PL173817B1 - Sposób otrzymywania środka kontrastowego do ultrasonografii - Google Patents

Abstract

1. Sposób otrzymywania srodka kontrastowego do ultrasonografii, polegajacy na wprowadzaniu substancji do roztworu wodnego z wytworzeniem dyspersji gazu w cieczy, znamienny tym, ze w trakcie mieszania roztworu wodnego wprowadza sie substancje stanowiaca co najmniej jedna fluoropochodna weglowodoru wybrana z grupy fluoropo- chodnych weglowodorów zawierajacych 3 - 5 atomów wegla w lancuchu i kontynuuje sie mieszanie az do utworzenia ustabilizowanych gazowych mikropecherzyków tej substan- cji, z których przynajmniej czesc ma srednice mniejsza niz 8 mikrometrów. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania środka kontrastowego, do ultrasonografii.

Sposobem według wynalazku otrzymywany jest środek kontrastowy, zwiększający kontrast ultrasonograficznego obrazu generowanego w diagnostyce medycznej. Środek ten składa się z niezwykle małych pęcherzyków gazu, które występują w roztworze podawanym do ciała podczas, albo tuż przed wytwarzaniem obrazu ultrasonograficznego. Sposób według wynalazku pozwala na poprawęjakości obrazu ultrasonograficznego poprzez dobór gazów, z których można wytwarzać wolne mikropęcherzyki o nowych, nieoczekiwanie korzystnych właściwościach. Mikropęcherzyki te, mogą być niezwykle małej wielkości i mimo to mogą trwać w krwioobiegu wystarczająco długo, aby pozwolić na oglądanie w zwiększonym kontraście fragmenty układu sercowo-naczyniowego, obwodowego układu naczyniowego i innych ważnych narządów przedtem uważanych za niedostępne dla wolnych mikropęcherzyków gazu.

Podczas używania ultradźwięków w celu otrzymania obrazu narządów wewnętrznych i struktur człowieka czy zwierzęcia, fale ultradźwiękowe - fale od energii dźwięku o częstotliwości wyższej niż ta, którą może wykryć ludzkie ucho - są odbijane gdy przechodzą przez ciało człowieka. Różne typy tkanek odbijają ultradźwięki w różny sposób i odbicia te, często trafnie opisywane jako echa, wytwarzane przez fale ultradźwiękowe odbijające się od różnych struktur wewnętrznych, są wykrywane i zamieniane elektronicznie w widzialny obraz. Obraz ten może okazać się nieoceniony dla lekarza lub innego diagnostyka, włączając w to ocenianie progresji choroby wieńcowo-naczyniowej lub też występowanie czy rodzaj raka.

Ze względu na niektóre uwarunkowania medyczne, otrzymanie użytecznego obrazu narządu lub interesującej nas struktury jest szczególnie trudne, ponieważ szczegóły struktury mogą nie być dostatecznie wyróżnione w stosunku do otaczającej tkanki w obrazie ultrasonograficznym, wytwarzanym przez odbicie fal ultradźwiękowych w nieobecności czynnika zwiększającego kontrast. Należy też dodać, że tradycyjne obrazy ultrasonograficzne są wciąż słabej jakości i

173 817 rozdzielczości, Z tego powodu, wykrywanie i obserwację pewnych fizjologicznych zjawisk można znacznie poprawić poprzez zwiększenie kontrastu w obrazie uzyskiwanym za pomocą ultradźwięków. Kontrast ten można zwiększyć poprzez podanie czynnika do narządu lub interesującej nas struktury. W innych przypadkach szczególnie istotne jest wykrywanie ruchu samego czynnika zwiększającego kontrast. Na przykład, odmienny wzór przepływu krwi o którym wiadomo, że pojawia się jako wynik określonych nieprawidłowości sercowo-naczyniowych może być wyróżniony tylko poprzez wprowadzenie czynnika kontrastującego do krwioobiegu i obserwowanie dynamiki przepływu krwi.

