是衡量二次反射后的声波能量对超声聚焦治疗声通道中的组织损伤程度，使用时，该耦合层靠近超声聚焦焦点位置，因此耦合层需要的温变温度较透声层要高一些，可能达到60摄氏度的时候才会发生凝固性坏死变化。同时该耦合层的作用是更加真实地模拟人体治疗过程中的超声波传递路径以及能量层。

在本申请一优选的实施例中，透声层1、薄膜层2、反射层3和耦合层4的形状分别为圆形，该圆形的直径为15～20cm，即每层的直径为15～20cm。仿生体用于模拟组织包膜(主要是薄膜层模拟)，需要结合包膜的厚度以及声参数，如密度、透声性、声阻抗等参数综合考虑每层的直径，小于或大于该直径范围都会影响模拟包膜的信息的反馈。当然，本申请并不以此为限，该透声层1、薄膜层2、反射层3和耦合层4的形状也可以为正方形、长方形或者其他合适的形状，此时，该形状的边长为15～20cm。

由于超声聚焦声通道的形状一般为圆锥形，因此，在本申请一优选的实施例中，仿生体从透声层1到耦合层4的直径逐渐减小。当仿生体的每层为圆形时，该仿生体的形状也呈圆台形。仿生体的这种形状在有效模拟超声聚焦治疗肿瘤时超声所经过的通道信息的情况下，还能够节约材料。

为了便于在存放和携带时固定该仿生体，并使仿生体的每层之间隔绝空气，在一优选的实施例中，该仿生体还包括凝胶包裹层5。如图2所示，为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体的结构示意图二。透声层1、薄膜层2、反射层3和耦合层4设置在凝胶包裹层5内。凝胶包裹层5的厚度为5～10mm。使用该仿生体时，将凝胶包裹层去除即可。

本实用新型实施例在制备该仿生体过程中主要是实现仿生水凝胶的制备，在透声层以及反射层中根据需要添加不同的蛋白质原液，调节各个层面的pH值即可。具体地，本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体的制备方法如下：

一、制备透声层，具体步骤如下：

1、按需取各试剂与仪器至实验台；

2、取5个透明的一次性塑料杯按顺序摆置；

3、按剂量需要分别称量定量醋酸(10～15ml)、牛血清白蛋白(6～10g)、丙烯酰胺(15～20g)、甲叉双丙烯酰胺(1～2g)至各个塑料杯中，加入适量的去气水搅拌溶解制备反应原液，其中牛血清白蛋白溶液制备需要按照特定的搅拌工艺，该工艺主要包括试剂加入顺序以及试剂添加时机，以及搅拌方式、搅拌方向等。上述混合液制备完毕后按照牛血清白蛋白、醋酸、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺这样的顺序加入到反应器里面，再适量添加去气水，充分混匀后(至无颗粒状试剂悬浮)，再加入适量去汽水约至385ml得到反应原液，该过程中搅拌棒靠近玻璃杯璧位置开始按照逆时针的方向，以每圈约5s的速度进行搅拌，搅拌30s后，静置20s再按照顺时针搅拌，速度提升至3s每圈，搅拌约10s后静置即可；

4、取适量反应原液测试其pH值，判断pH值是否在4～5的范围内，如不符合，则添加适量的醋酸溶液调节其pH值直到符合要求；

5、将反应原液定量(约390ml～410ml)添加到120*120*50mm的成型容器中；

6、取定量的N,N,N',N'-四甲基二乙胺(TEMED)溶液于步骤5的反应原液中，稍微搅拌至均匀，再添加适量的过硫酸铵溶液，适当顺时针搅拌，至充分溶解；

7、室温下静置后约15秒后自然凝固成仿组织透明体模；

8、10分钟后使用溶解氯化钠溶液的去气水水洗该仿组织透明体模表面，抖动成型容器，使得该仿组织透明体模剥离成型容器中，将透明的仿组织透明体模置于去气水中静置即得到透声层。

该透声层为生物共聚水凝胶。聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)水凝胶中的丙烯酰胺(Acrylamide，AAm)与N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)的摩尔比例，与P(NIPA-CO-AA)水凝胶的较低临界溶解温度(Lower critical solution temperature，LCST)，即体积相变温度直接相关。本实用新型通过AAm和NIPA的不同比例合成的水凝胶LCST测试，找到了适合作为超声声通道仿组织体模的配比。

二、制备薄膜层：

1、混合作为温度显示剂的牛血清白蛋白(BSA)和聚丙烯酰胺凝胶(PAG)；

2、通过柠檬酸缓冲液将上述混合液的pH调节至4.3～4.7范围内得到用于该薄膜层的仿组织体模；

3、测定仿组织体模的透光度、吸光率、密度、导电率和比热等参散，并用恒温水浴进行温变性测试。

该薄膜层是一种生物温变型基体透声层载体，可选在特定温度下发生凝固性变形的生物蛋白质为载体，该可视化仿组织体模与生物组织热凝固温度相似。

三、制备反射层，具体步骤如下：

1、按需取各试剂与仪器至实验台；

2、取5个透明的一次性塑料杯按顺序摆置；

3、按剂量需要分别称量定量醋酸(10～15ml)、三只鸡蛋的蛋清、丙烯酰胺(15～20g)、甲叉双丙烯酰胺(1～2g)至各个塑料杯中，加入适量的去气水搅拌溶解制备反应原液，其中鸡蛋清溶液制备需要按照特定的搅拌工艺，该工艺主要包括试剂加入顺序以及试剂添加时机，以及搅拌方式、搅拌方向等。上述液体制备完毕后按照三只鸡蛋的蛋清、醋酸、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺这样的顺序加入到反应器里面。再适量添加去气水，充分混匀后(至无颗粒状试剂悬浮)，再加入适量去汽水约至385ml得到反应原液，该过程中搅拌棒靠近玻璃杯璧位置开始按照逆时针的方向，以每圈约5s的速度进行搅拌，搅拌30s后，静置20s再按照顺时针搅拌，速度提升至3s每圈，搅拌约10s后静置即可；

