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2021年3月18日
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本周CEUS刊报
微气泡对医学超声成像的深远影响, 2021年3月12日, EurekAlert!
联合超声造影剂的四重融合成像用于乳腺癌的诊断, 2021年3月16日, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) — News Release
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文章及摘要
微气泡对医学超声成像的深远影响
新研究证明可操纵纳米气泡的大小、声学共振以及超声效果
2021年3月12日
EurekAlert!
RYERSON UNIVERSITY – FACULTY OF SCIENCE
Research News – News release
磷脂包装的硬膜造影剂和软膜造影剂示意图
来源：Amin Jafari Sojahrood and Al C. de Leon
如果看到“超声”这个词很容易联想到“声波”。但近年来，“气泡”逐渐出现在大家的视野中。这些瞬时的球状微泡可改善医学成像、疾病检测以及靶向递药。只有一个问题：气泡在注入血液后不久就会破裂。
如今经过10年的努力，一个多学科研究团队成功研制了一种更好的气泡。该团队研制了一种可定制外壳的纳米级气泡–这种气泡非常小，非常耐用，可以穿透并进入体内最难接近的区域。
这项研究是Al C.De Leon和其他作者合作，由克利夫兰Case Western Reserve University School of Medicine放射科的Agata A.Exner和Ryerson University物理系的Michael Kolios和多伦多Institute for Biomedical Engineering，Science and Technology，iBEST的Amin Jafari Sojahrood共同完成。该研究结果最近发表在ACS Nano上，题为“Towards Precisely Controllable Acoustic Response of Shell-Stabilized Nanobubbles: High-Yield and Narrow-Dispersity”。
Kolios说：“该进展使超声图像更加清晰。但从更广的角度来说，我们的联合理论和实验结果提供了一个基本框架，有助于构建生物医学成像的纳米气泡，并可能应用于其他领域，从材料科学到表面清洁和混合。”
超声中的气泡：缩小到纳米级
超声是世界上第二大最常用的医学成像方式。与其他方式一样，患者可以口服或注射造影剂以提高图像对比度，从而使结构更加清晰。
气泡是超声图像的造影剂。这些气泡由磷脂壳包裹。当超声波与气泡相互作用，使气泡振荡并反射与身体组织不同的声波而产生对比度。常规应用气泡，以提高图像质量并提高对疾病的诊断。但由于它们的大小(与红细胞相仿)，微泡仅限在血管中循环，不能到达血管外的病变组织。
Exner说：“我们在CWRU的研究团队设计了一种稳定的、长时间循环的纳米级气泡–直径为100-500nm。它们可以进入肿瘤渗漏的血管。”
如此纳米级的气泡非常适合更精细的应用，如分子成像和靶向药物递送。与Ryerson团队合作，研究人员对纳米气泡如何在超声下可视化的理论有了更清晰的理解，以及哪些影像技术可使气泡成像更清晰。
控制纳米气泡
撇开尺寸的问题，气泡也是复杂的振荡器，难以控制其行为。在目前的工作中，研究小组还设计出一种可精确控制的气泡并能够预测其如何与超声波相互作用以及声学反应。
de Leon说：“向气泡中加入膜添加剂，可控制气泡壳变硬(或变软)。因此可根据不同需求定制不同的气泡。”
例如，更坚硬、更稳定的气泡可在体内持续时间较长，使其进入难以到达的组织内。较软的气泡可在部分组织中产生更清晰的超声图像。甚至可通过调整气泡振荡以增加细胞的通透性，从而增加对靶细胞的药物递送，这可能会减少药物剂量。
患者是最终受益者
研究证实目前可定制气泡外壳属性并控制其与声波的相互作用，令人兴奋的是这种纳米气泡可应用诊断和治疗中。
Sojahrood认为这对生物医学和临床患者都有许多益处。他表示：“相比于其他成像或治疗方法，例如手术刀、笨重的MRI设备或CT扫描的放射性碘风险，超声是一种方便、快捷、有效且创伤较小的方式，通过纳米气泡推进超声发展，提高诊治效率，甚至在世界上更偏远的地区，能够改善患者预后，拯救更多的生命。”
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透视超声换能器的四重融合成像
2021年3月16日
Pohang University of Science and Technology (POSTECH)
News Release – Research News
四重融合成像系统的原理示意图
四重融合光学和超声成像系统用于诊断眼睛或肿瘤的状况，或通过透视超声换能器观察体内环境。
POSTECH电气工程、融合IT工程和机械工程系的Chulhong Kim教授、融合IT工程系的Byullee Park博士、跨学科生物科学与生物工程学院的博士研究生Jeongwoo Park、融合IT工程系的Hyung Ham Kim教授、材料科学与工程系的Unyong Jeong教授与京浦国立大学医学院的Hong Kyun Kim教授共同研发了透视超声换能器1和全球第一个四重融合成像系统。该研究成果发表在2021年3月8日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
人们对超声联合光学成像设备获取多种图信息的多模态成像系统越来越感兴趣。其中，超声换能器通过超声波获得图像，是超声检查中的图像传感器。但它不是光学透明的，激光不能有效通过，因此与光学成像设备同轴组合具有一定的局限性。
为了解决这个问题，研究小组研发出一种高灵敏度的透视超声换能器，使激光可有效地通过。首次在一个成像系统中实现了超声、光声、光学相干和荧光的四重融合图像。
将四重融合成像系统联合透视超声换能器应用于眼科成像系统中，研究人员能够观察到大鼠眼睛的角膜新生血管、结构变化、白内障、炎症和其他流行病学变化。
此外，当应用于肿瘤成像时，研究人员能够在不使用造影剂的情况下，对黑色素瘤小鼠的周围血管和组织的氧饱和度实现多参数评估。联合分子成像，可以通过注射无毒副作用的造影剂获取并观察乳腺癌小鼠的各种图像，从而实现乳腺癌的诊断。
预计这些研究成果将广泛应用于超声和光学传感器相关的各个行业，如医疗保健和医疗领域、通讯、汽车、机器人、无损检测以及眼科疾病和肿瘤成像诊断。
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