TWI454247B - 同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統及其方法 - Google Patents

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Description

同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統及其方法
本發明與一種監控超音波導引藥物傳輸機制的系統有關，特別是有關於一種能夠同步監控病灶區域中藥物滲透量之超音波導引藥物傳輸機制的系統及其方法。
在目前的醫療科技上，將藥物直接送到病灶區域而不經過消化系統跟肝臟的新陳代謝，以維持血液中藥物的一定濃度，達到長時間持續給予藥物的效果等，向來都是受到關注的研究議題。然而，將藥物直接傳送至病灶區域往往遭遇到許多困難。
舉例來說，若是將藥物直接送至腦中以求治療腦病變來看，由於血管和腦之間有一種選擇性阻止某些物質由血管進入腦的屏障，稱之為血腦屏障(Blood-Brain Barrire,BBB)，導致很多有效的藥物均無法通過血腦屏障而被直接送至大腦。雖然，許多研究都朝向克服血腦屏障以將藥物直接傳送至大腦的中樞神經系統發展，例如：增加藥物的親水性或是利用氨基酸做為藥物的載體，但這些方法無法實際應用於臨床醫學上。
近來，脈衝聚焦式超音波裝置被利用解決上述習知技藝中所遇到的困難。脈衝聚焦式超音波裝置能以非侵入方式暫時開啟特定區域的血腦屏障，達到增加藥物輸送的效果。
更進一步地，有研究指出在脈衝聚焦式超音波裝置導入之前先注入微氣泡至血液中來作為超音波顯影劑，能夠大大地提升了藥物傳輸的效能。請參考第一圖，其繪示習知技術中超音波顯影劑濃度與藥物滲透量的關係圖。如圖所示，當超音波顯影劑的濃度提高時，藥物滲透量也按隨著提高，其間係呈現一正比關係。
另外，不少研究也開始利用對比影像來偵測脈衝聚焦式超音波裝置在藥物傳送上的效用，後續更進一步出現了以都卜勒超音波裝置準確得知動脈血管的位置並量測其血流速度等技術。
然而，利用上述方法雖能得知脈衝聚焦式超音波裝置大幅改善了藥物傳輸的效果，但是關於藥物是否準確進入目標區域，又或者藥物由血管釋放到組織的濃度為何等問題，均無法經由上述習知技藝獲得解決。
再者，若要量測藥物由血管釋放到組織的濃度，必須等到脈衝聚焦式超音波裝置打完後，注射磁振造影顯影劑再以磁振造影裝置進行掃瞄檢測，實務操作上十分不便且價格昂貴，亦未能及時反應藥物釋放的狀況。
有鑑於此，為了有效解決上述問題，本發明提供一種同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統及其方法，用以即時監控病灶區域中藥物的滲透量，來確保藥物於病灶區域所能發揮的效用。
本發明之一範疇在於一種用於同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統，用以同步監控超音波導引藥物傳輸機制，其中超音波藥物傳輸機制利用第一超音波裝置發射第一超音波信號於目標區域之血管，使藥物通過血管而進入病灶區域。
於本發明之一具體實施例中，上述同步監控超音波導引藥物機制的系統至少包含一第二超音波裝置與一程式。其中，第二超音波裝置包含有一探頭，探頭發射第二超音波信號於血管以量測其內之複數個血流資訊。程式被載入於第二超音波裝置，該程式收集該些血流資訊並將該些血流資訊帶入第一計算式計算出藥物於病灶區域之滲透量。
於本發明之一具體實施例中，該些血流資訊包含平均血流速度、收縮峰期值血流速度與舒張血流速度。
於本發明之一具體實施例中，該程式將收縮峰期值血流速度與舒張血流速度帶入第二計算式計算出搏動指數，第二計算式為收縮峰期值血流速度與舒張血流速度的差值除以平均血流速度。
於本發明之一具體實施例中，第一計算式為Y=-aX+bZ+C，其中Y為藥物於病灶區域之滲透量，X為收縮峰期值血流速度之標準化變化量，Z為搏動指數之標準化變化量。
於本發明之一具體實施例中，收縮峰期值血流速度之變化量以及搏動指數之變化量係透過將第二超音波裝置量測第一超音波裝置發射第一超音波信號至血管前後的收縮峰期值血流速度與搏動指數標準化而得。
於本發明之一具體實施例中，超音波藥物傳輸機制更包含一超音波顯影劑，超音波顯影劑結合第一超音波裝置被注入至血管。
於本發明之一具體實施例中，超音波顯影劑的濃度與藥物由血管滲透到組織的濃度成正比，收縮峰期值血流速度之變化量與超音波顯影劑的濃度成反比，而搏動指數之變化量與超音波顯影劑的濃度成正比。
本發明之另一範疇在於一種同步監控超音波導引藥物傳輸的方法，用以同步監控超音波導引藥物傳輸機制，其中超音波藥物傳輸機制利用第一超音波裝置發射第一超音波信號於目標區域之血管，使藥物通過血管而進入病灶區域。