4、取适量反应原液测试其pH值，判断pH值是否在4～5的范围内，如不符合，则添加适量的醋酸溶液调节其pH值直到符合要求；

5、将反应原液定量(约390ml～410ml)添加到120*120*50mm的成型容器中；

6、取定量的TEMED溶液于步骤5的反应原液中，稍微搅拌至均匀，再添加适量的过硫酸铵溶液，适当顺时针搅拌，至充分溶解；

7、室温下静置后约20秒后自然凝固成仿组织透明体模。

8、10分钟后使用溶解氯化钠溶液的去气水水洗该仿组织透明体模表面，抖动成型容器，使得仿组织透明体模剥离成型容器中，将透明的仿组织透明体模置于去气水中静置得到反射层。

反射层是一种生物温变型基体反射层载体。因为透声层的温变性相对来说要比反射层敏感，因此在制备反射层的过程中需要通过调节溶液的生物pH值来改变蛋白质发生变性的温度界限，通过增加酸性物质降低pH值，实现与透声层的区分，其制作采用的蛋白质载体是蛋白清。

四、再次是制备耦合层，具体步骤如下：

1、按需取各试剂与仪器至实验台；

2、取5个透明的一次性塑料杯按顺序摆置；

3、按剂量需要分别称量定量丙烯酰胺(15～20g)、甲叉双丙烯酰胺(1～2g)至各个塑料杯中，加入适量的去气水搅拌溶解，充分混匀后(至无颗粒状试剂悬浮)，再加入适量去气水约至380ml得到反应原液；

4、将反应原液定量(约390ml～410ml)添加到120*120*50mm的成型容器中；

5、取定量的TEMED溶液于步骤4的反应原液中，稍微搅拌至均匀，再添加适量的过硫酸铵溶液，适当顺时针搅拌，至充分溶解；

6、室温下静置约20秒后自然凝固成仿组织透明体模；

7、10分钟后使用溶解氯化钠溶液的去气水水洗该仿组织透明体模表面，抖动成型容器，使得仿组织透明体模剥离成型容器中，将透明的仿组织透明体模置于去气水中静置得到偶合层。

五、制备凝胶成型反应原液，具体步骤如下：

1、按需取各试剂与仪器至实验台；

2、取5个透明的一次性塑料杯按顺序摆置；

3、按剂量需要分别称量定量丙烯酰胺(15～20g)、甲叉双丙烯酰胺(1～2g)至各个塑料杯中，加入适量的去气水搅拌溶解，充分混匀后(至无颗粒状试剂悬浮)，再加入适量去气水约至380ml得到凝胶成型反应原液，该凝胶成型反应原液是一种超声聚焦耦合反应原液。

六、仿生体整体制备，具体步骤如下：

1、选取仿生体最终成型容器，尺寸为150*150*100mm；

2、取耦合层仿生体固体凝胶置于底部；

3、然后放置反射层仿生凝胶叠加在耦合层凝胶上部；

4、铺设尺寸为120*120的薄膜层于反射层上部；

5、再放置透声层水凝胶固体于薄膜上方；

6、使用玻璃棒调整三块水凝胶以及薄膜位置使得尽可能对齐；

7、加入凝胶成型反应原液于最终成型器中直至完全浸没三层固体的水凝胶以上约1cm；。

8、取定量的TEMED溶液于混合液中，稍微搅拌至均匀，再添加适量的过硫酸铵溶液，适当顺时针搅拌，至充分溶解；

9、室温下静置约20秒后自然凝固成本申请的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，该仿生体具有由凝胶成型反应原液凝固后形成的凝胶包裹层，该仿生体的中间没有空气或者隔层。

如图3所示，为本实用新型实施例的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体使用时的示意图。

使用该仿生体时，超声聚焦换能器6插入到该仿生体中，该仿生体的透声层1靠近超声聚焦换能器的最上方，该仿生体的耦合层4靠近超声聚焦换能器的最下方的焦点61。

综上所述，该仿生体为一种温度敏感性记忆型水凝胶作为智能型超声体模，可以用于超声聚焦声场研究、超声聚焦安全性评估、超声聚焦能量观察、超声聚焦疗效评估架构和超声透声窗的技术领域，通过对仿生体的体积相变温度的调控，各种声学、热学参数的检测，以及在HIFU中效应的初步检测，表明该仿生体具有用于超声换能器聚焦性能评价，计量超声治疗剂量等方面的可行性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：包括依次层叠设置的透声层、薄膜层、反射层和耦合层。

2.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述透声层的厚度为2～3cm。

3.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述薄膜层的厚度为0.08～0.12mm。

4.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述反射层的厚度为4～8cm。

5.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述耦合层的厚度为3～5cm。

6.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述透声层、所述薄膜层、所述反射层和所述耦合层的形状分别为圆形，所述圆形的直径为15～20cm。

7.如权利要求6所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述仿生体从所述透声层到所述耦合层的直径逐渐减小，形成圆台体。

8.如权利要求1所述用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于，还包括：凝胶包裹层，所述透声层、所述薄膜层、所述反射层和所述耦合层设置在所述凝胶包裹层内。

9.如权利要求8所述的用于超声聚焦声通道性能评估的仿生体，其特征在于：所述凝胶包裹层的厚度为5～10mm。