СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУСПЕНЗИЙ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ В КАЧЕСТВЕ КОНТРАСТНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СЕРДЦА И СОСУДОВ
METHOD OF ULTRASONIC VISUALISATION OF HEART AND VESSELS WITH APPLICATION OF SUSPENSIONS OF NANOPOWDERS OF METAL OXIDES

Изобретение относится к медицине, конкретно к дифференциальной диагностике сердечно-сосудистых заболеваний на основе ультразвукового исследования.
Передовой уровень диагностики в кардиологии базируется на положении, согласно которому наиболее точная и ранняя информация о патологических изменениях в сердце может быть получена за счет оценки особенностей региональной структуры и функции миокарда и сосудов, включая коронарные артерии сердечной стенки. Исходя из этого, в последние годы в арсенале врачей появились сложные диагностические технологии визуализации сердца на основе методов рентгеновской, магниторезонансной, радионуклеидной и ультразвуковой томографии. Ультразвуковая (УЗ) диагностика, среди прочих подходов, занимает лидирующее место благодаря относительной простоте и безопасности метода, его доступности и дешевизне. Вместе с тем, низкая точность визуализации структур сердца для их последующего количественного описания ограничивает применение ультразвуковой локации при решении задач дифференциальной диагностики. Борьба за качество визуализации структур сердца идет в нескольких направлениях, одним из которых является инъекция контрастирующих веществ в сосудистое русло. Введение контрастирующего вещества приводит к усилению эхогенных свойств крови, а также ее способности к обратному рассеянию эхосигнала [1, 2].
В настоящее время компонентами большинства эхоусиливающих контрастирующих веществ являются свободные и инкапсулированные газовые микропузырьки размером от 0.5 до 100 мкм, рассеивающие энергию ультразвука в разных направлениях [3-6].
В субмикронном диапазоне известно использование контрастирующих веществ на основе эхогенных липосом, эмульсий перфторуглерода и пузырьков полилактата. Установлено, что липосомы размером 800 нм могут улучшать внутрисосудистый контраст более чем на 300% по сравнению с чистой кровью [7]. Для УЗ-диагностики сердечно-сосудистых заболеваний использовались нанопузырьки перфторуглерода диаметром приблизительно 250 нм, которые содержали жидкое ядро [8]. Нанодисперсии газовых пузырьков, покрытых полилактатом, исследовались с целью диагностики раковых заболеваний [9]. Эти пузырьки имели размеры около 200 нм и существенно усиливали эхосигнал.
Общие представления об эффективности контрастирующих веществ для УЗ-диагностики базируются на физических и акустических свойствах газовых сферических частиц в ультразвуковом поле [10-12]. Главным фактором, ограничивающим использование пузырьков, является их недолговечность. Так, время деструкции и диффузии частиц составляет от нескольких миллисекунд до нескольких секунд, что не позволяет проводить детальные медицинские исследования [13, 14]. Более того, в эксперименте на животных было показано, что кавитация пузырьков под действие ультразвука высокой интенсивности может вызывать нарушение функции левого желудочка сердца, разрывы микрокапилляров, морфологически выявляемые повреждения тканей [15].
В качестве контрастирующих веществ, лишенных этих недостатков, могут быть использованы суспензии твердых материалов. Твердые частицы, например, коллагеновые, микронных размеров уже давно были предложены в качестве контрастирующих веществ для ультразвукового исследования печени и селезенки [16, 17]. Теоретически твердые частицы могут обеспечить лучшее изображение, чем микропузырьки, так как на границе между твердой фазой частиц и жидкими тканями имеет место большая разница в значениях акустических импедансов.
Возможность использования твердых частиц в субмикронном диапазоне в качестве контрастирующих веществ была продемонстрирована недавно для ЯМР-томографии [18, 19], а для УЗ-исследований печени экспериментальных животных были успешно использованы кварцевые и полистирольные наночастицы [20].
Наиболее близким аналогом является способ, раскрытый в заявке на патент US 2007/0003482, 04.01.2007. Этот способ включает ультразвуковую визуализацию различных органов и тканей, в том числе сердечно-сосудистой системы с помощью нанопорошков оксидов металлов.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в улучшении визуализации сердца и сосудов за счет использования суспензий частиц ультрадисперсных однородных нанопорошков оксидов металлов - Al, Fe, Zr, в результате чего повышается качество диагностики. Способ позволяет получить увеличение соотношения сигнал/шум и длительности визуализации, что подтверждается экспериментально.