於本發明之一具體實施例中，上述同步監控超音波導引藥物傳輸的方法至少包含下列步驟：首先，提供一第二超音波裝置，第二超音波裝置具有一探頭，並載入一程式至第二超音波裝置。接著，第二超音波裝置之探頭發射第二超音波信號於血管以量測其內之複數個血流資訊。隨後，該程式收集該些血流資訊，並將該些血流資訊帶入第一計算式計算出藥物於病灶區域之滲透量。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參考第二圖，此圖顯示了根據本發明之一實施例所提供之同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統之示意圖。本發明所提供之同步監控系統係用以同步監控超音波導引藥物傳輸機制，其中超音波藥物傳輸機制係利用第一超音波裝置10發射第一超音波信號於目標區域20之血管30，使藥物(未圖示)通過血管30而進入病灶區域40。
如圖所示，本發明之同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統至少包含一第二超音波裝置與一程式。其中，第二超音波裝置50包含有第二探頭51，第二探頭51發射第二超音波信號於血管30以量測其內之複數個血流資訊。程式被載入於第二超音波裝置50，該程式收集該些血流資訊並將該些血流資訊帶入第一計算式計算出藥物於病灶區域40之滲透量。
於一較佳實施例中，第一超音波裝置10為一脈衝聚焦式超音波裝置(Pulsed High-Intensity Focused Ultrasound,Pulsed-HIFU)，其直徑64mm，曲率半徑62.64mm，且共振頻率為1MHz，但上述儀器的參數值僅為一舉例說明，本發明並不欲以此為限。另外，於較佳實施例中，第二超音波裝置50為一都卜勒超音波裝置(Doppler Ultrasound)，更佳地為一脈衝波都卜勒超音波裝置(Pulsed-wave Doppler Ultrasound system)。然而，本發明並不欲以此為限，亦即其他能達到相同目的之超音波裝置亦能應用於本發明。
至於上述複數個血流資訊係則包含一平均血流速度(Mean Velocity，簡稱MV)、一收縮峰期值血流速度(Peak Systolic Velocity,簡稱PSV)與一舒張血流速度(Diastolic Velocity,簡稱DV)。
承上述，根據第二圖，先簡述超音波導引藥物傳輸機制如后：其中，第一超音波裝置10包含一信號產生器11、一功率放大器12、一功率測量器13與一第一探頭14。其中，第一探頭14係設置於一可拆之錐15上，錐15內充填有已去除氣泡的水且其尖端係以一PE膜16密封，而聚焦深度設定在錐15尖端下方5mm處，但本發明並不欲以此為限。而第一探頭14係固定於一可三維運動的可拆裝置17上，使第一探頭14可進行三維方向的定位。
如圖所示，信號產生器11連接功率放大器12，用以放大信號產生器11所產生之第一超音波信號。接著，再經由一電子適配網路將上述放大後的第一超音波信號傳遞至第一探頭14。最後，經由第一探頭14發射出第一超音波信號至目標區域20之血管30，使藥物通過血管30至病灶區域40。
下述則以老鼠為活體實驗對象為一具體實施例來說明，首先將老鼠腹部的主動脈暴露於第一超音波裝置10發射之第一超音波信號下，而第一超音波裝置10的工作週期可設定為5%，重複頻率為1MHz，而每隻老鼠的超音波震盪時間為6秒。然而，需注意的是，此處所設定之參數均為舉例說明，本發明並不欲以此為限。接著，施予每隻老鼠不同劑量的超音波顯影劑，例如：0μL/kg,150μL/kg,300μL/kg或是450μL/kg。至於超音波顯影劑的功用已描述如前文，在此不再贅述。另外，超音波顯影劑於較佳實施例中為微氣泡。
請繼續參考第二圖，為了確認第一超音波裝置10所施打的位置是否正確，並同步監控經由第一超音波裝置10導引藥物進入病灶區域的滲透量，本發明採用加設第二超音波裝置50。如前述，於較佳實施例中，第二超音波裝置50為一都卜勒超音波裝置，更佳地為一脈衝波都卜勒超音波裝置，且為一彩色都卜勒超音波裝置。另外，在此實驗中，第二超音波裝置50的第二探頭51發射的第二超音波信號與血管間的夾角較佳為不超過60度。
接著，當第二探頭51發射第二超音波信號於血管30後，便能直接量測到血管內的MV、PSV。其中，第二超音波裝置50可以在老鼠的血管30暴露於第一超音波裝置10之第一超音波信號前，以及不同的超音波顯影劑劑量下，量測血管30內的初始值MV0 、PSV0 與DV0 。然後，在老鼠的血管30暴露於第一超音波裝置10的第一超音波信號後，量測當下血管30內的MV、PSV與DV。
