促进药物透过血脑屏障的适型超声系统 技术领域：
本发明涉及医疗器械领域，确切地说一种促进药物透过血脑屏障的适型超声系统。
背景技术：
以下从国内研究现状和国外研究现状两部分来说明与本发明相关的现有技术。
国内在跨血脑屏障药物传递研究中有代表性的如第四军医大学唐都医院刘强等对蛋白转导介导的大分子蛋白通过血脑屏障作用及其在脑组织中分布进行的研究(中国现代医学杂志，2003，3(5)：33-35)，第一军医大学陈祎招对高温对血脑屏障内皮细胞间紧密连接的影响及其分子机制进行的研究，河北以岭医药研究院赵保胜等探讨了冰片促血脑屏障开放的生理作用，兰州医学院对甘露醇诱导大鼠血脑屏障开放进行的研究等。
关于超声跨血脑屏障大分子药物传递的研究国内未见报道。但台湾Win-Li Lin等人进行的聚焦超声高温脑肿瘤治疗的研究证明，在合适的超声窗口大小、优化的频率和功率下可使颅骨的声衰减最小，热堆积最小，到达应用部位的声能最大。在0.6-1.2MHz的频率段是超声穿过颅骨的比较理想的频率，其声能衰减在52-16Np/m。研究结果说明超声可透过颅骨用于脑部疾病的治疗。
国外在这方面的研究也只是刚刚起步。有关的几篇报道仅限于超声对体外血脑屏障血管内皮细胞通透性、药物摄入量，以及协同作用的研究。比较有代表性的是2001年美国哈佛大学医学院的Kullervo Hynynen博士用0.2W到11.5W的聚焦脉冲超声进行了打开兔的血脑屏障的试验研究，用造影剂和核磁成像对结果进行了观察，在目标部位显示出有造影剂沉积，在低功率下无脑组织的损伤，得出了在造影剂下超声可以打开血脑屏障的结论。2002年美国科罗拉多卫生科学中心大学药学院的Cho C教授利用单层小牛脑血管内皮细胞，对超声微热效应增强血脑屏障的通透性以及血管内皮细胞的药物摄入进行了体外评估，超声能增强血脑屏障血管内皮细胞的药物摄入量，并能增加P糖蛋白(PSC 833)通透血脑屏障的能力，结果显示超声是一个潜在可逆且无损伤的增加血脑屏障通透性的方法。2003年美国华盛顿大学应用物理实验室Mesiwala等人的研究表明，高强度聚焦超声能打开血脑屏障而不损伤脑结构，在72小时后可以自行修复。2005年，Hynynen等人用适于透过颅骨的低频超声对活体兔脑进行了研究，分析了更多的生物学数据，进一步证实了低频超声对打开血脑屏障的有效而可控的作用，但是该实验是在打开的颅骨骨窗上进行的，他的研究尚未涉及到低频超声穿过颅骨准确聚焦的技术，以及对超声穿过颅骨时的热堆积和因而产生的对头部皮肤及邻近颅骨内脑组织的影响。
总之，目前国外的相关研究仍处在物理化学现象观察，以及跨血脑屏障药物传递的机理研究的初步阶段，没有完整系统的相关研究报道，特别是对颅骨超声传递过程中各种参数和热堆积问题，用于此项研究的超声阵列及控制参数等问题都还未涉及。
发明内容：
本发明针对现有促进药物透过血脑屏障方法中存在的问题，提供了一种有效促进药物透过血脑屏障的适型超声系统，利用本系统可以通过调节超声的幅度大小调控血脑屏障开放的程度，通过调整超声的相位延时实现聚焦超声束打开特定部位的血脑屏障。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：促进药物透过血脑屏障的适型超声系统，主要是由中央计算机1和相控阵超声发射装置7组成，相控阵超声发射装置7由中央计算机1监控；
所述相控阵超声发射装置7由若干超声发射单元构成，所述超声发射单元由单片机系统2、高频激励单元3、功率放大器4、耦合单元5和相控阵压电阵元6连接组成，单片机系统2控制高频激励单元3合成高频正弦波或高频方波，高频正弦波或高频方波经过功率放大器4放大功率，通过耦合单元5驱动包含压电晶体的相控阵压电阵元6发射超声；
所述中央计算机1将超声辐射治疗参数通过无线传输给单片机系统2，控制相控阵超声发射装置7产生焦点位置、功率大小、焦斑大小、辐射时间可调的超声，通过中央计算机1实现治疗过程中地信息传输与中央控制。
本促进药物透过血脑屏障系统，还包括核磁共振成像辅助系统9，所述核磁共振成像辅助系统9包含MRI发射装置、MRI接收装置和MRI信号处理及成像三部分，将脑部空间位置信息和脑部功能成像信息，传输给中央计算机1，用于前期脑部病灶的定位，以及后期治疗效果的检查。