Заявляется способ ультразвуковой визуализации сердца и сосудов в эксперименте, включающий введение в кровеносное русло контрастирующего вещество, содержащего нанопорошки оксидов металлов, проведение ультразвуковой локации сердца и сосудов, получение ультразвукового изображения. В качестве контрастирующего вещества используют стабильную суспензию частиц ультрадиперсных и однородных нанопорошков оксидов Al, Fe, Zr, полученных методом электрического взрыва проводников, при этом размер частиц составляет не более 200 нм, а минимальное значение объемной концентрации частиц 1% (об.).
Суспензию готовят диспергированием в дистиллированной воде на ультразвуковом процессоре.
Информацию записывают на цифровом носителе и проводят компьютерную обработку изображений с использованием соответствующих алгоритмов визуализации.
2
3
x
y
2
1
На Фиг.1 представлены микрофотографии порошков AlO, FeO  и ZrO.
2
3
На Фиг.2 представлена гистограмма дифференциального распределения частиц нанопорошка AlO (партия 117 nf).
2
3
На Фиг.3 представлен дифференциально взвешенный характер распределения частиц в водной суспензии для образца AlO (партия 117 nf). P(d) - плотность вероятности.
На Фиг.4 представлена зависимость степени агрегации частиц в суспензии от исходных параметров частиц нанопорошков.
На Фиг.5 приведена схема экспериментальной гидродинамической установки для исследования акустических свойств суспензий нанопорошков:
1) персональный компьютер;
2) УЗ-аппарат;
3) УЗ-датчик;
4) силиконовая трубка;
5) перистальтический насос;
6) резервуар с водой.
На Фиг.6 приведены примеры записи видеоизображения акустического сигнала двух сосудов. Ультразвуковое изображение сосуда, заполненного водой (а) и суспензией наночастиц (б). Стрелки указывают на внутреннее содержимое трубки.
-2
i
o
На Фиг.7 графически представлены полученные данные для всех, представленных в таблице 1, суспензий нанопорошков (исходная весовая концентрация 50 г/л, скорость протока 3·10 м/с) - оценена яркость изображения и рассчитаны значения превышения интенсивности ультразвукового сигнала от суспензий над фоновой яркостью (I-I).
i
0
На Фиг.8 представлены количественные показатели яркости изображения в зависимости от скорости потока суспензии. По оси абсцисс - линейная скорость в см/сек; по оси ординат - превышение яркости эхосигнала образца над фоновой яркостью, где I - яркость, воспринимаемая от суспензий нанопорошков, I - яркость фона.
i
0
Фиг.9 демонстрирует связь интенсивности эхосигнала с количеством (весовая концентрация) нанопорошка в суспензии. По оси абсцисс - логарифмическая шкала весовой концентрации наночастиц в суспензии; по оси ординат - разница между интенсивностью эхосигнала от суспензий нанопорошков (I,) и от фона (I).
i
0
Фиг.10. демонстрирует связь интенсивности эхосигнала с количеством (объемная концентрация) нанопорошка в суспензии. По оси абсцисс - логарифмическая шкала объемной концентрации наночастиц в суспензии; по оси ординат - разница между интенсивностью эхосигнала от суспензий нанопорошков (I,) и от фона (I).
i
0
На Фиг.11 представлена зависимость яркости изображения от диаметра частиц нанопорошков. По оси абсцисс - средневзвешенный диаметр наночастиц; по оси ординат - разница между интенсивностью эхисигнала от суспензий нанопорошков (I,) и от фона (I).
2
3
На Фиг.12 представлено ультразвуковое изображение сердца лягушки (Rana Radibunda). A - исходное изображение, Б - после введения 1% (об.) суспензии частиц нанопорошка AlO.
2
3
На Фиг.13 представлены показатели яркости изображения полости и стенки желудочка изолированного сердца лягушки. А - контрольные величины, Б - после первого введения 1% (об.) суспензии частиц нанопорошка AlO, В - после повторного введения суспензии.
2
3
На Фиг.14 представлено ультразвуковое изображение ЛЖ сердца крысы. А - исходное изображение, Б - после введения 2 мл 2,5% суспензии частиц нанопорошка AlO.
Была исследована потенциальная возможность использования суспензий частиц нанопорошков оксидов металлов в качестве контрастирующих веществ для улучшения УЗ-визуализации сердца и сосудов. Для этого были приготовлены стабильные суспензии нанопорошков и исследованы их акустические свойства с использованием экспериментальной модели циркуляции крови и УЗ-аппарата, стандартно используемого в практической медицине. Полученные результаты демонстрируют зависимость интенсивности отраженного эхосигнала от типа оксида металла, особенностей структуры частиц нанопорошков и агрегатов, которые они образуют в водной среде. Представленные факты, с одной стороны, показывают высокую эхогенность суспензии частиц нанопорошков определенных оксидов металлов. С другой стороны, они создают научный базис для понимания взаимодействия частиц нанопорошков с ультразвуковой волной.