此時，載入於第二超音波裝置50上的該程式，便可將第二超音波裝置50所測得的MV0 、PSV0 與DV0 帶入計算式PI0 =(PSV0 -DV0 )/MV0 中計算出PI0 ，而PI亦可經由將MV、PSV與DV帶入上述計算式計算出。
接著，該程式會進一步將上述第二超音波裝置50所測得的PSV0 、PSV數值進行標準化(Normalize)，亦即利用計算式(PSV-PSV0 )/PSV0 計算出PSV標準化變化量。最後，如第三A圖所示，圖中橫軸為超音波顯影記的濃度，縱軸為PSV標準化變化量，由圖可以得知PSV標準化變化量與超音波顯影劑的濃度成一反比關係。
同時，該程式亦會將PI0 、PI數值進行標準化，亦即利用計算式(PI-PI0 )/PI0 計算出PI標準化變化量。最後，如第三B圖所示，圖中橫軸為超音波顯影記的濃度，縱軸為PI標準化變化量，由圖可以得知PI標準化變化量與超音波顯影劑的濃度成一正比關係。
據此，根據第一圖、第三A至三B圖可得知超音波顯影劑的濃度、藥物滲透量、PSV標準化變化量與PI標準化變化量之間的關係，進而利用計算式Y=-aX+bZ+C來計算出藥物滲透量，其中Y為藥物於病灶區域之滲透量，X為PSV標準化變化量，Z為PI標準化變化量。換句話來說，該程式測得該些數值後，便會於X帶入PSV標準化變化量數值，於Z帶入PI標準化變化量數值，進而計算出藥物滲透量Y。
根據本發明所提供之同步監控超音波導引藥物傳輸的系統，由於第二超音波裝置50可於第一超音波裝置10施打間，同步量測血管內30的多種血流資訊，並經由載入於第二超音波裝置50上的程式計算得出藥物滲透量，故能即時地監控在病灶區域中藥物的滲透情形。
接著，請參考第四圖，此圖顯示了根據本發明之一實施例所提供之同步監控超音波導引藥物傳輸機制的方法之流程示意圖。其步驟包含：首先，提供一第二超音波裝置，第二超音波裝置具有一探頭(S200)，並載入一程式至第二超音波裝置(S202)。接著，第二超音波裝置之探頭發射第二超音波信號於血管以量測其內之複數個血流資訊(S204)。隨後，該程式收集該些血流資訊(S206)，並將該些血流資訊帶入第一計算式計算出藥物於病灶區域之滲透量(S208)。
另外，本發明所提供之同步監控方法更包含下列步驟S2071：該程式將PSV與DV帶入一第二計算式(PSV-DV)/MV：將該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度的差值除以該平均血流速度，即可計算出PI值。
需說明的是，前述第二超音波裝置之探頭發射第二超音波信號於血管以量測其內之複數個血流資訊的步驟(S204)可於第一超音波裝置發射第一超音波信號於血管前先執行，以測得PSV0 與PI0 。同時，該步驟(S204)亦可於第一超音波裝置發射第一超音波信號於血管後執行，以測得PSV與PI。
因此，本發明所提供之同步監控方法，更包含：將第二超音波裝置於第一超音波裝置發射第一超音波信號至血管的步驟前後所量測到之收縮峰期值血流速度以及搏動指數(S2072)標準化，以得到PSV標準化變化量與PI標準化變化量(S2073)。最後，該程式再將上述PSV標準化變化量數值與PI標準化變化量數值帶入前述計算式Y=-aX+bZ+C來計算出藥物滲透量變化。其中Y即為藥物滲透量，X為PSV標準化變化量，Z為PI標準化變化量，而在本發明所述方法實施之前可先分別將四組藥物滲透量、PSV標準化變化量以及藥物滲透量以及PI標準化變化量數值帶入上述計算式中，便可得出係數a、b以及常數C。
進一步來說，在實施本發明所述方法之前，可藉由施打四種不同已知的劑量到小鼠中，再透過第一圖得到不同劑量所對應到之藥物滲透量，同時測量施打不同劑量之小鼠的平均血流速度(MV)、收縮峰期值血流速度(PSV)及舒張血流速度(DV)並算出PI，再將前述所得之藥物滲透量(Y)、測得之PSV標準變化量(X)及算出之PI標準變化量帶入Y=-aX+bZ+C，最後算出常數a、b和C。而常數a、b和C可儲存於本案之第二超音波裝置之一儲存單元或另一獨立之儲存裝置中。另外，在此同步監控超音波導引藥物傳輸之方法中，雖未圖示，但更包含一注入一超音波顯影劑至血管的步驟，其相關功能亦已述於前文，在此不再贅述。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。對所屬技術領域中具有通常知識者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統
10．．．第一超音波裝置
11．．．信號產生器
12．．．功率放大器
13．．．功率測量器
14．．．第一探頭
15．．．錐
16．．．PE膜
17．．．可拆裝置
20．．．目標區域
30．．．血管
40．．．病灶區域
50．．．第二超音波裝置
51．．．第二探頭