本促进药物透过血脑屏障系统，还包括相控阵超声发射装置7的驱动器8，中央计算机1通过控制相控阵超声发射装置7的驱动器8移动相控阵超声发射装置7到适当位置进行辐射。
本促进药物透过血脑屏障系统，还包括一个循环水袋12，相控阵超声发射装置7与大脑间通过循环水袋12耦合，减少超声的衰减。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的高频正弦波是通过数字频率合成器或LC自激震荡电路产生。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的高频方波是通过数字频率合成器产生。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的耦合单元5为电容耦合单元或变压器耦合单元。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的相控阵超声发射装置7外形是一个球冠，所述超声发射单元位于该球冠球面距离均匀间隔的同心圆上，在每一圈同心圆的球冠内侧均匀分布，共16圈，设最内的圆为第1圈，最外的圆为第16圈，则第N圈同心圆的球冠内侧均匀分布4*N个超声发射单元，最外一圈同心圆上取32个超声发射单元，总共512个超声发射单元。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的循环水袋12输出端与除气设备10、控温设备11连接，以消除水袋内因超声空化而产生的气泡和控制水袋内的温度。
本促进药物透过血脑屏障系统中所述的发射超声辐射参数为：频率1-2MHZ，声强1-5W/cm2，辐射能量10-20W，脉宽100ms，时间10-30s。
本发明采用的超声是一种适合脑部形状的、可聚焦、512阵元相控阵超声发射装置产生的，超声的频率为1-2MHz，功率可控制在10-20W，辐射时间10-30s，通过单片机系统对压电阵元采用不同延时时间激励，可使部分阵元超声波在指定治疗区域的相位相同，则在该区域获得允许范围内的最优功率，导致血脑屏障开放。此外，在研究中观察未发现辐射剂量范围内的超声对脑部组织的明显损伤效应；并且通过相控阵聚焦超声局部增强辐射这一特点，可以控制血脑屏障的开放部位，避免以往方法中致血脑屏障广泛性开放时对正常脑组织的损害。
上述促进药物透过血脑屏障系统，中央计算机通过核磁共振成像辅助系统获得脑部病灶空间位置和相控阵阵元发射空间位置后，中央计算机计算出各个阵元与病灶间的空间距离；再通过中央计算机转换成各阵元对应的相位延时参数，以使到达病灶部位的超声具有最优功率。使用时在计算机上调控辐射参数简单易行。可以克服前述现有技术中所存在的不足，比如通过相控阵超声发射装置能使颅骨最大限度减低对超声衰减的影响，并且可以实现局部区域打开血脑屏障；通过循环水袋在一定程度上解决热堆积问题。所以通过本装置辐射超声达到促进血脑屏障开放的效果的同时，不会造成全脑血脑屏障广泛开放引起的副作用及热效应对正常脑细胞的损伤。辐射焦点、辐射量、辐射时间的可调性便于针对不同疾病、适应不同患者，对于因血脑屏障引起的药物无法浓集于病灶而阻碍治疗的中枢神经系统疾病，其优越性更显突出。通过实验证实本装置中所选用的相控阵超声辐射法确实可以有效地促进脑部指定区域的血脑屏障出现无创、安全、可控、可逆地开放。
【附图说明】
图1为本发明实施例中超声系统的基本结构图；
图2为本发明实施例中超声系统的作用方式图；
图3为本发明实施例中相控阵超声发射装置外形示意图；
图4是65×65阵元阵列相控聚焦波束分布图，图a和图b是采用两种延时得到的聚焦情况，两幅图的峰值位置明显不同，即两者的聚焦部位不同；
图5是S180细胞在功率0.7W/cm2，8min的超声作用下，基因传递后的扫描电镜分析结果。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1，促进药物透过血脑屏障系统的组成及作用方式