Нанопорошки оксидов металлов (Al, Fe, Zr) были получены методом электрического взрыва проводников (ЭВП) [21-23]. Способ приготовления нанопорошков оксидов металлов заключается в электрическом взрыве проводников в камере установки. Перед работой установка вакуумируется и заполняется рабочим газом при требуемом давлении. Проволока сматывается с катушки и подается в герметичную взрывную камеру. Когда проволока достигает высоковольтного электрода, измеритель ее длины генерирует сигнал на запуск генератора поджигающих импульсов. Этот генератор выдает сигнал на запуск разрядника, который разряжает батарею конденсаторов на отрезок проволоки в камере и взрывает ее. Рабочий газ нагнетается вентилятором и переносит частицы в устройства сепарации и улавливания порошка, а очищенный газ возвращается в взрывную камеру.
Порошки оксидов слабо агломерированы, имеют низкую насыпную плотность и содержат до 7% масс. сорбированных газов и влаги, которые удаляются, в основном, при нагреве порошка до ~300°С. Порошки сохраняют свой состав и другие характеристики при хранении в лабораторных условиях в течение нескольких лет.
2
2
3
x
y
2+
3+
Так, были получены порошки оксида циркония ZrO, оксидов алюминия AlO и оксида железа FeO. В процессе конденсации оксида железа из газовой фазы в ходе получения формируется смесь оксидов Fe и Fe нестехиометрического состава.
2
3
x
y
2
2
3
Форма и размер частиц нанопорошков были исследованы на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM 2100. По представленным на Фиг.1 микрофотографиям порошков AlO, FeO и ZrO видно, что частицы имеют близкую к сферической форму с относительно гладкой поверхностью. Все образцы нанопорошков характеризовались узким распределением частиц по размерам, как показано на Фиг.2 на примере образца AlO (партия 117 nf).
уд
2
3
Значения удельной поверхности (S) были определены низкотемпературной сорбцией паров азота в смеси с гелием по методу БЭТ на установке Micromeritics TriStar 3000. Характеристики нанопорошков оксидов металлов (размер частиц, удельная поверхность и фазовый состав) различались в достаточно широких пределах в соответствии с условиями электрического взрыва, как было показано ранее [22]. Варьируя параметры процесса ЭВП (перегрев металла, диаметр проволоки и др.), были получены несколько образцов AlO, отличающихся по средневзвешенному размеру частиц.
2
3
Суспензии нанопорошков концентрацией 50 г/л готовили диспергированием в дистиллированной воде на ультразвуковом процессоре Cole-Palmer CPX 750. В емкость, содержащую 20 мл суспензии, вводили УЗ-активатор диаметром 13 мм и подвергали УЗ-обработке мощностью 300 Вт чередованием 10 сек циклов воздействия и 10 сек пауз в течение 10 мин. Электровзрывные порошки при диспергировании в воде образовывали устойчивые суспензии в отсутствие дополнительных дисперсантов. При диспергировании в воде на поверхности частиц электровзрывных нанопорошков AlO-20ns, 42ns, 117ns самопроизвольно формируется двойной электрический слой с высоким значением ж-потенциала, обеспечивающим образование устойчивых суспензий в отсутствие стабилизатора.
Для измерений размеров частиц методом динамического рассеяния света полученные суспензии разбавляли соответственно водой в 10 раз.
Средний размер наночастиц и распределение частиц по размерам в водной суспензии измеряли с помощью анализатора дисперсий Brookhaven ZetaPlus.
2
3
Из нанопорошков приготавливались водные суспензии с концентрацией 50 г/л. Диспергирование водных суспензий проводили на приборе УЗГ8-0.4/22 в течение трех минут. Средний диаметр наночастиц и распределение частиц по размерам в водной суспензии измеряли методом динамического рассеяния света с помощью анализатора дисперсий Brookhaven ZetaPlus. В качестве примера характер распределения для образца AlO (партия 117 nf) представлен на Фиг.3.