S200~208．．．同步監控超音波導引藥物傳輸機制的步驟
第一圖係為習知技術中超音波顯影劑濃度與藥物滲透量的關係圖；
第二圖係為本發明之一實施例之同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統示意圖；
第三A圖係為本發明之一實施例之超音波顯影劑濃度與收縮峰期值血流速度之標準化變化量的關係圖；
第三B圖係為本發明之一實施例之超音波顯影劑濃度與搏動指數之標準化變化量的關係圖；以及
第四圖係為本發明之一實施例之同步監控超音波導引藥物傳輸機制的方法流程示意圖。

Claims (9)

  1. 一種用於同步監控超音波導引藥物傳輸機制的系統，用以同步監控一超音波導引藥物傳輸機制，其中該超音波藥物傳輸機制利用一第一超音波裝置發射一第一超音波信號於一目標區域之一血管，導引一藥物通過該血管而進入一病灶區域，該系統至少包含：一第二超音波裝置，包含有一探頭，該探頭發射一第二超音波信號於該血管以量測其內之一平均血流速度、一收縮峰期值血流速度與一舒張血流速度；以及一程式，載入於該第二超音波裝置，該程式收集該平均血流速度、該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度，係以該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度的差值除以該平均血流速度計算出一搏動指數，在一Y=-aX+bZ+C計算式中，帶入該藥物之二滲透係數a、b以及一滲透常數C，計算出該藥物於該病灶區域之一滲透量，其中Y為該藥物於該病灶區域之該滲透量，X為該收縮峰期值血流速度之標準化變化量，Z為該搏動指數之標準化變化量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該收縮峰期值血流速度之標準化變化量以及該搏動指數之標準化變化量，係透過將該第二超音波裝置量測該第一超音波裝置發射該第一超音波信號至該血管前後的該收縮峰期值血流速度與該搏動指數標準化而得。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該血管中具有一超音波顯影劑。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該超音波顯影劑的濃度與藥物由血管滲透到組織的濃度成正比，該收縮峰期值血流速度之標 準化變化量與該超音波顯影劑的濃度成反比，而該搏動指數之標準化變化量與該超音波顯影劑的濃度成正比。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，該第一超音波裝置為一脈衝聚焦式超音波裝置，而該第二超音波裝置為一都卜勒超音波裝置。
  6. 一種用於同步監控超音波導引藥物傳輸機制的方法，用以同步監控一超音波導引藥物傳輸機制：提供一第一超音波裝置，發射一第一超音波信號於一目標區域之一血管，導引一藥物通過該血管；提供一第二超音波裝置，該第二超音波裝置具有一探頭；該第二超音波裝置之該探頭發射一第二超音波信號於該血管以量測其內之一平均血流速度、一收縮峰期值血流速度與一舒張血流速度；收集該平均血流速度、該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度；將該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度的差值除以該平均血流速度計算出一搏動指數；以及在一Y=-aX+bZ+C計算式中，帶入該藥物之二滲透係數a、b以及一滲透常數C，計算出該藥物於該病灶區域之一滲透量，其中Y為該藥物於該病灶區域之該滲透量，X為該收縮峰期值血流速度之標準化變化量，Z為該搏動指數之標準化變化量。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第二超音波裝置量測該平均血流速度、該收縮峰期值血流速度與該舒張血流速度的步驟可重複施行於該第一超音波裝置發射該第一超音波信號於該目標區域之該血管的步驟前後。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含下列步驟：將該第二超音波裝置於該第一超音波裝置發射該第一超音波信號至該血管的步驟前後所量測到之該收縮峰期值血流速度以及該搏動指數標準化；以及得到該收縮峰期值血流速度之標準化變化量與該搏動指數之標準化變化量。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含下列步驟：其中該血管中具有一超音波顯影劑。
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