如图1所示，促进药物透过血脑屏障的适型超声系统主要由中央计算机1和相控阵超声发射装置7组成，相控阵超声发射装置7是由512个超声发射单元构成，每个超声发射单元由单片机系统2、高频激励单元3、功率放大器4、耦合单元5和相控阵压电阵元6连接组成。单片机系统2控制高频激励单元3合成高频正弦波或高频方波，高频正弦波或高频方波可以通过数字频率合成器产生，也可以通过LC自激震荡电路产生，经过功率放大器4把高频正弦波或高频方波功率放大，通过耦合单元5驱动包含压电晶体的相控阵压电阵元6发射超声，耦合单元5可以通过电容耦合实现，也可以通过变压器耦合实现；
中央计算机1将超声辐射治疗参数通过无线传输给单片机，控制相控阵超声发射装置7产生焦点位置、功率大小、焦斑大小、辐射时间可调的超声，通过中央计算机1实现治疗过程中的信息传输与中央控制；相控阵超声发射装置7由中央计算机1监控；中央计算机1主要作用是：效应控制及图像识别分析、定位控制、治疗参数设置。
结合图2所示，本系统还包括相控阵超声发射装置7的驱动器8，中央计算机1通过控制驱动器8移动相控阵超声发射装置7到适当位置进行辐射。本系统还包括核磁共振成像辅助系统9，所述核磁共振成像辅助系统9包含MRI发射装置、MRI接收装置和MRI信号处理及成像三部分，将脑部空间位置信息和脑部功能成像信息，传输给中央计算机1，用于前期脑部病灶的定位，以及后期治疗效果的检查。中央计算机1通过核磁共振成像辅助系统9获得脑部病灶空间位置和相控阵阵元发射空间位置后，中央计算机1计算出各个阵元与病灶间的空间距离；再通过中央计算机1转换成各阵元对应的相位延时参数，以使到达病灶部位的超声具有最优功率。本系统还包括一个循环水袋12，相控阵超声发射装置7与大脑间通过循环水袋12耦合，以减少超声的衰减，循环水袋12输出端与除气设备10、控温设备11连接，以消除水袋内因超声空化而产生的气泡和控制水袋内的温度。
相控阵超声发射装置7的外形设计及具体工作情况如下：
如图3所示，相控阵超声发射装置7是个半径为15cm的球冠，它的孔径半径11cm，阵元以同心圆形式均匀的分布在球冠每一圈的内侧。设a是在xy平面上偏离x正半轴的角度，取值范围是0到2π，b是偏移z负半轴的角度，取值范围是0到π/4，球冠的球心在(0，0，R)处，则球冠的空间坐标是：
x=R*cosa*sinby=R*sina*sinbz=R*(1-cosb)]]>(式1)
0≤a≤2π，0≤b≤π/4
阵元设计成有16圈的同心圆形式，共有544个阵元，对于最外面的一圈阵元只取32个，最终达到512个阵元的设计。取b的间隔为π/64，在第i圈上a的间隔为2π/(4*i)，这样就可以得到512个阵元的空间坐标，如图3为换能器的外形示意图。设I(i，j)为第(i，j)个阵元，i表示b的偏移量度，取值为1到16，j表示a的偏移量度，取值为0到4*i-1，所以I(i，j)一一对应每个阵元。当确定病灶空间位置时，可以求出每个阵元与病灶之间的距离D(i，j)。
取min(D)＝{D(i，j)} (式2)
设离病灶距离最短的阵元发射超声的时间为t0，则各阵元延时后发射的时间为：
t(i,j)=min(D)-D(i,j)c+t0]]>(式3)
假设病灶在球冠的焦距位置(0，0，15)，通过(式1)得到各个阵元的空间坐标位置，进而得出各个阵元与病灶的距离：
D(1,1)=(0.73602)2+(0)2+(0.018068-15)2D(1,2)=(0)2+(0.73602)2+(0.018068-15)2...D(16,64)=(10.556)2+(-1.0396)2+(4.3934-15)2]]>
通过循环比较，可以得出这512个距离中最小的一个min(D)＝{D(i，j)}，再根据(式3)得到各阵元延时后发射的时间：
t(1,1)=min(D)-D(1,1)c+t0t(1,2)=min(D)-D(1,2)c+t0...t(16,64)=min(D)-D(16,64)c+t0]]>
通过核磁共振成像辅助系统9完成病灶空间位置的确定，各个阵元的空间位置关系在上面已经得出，在中央计算机1中通过上面的算法得到各个阵元延时时间的计算，再通过无线通讯把控制参数发送给各个阵元的单片机系统2，完成512个阵元各自的延时。如图4所示，采用不同延时得到的聚焦波束分布的峰值位置明显不同，即两者的聚焦部位不同。可见，只要我们对各阵元精确计算的不同时间延时，就可以在所要求空间位置处产生一定功率的聚焦声束。超声辐射参数为：频率1-2MHZ，声强1-5W/cm2，辐射能量20-200W，脉宽100ms，时间10-30s。