Дифференциальное распределение по размерам в водной суспензии для всех образцов имело логнормальный характер, однако средневзвешенный размер превышал как средний диаметр по данным электронной микроскопии, так и средний размер, определенный из удельной поверхности в расчете на сферические частицы, что указывает на процесс агрегации в суспензии. Численные характеристики нанопорошков оксидов металлов и значения среднего диаметра частиц в водной суспензии приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики нанопорошков оксидов металлов и их водных суспензий
Образец
Площадь удельной поверхности, S<sub>уд</sub>, м<sup>2</sup>/г
Средневзвешенный диаметр частиц нанопорошка по у-ю (1), нм
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Средневзвешенный диаметр агрегатов частиц в суспензии, нм
Степень агрегации (d<sub>a</sub>/d<sub>ч</sub>)<sup>3</sup>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 92n
34
51
3.49
134
20
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 97n
50
35
3.43
133
65
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 99n
65
27
3.40
110
68
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 100n
71
25
3.38
91
55
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 117nf
20
84
3.57
152
6
ZrO<sub>2</sub>
58
17
5.97
177
~10<sup>3</sup>
Fe<sub>x</sub>O<sub>y</sub>
21
62
4.55
107
5
2
Степень агрегации наночастиц в суспензии в первом приближении можно оценить по отношению объема агрегата к объему частицы. На Фиг.4 представлена зависимость степени агрегации от исходных параметров нанопорошков. Хорошо видно, что степень агрегации наночастиц в водной суспензии уменьшается с увеличением диаметра частиц нанопорошка: коэффициент корреляции для квадратичной зависимости r=0,872, р<0,05. Максимальная степень агрегации наблюдается для наиболее мелких частиц, что обусловлено их высокой поверхностной активностью. Крупные частицы между собой, как правило, не агрегируют, а служат центрами агрегации более мелких.
Для исследования акустических свойств суспензий наночастиц в кровеносных сосудах была создана гидродинамическая модельная установка, состоящая из стенда с системой сосудов (силиконовых трубок) различного диаметра, перистальтического насоса, ультразвукового аппарата и компьютера для сбора и обработки информации (схема экспериментальной установки приведена на Фиг.5).
В качестве имитации кровеносного сосуда использовалась силиконовая трубка Masterflex 96400-24: внутренний диаметр 6,3 мм, внешний диаметр 11,3 мм, толщина стенки 2,0 мм. Силиконовая трубка фиксировалась в кассете стенда, после чего кассета помещалась в резервуар с водой комнатной температуры.
-2
-2
Перистальтический насос компании Heidolph instruments gmbh & со. Kg, модель PD 5001 с насадкой SP Standard 2.5 осуществлял перекачивание жидкости, текущей по трубкам, со скоростью от 3·10 до 26·10 м/с. Такие скорости характерны для тока крови по большинству сосудов кровеносного русла.
Ультразвуковое исследование проводилось цифровым стационарным ультразвуковым аппаратом Siemens Sonoline Adara с линейным датчиком УЗИ SIEMENS 7.5L45s Prima/Adara. Динамический диапазон ультразвукового воздействия составлял 36 дБ, частота 5 МГц. Визуализация изображения проходила в В-режиме, т.е. в двумерном режиме, в шкале серого цвета.
Видеоизображение, получаемое на экране ультразвукового аппарата, обрабатывалось с помощью специальной компьютерной программы. Данная программа позволяет проводить измерение интенсивности (яркости) элементов изображения (пикселей) областей прямоугольной формы любого кадра видеоданных, осуществляя усреднение яркостей пикселей, попавших в данный регион. Местоположение центра области, где производиться замер средней яркости, и ее размер (начиная с единичного пикселя) задается пользователем. В настоящей работе размер области замера яркости составлял 25 пикселей. На Фиг.6 приведены примеры записи видеоизображения акустического сигнала двух сосудов.
i
o
По изображениям оценивали среднюю яркость (интенсивность эхосигнала) области кадра, соответствующей суспензии наночастиц (I), и яркость фона (I). На каждом поле изображения, подлежащем анализу, проводили не менее 20 измерений.
-2
i
o
Полученные численные данные обрабатывались стандартными статистическими методами. Для всех, представленных в таблице 1, суспензий нанопорошков (исходная концентрация 50 г/л, скорость протока 3·10 м/с) была оценена яркость изображения и рассчитаны значения превышения интенсивности ультразвукового сигнала от суспензий над фоновой яркостью (I-I). Графически полученные данные отражены на Фиг.7.
-2
-2
Варьируя скорость движения по сосуду от 3·10 до 26·10 м/с, получены количественные показатели яркости изображения в зависимости от скорости потока суспензии. Оказалось, что в данном диапазоне скоростей интенсивность эхосигнала существенно не изменяется, как видно на Фиг.8.
-2
Исходя из отсутствия зависимости яркости изображения от скорости протока, все последующие измерения проводили при одной скорости, равной 3·10 м/с.
Изучение связи интенсивности эхосигнала с количеством (весовая концентрация) нанопорошка в суспензии показало, что во всех случаях снижение количества нанопорошка приводило к уменьшению яркости изображения (Фиг.9).
Корреляция интенсивности эхосигнала с концентрацией нанопорошка в суспензии характерна для всех оксидов металлов, общий коэффициент корреляции составляет 0,755 (р<0,001). На Фиг.9 видно, однако, что крутизна установленной зависимости для оксидов металлов различна. Так, оксид железа обладает как более низкими акустическими свойствами, так и менее выраженной зависимостью от концентрации.
2
3
2
2
3
i
o
x
y
i
o
2
i
o
2
2
2
Применяемая весовая концентрация нанорошка не отражает действительного содержания количества частиц нанопорошка в суспензиях, поскольку плотность оксидов металлов существенно отличается (таблица 1). Пересчет весовых концентраций нанопорошков в объемные выявил сближение показателей интенсивности эхосигнала от порошка AlO и ZrO (Фиг.10). Зависимости хорошо описываются уравнениями линейной регрессии: для AlO (I-I)=34.5[V]+7.0 (R=0.920); для FeO (I-I)=9.8[V]+7.45 (R=0.817); для ZrO (I-I)=28.4[V]+6.3 (R=0.850).
На основании полученных уравнений линейной корреляционной зависимости, для представленных образцов суспензий вычислены величины интенсивности эхосигнала при одинаковых объемных концентрациях наночастиц (таблица 2).
Таблица 2
Сравнительная интенсивность эхосигнала от суспензий нанопорошков оксидов металлов при фиксированных объемных концентрациях
Порошок
Объемная концентрация наночастиц, %
Массовая концентрация, г/л
Интенсивность эхо-сигнала
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 97n
1
35.2
41.5
0.1
3.52
10.45
0.01
0.35
7.35
ZrO<sub>2</sub>
1
57.5
34.7
0.1
5.75
9.14
0.01
0.58
6.58
Fe<sub>x</sub>O<sub>y</sub>
1
45
17.23
0.1
4,5
8.43
0.01
0.45
7.55
Становится понятным, почему оксид циркония в одинаковых весовых концентрациях обладал по сравнению с оксидами алюминия существенно меньшей акустической активностью (Фиг.9). Поскольку его плотность почти в два раза превышает плотность оксида алюминия, то и объемное содержание частиц нанопорошка оксида циркония значительно меньше. При расчете по уравнению линейной регрессии оксид циркония в тех же объемных концентрациях, что и оксид алюминия дает сходную интенсивность акустического сигнала. В этом случае яркость сигнала, отложенная как функция объемной концентрации нанопорошка, описывается почти одинаковой зависимостью для оксидов алюминия и циркония. Суспензия оксида железа при малых объемных концентрациях до 0,1% (об.) обеспечивает практически ту же интенсивность эхосигнала, что и суспензии оксидов алюминия и циркония, однако при увеличении концентрации до 1% (об.) интенсивность эхосигнала от суспензии частиц оксида железа меньше приблизительно в два раза, чем в двух других случаях. В принципе, скорость звука в суспензии должна зависеть от материала дисперсной фазы, однако отсутствие табличных данных по скорости звука в исследованных твердых оксидах не позволяет провести содержательный анализ наблюдаемых закономерностей.
Увеличение интенсивности яркости УЗ-изображения с ростом объемной концентрации твердой дисперсной фазы в суспензии является объяснимым ожидаемым результатом: чем больше доля фазы, имеющей скорость звука, отличную от скорости звука в среде, тем больше должна быть интенсивность отраженного сигнала. Тем более неожиданной оказалась обнаруженная зависимость от степени дисперсности твердой фазы.
По уравнениям линейной регрессии были рассчитаны интенсивности эхосигнала от суспензий всех исследованных нанопорошков оксидов металлов, взятых в одной и той же объемной концентрации.
Сопоставив все значения интенсивности эхосигнала с размерными параметрами нанопорошков, получена обратная зависимость яркости изображения от диаметра частиц нанопорошков: коэффициент корреляции r=-0,901, р<0,001 (Фиг.11). То есть, чем меньше диаметр частицы нанопорошка, тем более интенсивный акустический сигнал мы наблюдаем от суспензии. Поскольку, как представлено в таблице 1, диаметр обратно связан с площадью удельной поверхности, то можно перефразировать полученный вывод: акустическая интенсивность суспензии нанопрошков оксидов металлов возрастает с увеличением удельной поверхности порошков. Анализ связи интенсивности акустического сигнала со степенью агрегации выявил прямую корреляционную зависимость; коэффициент корреляции r=0,900, р<0,001. Чем большее количество частиц нанопорошка объединяются в агрегаты, тем больше яркость изображения потока суспензии этих частиц.