实施例2，促进药物透过血脑屏障系统的使用方法
首先让病人平躺在一张可水平移动的床上，头部带上帽子形状的水袋，然后再将病人送入仪器治疗区。
当病人平躺好后，启动核磁共振成像辅助监测系统9中的核磁共振发射装置，在核磁共振接收装置接收到脑部功能图像，经核磁共振信号处理及成像单元把脑部功能信息传给中央计算机。
医生在计算机上检查到病灶部位，通过鼠标点击确定病灶空间位置。
驱动器8用来移动相控阵超声发射装置7到理想的治疗部位发射超声；再通过中央计算机1计算出当前超声探头上的阵元相对于病灶的空间距离，及每个阵元对应的延时时间，计算方法上面已经说过。
医生根据病情在计算机上设置治疗参数，有功率大小、辐射区域大小、辐射照射时间。
治疗参数设定完后，按启动超声按键，则计算机通过无线传输给各个阵元的单片机2相关的控制参数，并对指定点进行超声治疗。
治疗完后，再次启动核磁共振成像辅助系统9，检查治疗效果。
整过过程除气设备10和温控设备11一直工作，保证大脑良好环境。
实施例3，促进药物透过血脑屏障系统的治疗效果
效果展示分体外实验和体内实验两部分。
体外血脑屏障模型的建立是用大白兔脑微血管内皮细胞、星形胶质细胞共同培养实现的。研究证明在特定的超声参数下，超声波能明显的增加细胞膜的通透性，使大分子基因药物能进入细胞内表达，其转染率为40％，细胞内的基因表达强度和特定控制参数量紧密相关，得出了在精确的效应尺度控制系统下可安全地用于基因传递的结论，从图5可看出，通过扫描电镜，S180细胞膜上由超声作用造成的可修复性的微孔，即超声因为其机械性能使细胞膜上微孔打开；同时通过观察，当作用时间在5分钟内时可发现明显的微孔愈合痕迹，即在适当强度的超声辐射下，细胞膜微孔是可逆的；但辐射超过8分钟的作用时间，则细胞开始大量死亡，即超声辐射的参数对细胞膜的通透性尤为重要。
体内实验用大白兔头颅照射，通过静脉注射伊文氏蓝溶液，结合荧光报告基因，确定药物在脑组织的作用部位和跨血脑屏障的效率，通过与未用超声的对照组的比较，确定超声作用下大分子药物跨血脑屏障的效应强度。用扫描电子显微镜和流式细胞仪检测脑组织的损伤和凋亡，分析脑组织的受损情况。其中，伊文氏蓝失踪实验中的伊文氏蓝是一种粉末状染料，入血后迅速几乎百分之百地与白蛋白结合。白蛋白分子量为67kDa，正常情况下几乎不能透过血脑屏障。当血脑屏障通透性增高时，伊文氏蓝结合的白蛋白则可通过血脑屏障进入脑组织。激发光波长550nm时，荧光显微镜下可见红色荧光。
采用伊文思蓝透过法检测血脑屏障的通透性的变化时发现，低频超声辐照后，大白兔脑部组织部位伊文氏蓝含量较对照组增加。
此外，通过透射电镜观察发现，超声辐照后，随时间的推移，伊文氏蓝含量会有一个峰值，但后面慢慢减退。通过透射电子显微镜观察血脑屏障的显微结构的变化我们发现，超声辐照后，随时间的推移，实验组中的血管内皮细胞的紧密连接程度不同，会在一个时间段内开放程度最大，但又慢慢减少，对照组中未见血管内皮细胞间的开放。这些结果说明适当辐射参数的超声可以引起大白兔的血脑屏障可逆性开放。
实验表明，正常情况下，伊文氏蓝作为示踪剂与血清白蛋白结合后，因白蛋白分子量较大，不能透过血脑屏障；超声辐射后，荧光显微镜下观察可见，30s左右时，有明显的血脑屏障通透性增加。同时测定辐射照组大白兔脑皮层海马、下丘脑和小脑中的伊文氏蓝含量，与正常对照组比较有明显的增加，且照后12小时后伊文氏含量偏低，且与正常组比较差异不显著，说明超声辐射可引起大鼠血脑屏障通透性可逆性改变。而且用扫描电子显微镜和流式细胞仪检测脑组织的损伤和凋亡情况发现，在我们设定的辐射参数范围内脑组织未出现明显受损情况。
本发明的超声系统可以具有多种变形，并不仅限于上述主要技术途径，如相控阵超声发射装置的外形可为平板或其他形状、超声辐射方式可以是线性扫描或其他扫描方式，辐射相关的参数也可以在一定范围内调节；另外，也可以利用其它的方法产生超声。总之，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。