Для экспериментальной проверки возможности визуализации кровеносной системы у лабораторных животных использовали холоднокровных (лягушки, n=2) и теплокровных (крысы, n=3) животных. Для визуализации сердца использовали суспензии частиц нанопорошка оксида алюминия.
Лягушка. Амфибии, а именно озерная лягушка (Rana Radibunda), являются обычными широко распространенными объектами для физиологических исследований в различных областях. Строение кровеносной системы лягушки хорошо известно [24].
Особенностью анатомии трехкамерного сердца лягушки является наличие одного желудочка и тот факт, что миокард желудочка и предсердий имеет полностью губчатое строение. Межтрабекулярные пространства губчатого миокарда у амфибий достигают эпикарда, межтрабекулярные щели очень сходны с капиллярами, а в тех местах, где пучки расположены рыхло, эти пространства имеют форму сообщающихся синусоидов, пронизывающих всю стенку желудочка. Эндотелий, выстилающий межтрабекулярные щели, истончен. Цитоплазма его содержит пиноцитозные пузырьки.
Простота препарирования объекта и способность изолированного сердца долгое время осуществлять механическую работу делают этот объект удобным для гемодинамических исследований.
Мы использовали изолированное сердце лягушки (n=2) с основными кровеносными сосудами: полыми венами и аортой.
2
3
2
3
2
3
2
3
Препарат погружался в ванночку с физиологическим раствором Рингера при комнатной температуре. Состав раствора Рингера (g/l): NaCl - 6,5; KCl - 0,14; CaCl - 0,1; NaHCO - 0,2. Датчик ультразвукового аппарата располагался над сердцем, так же, как над трубкой гидродинамического стенда. После регистрации изображения сердца, в полую вену, впадающую в венозный синус, вводили суспензию частиц нанопорошка AlO в концентрации 1% (об.) и регистрировали изображение сердца в течение 2-3 минут с момента введения. Исходная частота сердечных сокращений составляла 50 уд./мин, после введения первого введения суспензии частота сердцебиений незначительно снижалась до 45 уд./мин. Несмотря на низкую частоту сердцебиений технически не удалось зарегистрировать качественное изображение сердца непосредственно во время введения суспензии и в течение 2-3 циклов сокращение-расслабление. Поэтому в момент записи видеоизображений сокращающегося сердца введенная суспензия уже была удалена из полости желудочка через артерии. На Фиг.12 представлено ультразвуковое изображение сердца лягушки, где А - исходное изображение, Б - после введения 1%(об.) суспензии AlO. Оценивали интенсивность эхосигнала в двух областях - полости ЛЖ и стенке ЛЖ в диастолу. В каждом случае проводили не менее 20 измерений и вычисляли среднее значение. По полученным видеоизображениям рассчитывали интенсивность эхосигнала в полости желудочка и в толще стенки желудочка. Численные данные яркости изображения приведены в виде гистограммы на Фиг.13, где А - контрольные величины, Б - после первого введения 1% (об.) суспензии AlO, В - после повторного введения суспензии.
Из представленных численных данных видно, что интенсивность эхосигнала полости желудочка после первого же введения суспензии нанопорошка незначительно, но достоверно возрастает: от 26,09±0,73 до 30,87±2,35 (р<0,05). В то же время качество визуализации собственно миокарда желудочка повышается значительно. Если в исходные значения яркости изображения миокарда составляли 35,46±5,30, то после двух последовательных введений суспензии нанопорошка значения яркости возрастали до 50,72±6,37 и 66,25±5,58 соответственно (р<0,01).
Слабое увеличение интенсивности эхосигнала полости желудочка связано, по-видимому, с удалением суспензии во время фазы изгнания в течение 2-3 циклов, прошедших с момента введения суспензии до начала ультразвуковой локации. В то же время частицы нанопорошка по межтрабекулярному пространству проникают вглубь губчатого миокарда, накапливаются в межтрабекулярных синусах и повышают, тем самым, акустическую плотность ткани сердца.
2
3
Таким образом, ультразвуковая локация изолированного сердца амфибии (Rana Radibunda) при введении в сердце суспензии частиц нанопорошка AlO в концентрациях 1% (об.) выявила достоверное усиление интенсивности эхосигнала от ткани миокарда стенки желудочка.
2
3
2
3
2
2
4
2
3
Крыса. Беспородным крысам (n=3) весом 280-300 грамм при эфирном наркозе в подвздошную вену вводили по 2 мл 1% (об.) суспензии нанопорошка AlO. Суспензию для внутривенного введения готовили на основе раствора Тироде следующего состава в (g/l): NaCl - 8,0; KCl - 0,2; CaCl - 0,2; NaHCO - 1,0; MgCl - 0,1; NaHPO - 0,05; глюкоза - 1,0. Ультразвуковую локацию сердца осуществляли сразу после введения суспензии (через 30-40 сек) в течение 5 минут. Затем повторно вводили еще 2 мл суспензии и вновь проводили ультразвуковое исследование. Оценивали интенсивность эхосигнала в диастолу в двух областях левого желудочка (ЛЖ), а именно в полости желудочка и в толще сердечной стенки. В каждой области проводили не менее 20 измерений. Примеры двух видеоизображений представлены на Фиг.14, где А - исходное изображение, Б - после введения 2 мл 1%(об.) суспензии AlO.
Анализ численных данных показал, что аналогично приведенным выше результатам, интенсивность эхосигнала полости желудочка изменяется незначительно (см. таблицу 3). В то же время акустическая активность ткани миокарда после введения суспензии наночастиц по сравнению с контролем достоверно возрастает.
Таблица 3
Значения яркости изображения ЛЖ сердца крысы до и после введения 1% (об) суспензии нанопорошка Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Яркость (Ii-Io)
контроль
2 мл суспензии
4 мл суспензии
Полость ЛЖ (пЛЖ)
2,3±0,6
2,0±0,5
2,0±0,4
Стенка ЛЖ (сЛЖ)
26,2±1,1
29,6±1,3 р<0,05
30,3±1,7 р<0,05
сЛЖ-пЛЖ
24,0
27,6 р<0,05
28,2 р<0,05
2
3
2
3
Разница между значениями яркости сигнала от миокарда и полости желудочка характеризует степень контрастности изображения. Видно, что после внутривенного введения суспензии частиц нанопорошка AlO, отличия в яркости изображения полости и стенки ЛЖ достоверно возрастали. Стабильные значения яркости изображения полости желудочка свидетельствуют, что на момент регистрации ультразвукового изображения суспензия частиц нанопорошка во время периода изгнания нескольких циклов сокращения сердца была удалена из полости ЛЖ. В то же время высокое сродство наночастиц AlO к биологическим поверхностям [25] обеспечивало, по-видимому, адсорбцию частиц нанопрошка на цитоплазматической мембране миокардиальных клеток. Вследствие чего акустическая плотность миокардиальной ткани стенки ЛЖ возрастала.
2
3
Таким образом, при внутривенном введении суспензии частиц нанопорошка AlO лабораторным животным (лягушка, крыса) отмечено улучшение качества изображения за счет усиление эхосигнала от миокарда стенки желудочка сердца.
2
3
x
y
2
Таким образом, сделана количественная оценка акустических свойств водных суспензий твердых частиц нанопорошков оксидов металлов (AlO, FeO, ZrO) в ультразвуковом поле, по своим характеристикам полностью соответствующим методам медицинской эхолокации органов и тканей. В В-режиме УЗ-визуализации по анализу интенсивности отраженного видеосигнала была получена зависимость яркости изображения от концентрации частиц нанопорошков в суспензии и их размера. Установлено, что интенсивность эхосигнала прямо пропорциональна как весовой, так и объемной концентрациям частиц нанопорошка в суспензии. То есть, чем больше концентрация частиц в суспензии, тем лучше качество их визуализации. Полученный факт, во-первых, наглядно демонстрирует потенциальную возможность использования суспензий частиц нанопорошков оксидов металлов в качестве контрастирующих веществ при УЗ-локации. С другой стороны, данный результат хорошо согласуется с общетеоретическими представлениями о взаимодействии веществ с механической волной.
Несколько неожиданным выглядит результат, согласно которому интенсивность отраженного эхосигнала тем больше, чем меньше размер частиц нанопорошка. Полученные нами данные входят в противоречие с выводами, сделанными при исследовании отраженного эхосигнала от более крупных твердых частиц. Так, на кварцевых и полистирольных микрочастицах от 0,1 до 3 мкм была установлена прямая связь акустического ответа с размером объектов [20]. Помимо отличия в размерном диапазоне, авторы использовали микрочастицы, фиксированные в геле (агарозе), имитируя, тем самым, биологические ткани с поглощенными ими частицами. Твердые коллагеновые частицы микронных размеров также были ранее исследованы в качестве контрастных веществ для ультразвуковой локации тканей [16, 17].
Биологические ткани с включенными микрочастицами рассматриваются как гетерогенная среда. Рассеяние ультразвуковых волн происходит вследствие диффузного отражения их от частиц, имеющих другие физические свойства (по сравнению с окружающей их средой) и четкие границы. Известно, что рассеяние ультразвука на данной частице существенным образом зависит от соотношения между ее размерами и длиной ультразвуковой волны (Л). Параметр рассеяния (kR, где R - радиус частицы, k=2p/Л - волновое число) меньше единицы для случая гетерогенной среды с микрочастицами, радиус которых существенно меньше длины ультразвуковой волны. Рассеяние ультразвука на сферических частицах малого диаметра в условиях kR<<1 подчиняется закону Рэлея [6]. Согласно этому закону, интенсивность рассеянных волн оказывается пропорциональной шестой степени размера рассеивающей частицы, то есть квадрату ее объема.
В этой связи можно было бы ожидать достаточно резкого уменьшения интенсивности эхосигнала от суспензии наночастиц с уменьшением их размера. Однако, эксперимент показывает обратное.
2
3
В то же время следует иметь в виду, что индивидуальные частицы нанопорошков в исследованных суспензиях отсутствуют: согласно данным, представленным в таблице 1, они объединены в агрегаты. Агрегация частиц приводит к тому, что рассеивающим центром для УЗ-волны становится агрегат, который имеет больший размер и соответственно обеспечивает существенное увеличение интенсивности рассеянного излучения. Однако фактор простого увеличения размеров, по-видимому, не является единственной причиной. Если бы это было так, то наблюдалась бы прямая корреляция между интенсивностью эхосигнала и средним размером агрегата. Однако такая связь не обнаруживается: нанопорошок AlO 117 nf имеет наибольший средний размер агрегата для образцов оксида алюминия (таблица 1) и в то же время наименьшую интенсивность эхосигнала (Фиг.7).
Явная корреляция интенсивности эхосигнала наблюдается не с размером агрегата, а со степью агрегации (таблица 1), которую можно рассматривать как среднее число первичных частиц в агрегате. Анализ связи интенсивности акустического сигнала со степенью агрегации выявил прямо пропорциональную зависимость; коэффициент корреляции r=0,900, р<0,001. Согласно Фиг.4, чем большее количество исходных частиц нанопорошка объединяются в агрегаты, существующие в суспензии, тем больше яркость УЗ-изображения потока суспензии этих частиц.
Нельзя сказать, что обнаруженная закономерность проясняет картину УЗ-рассеяния от суспензии наночастиц. Имеющиеся агрегаты являются лабильными образованиями. Внешнее УЗ-воздействие на систему разрушает агрегаты, что, в частности, широко используется при диспергировании нанопорошков. Вероятно, эти процессы имеют место при отражении УЗ-волны от суспензии нанопорошков. Разрушение агрегата должно сопровождаться затратами энергии, которая тратится на увеличение поверхности раздела. Если агрегат построен из большого числа мелких частиц, то его разрушение требует более значительных затрат энергии, поскольку межфазная поверхность раздела в этом случае резко возрастает. Энергетические затраты на разрушение агрегатов должны приводить к поглощению звуковой волны и диссипации ее энергии в тепловую форму. При этом интенсивность отраженной волны и, соответственно, яркость изображения должны уменьшаться, что противоположно наблюдаемому в эксперименте.
В этой связи приходится констатировать, что в настоящий момент мы не можем предложить даже качественной картины, объясняющей полученные данные по влиянию степени дисперсности нанопорошков на интенсивность УЗ-эхосигнала от их суспензии.
-2
-2
Доказана возможность визуализации суспензий нанопорошков оксидов металлов при помощи стандартного ультразвукового датчика, обычно применяемого в медицинской практике. Выявлено, что варьирование линейных скоростей течения суспензии в трубке гидродинамического стенда в диапазоне от 3·10 до 26·10 м/с не влияет на значение яркости эхосигнала. Установлена зависимость между интенсивностью отраженного сигнала и объемной концентрацией частиц нанопорошка оксидов металлов в суспензии. Выявлена обратная связь между интенсивностью отраженного ультразвукового сигнала и размерами частиц нанопорошков. Полученные данные служат основой для практического использования суспензий частиц нанопорошков в качестве контрастирующих веществ при УЗ-диагностике.