Przeprowadzane są wyczerpujące badania nad możliwością stosowania związków stałych, gazów i cieczy, jako związków zwiększających kontrast w ultrasonografii, odpowiednich dla określonych potrzeb diagnostycznych. Złożone substancje takie jak mikropęcherzyki w kapsułkach żelatynowych, liposomy zawierające mikropęcherzyki, sonikowane, częściowo zdenaturowane białka i emulsje zawierające wysokofluorowane związki organiczne, poddawano badaniom, w celu wytworzenia czynnika, który miałby pewne określone własności, przede wszystkim stabilność w ciele i zdolność wytwarzania znacznie zwiększonego kontrastu w obrazie ultrasonograficznym. Małe cząstki gazu, nazwane mikropęcherzykami można wykryć na obrazie wytwarzanym za pomocą standardowych technik ultrasonograficznych. Kiedy poda się je do krwioobiegu, lub określonego miejsca w ciele, mikropęcherzyki zwiększają kontrast między zawierającym je obszarem a otaczającą tkanką.

Znaczna część wysiłku badawczego związanego z wytwarzaniem środków zwiększających kontrast była skoncentrowana na wytworzeniu niezmiernie małych pęcherzyków gazu.

Znane było od dawna, że wolne pęcherzyki gazu stanowią bardzo efektywny czynnik kontrastowy, ponieważ pęcherzyk gazowy ma unikalne właściwości fizyczne, które wpływają na energię ultradźwięku, gdy jest on przeprowadzany przez ciało. Zalety wolnych pęcherzyków gazowych w stosunku do cieczowych lub stałych środków zwiększających kontrast opisano szczegółowo poniżej w kontekście dyskusji technik diagnostyki ultradźwiękowej.

Jednakże, pomimo znanych zalet, szybkie rozpuszczanie się pęcherzyków gazowych w roztworach takich jak krew lub w wielu wodnych roztworach wprowadzanych dożylnie, poważnie ogranicza ich użycie jako czynnika zwiększającego kontrast ultrasonograficzny. Najważniejszymi ograniczeniami są wielkość mikropęcherzyka i długość czasu w jakim mikropęcherzyk będzie występował przed rozpuszczeniem się w roztworze.

Określając bliżej wymagane wielkości mikropęcherzyków należy stwierdzić, że pęcherzyki gazowe muszą być oczywiście wystarczająco małe, tak żeby zastosowanie zawiesiny pęcherzyków nie niosło ze sobą ryzyka zatoru w organizmie, do którego ta zawiesina została podana w formie wlewu. Jednocześnie, niezmiernie małe pęcherzyki gazu, składające się z gazów powszechnie używanych w ultrasonograficznym obrazowaniu kontrastowym rozpuszczają się w roztworze tak szybko, że ich zdolność do polepszania obrazu występuje natychmiast i tylko w miejscu bezpośrednio przy miejscu wlewu. Dodatkowa trudność występuje dla ultradźwiękowego obrazowania układu sercowo-naczyniowego. Badano czas potrzebny do rozpuszczenia się gazu w roztworze dla mikropęcherzyków składających się ze zwykłego powietrza, czystego azotu, czystego tlenu lub dwutlenku węgla. Mikropęcherzyki tych gazów, które są wystarczająco małe, żeby mogły przejść przez płuca i dotrzeć do lewej części serca, tzn. mikropęcherzyki o średnicy mniejszej niż 8 mikrometrów, mają czas życia mniejszy niż około 0,25 sekundy. Meltzer, R.S., Tickner, E.G., Popp, R.L., Why do the Lungs Clear Ultrasonic Contrast? Ultrasound in. Medicine and Biology, tom. 6, str. 263, 267 (1980). Jako, że przejście krwi przez płuca trwa około 2 sekund, mikropęcherzyki tych gazów byłyby w pełni rozpuszczone podczas przejścia przez płuca i nigdy nie dotarłyby do lewej części serca. Przede wszystkim ze względu na tę odwrotną zależność między wielkością pęcherzyków i długością ich życia został wyciągnięty wniosek, że wolne mikropęcherzyki gazowe nie są użyteczne jako czynniki zwiększające kontrast w diagnostyce ultrasonograficznej, niektórych części układu sercowo-naczyniowego.

Środki zwiększające kontrast w ultrasonografii, stosowane w sposobie według wynalazku, zawierają mikropęcherzyki gazów zgodnych biologicznie, wystarczająco małych, żeby przechodziły przez płucne naczynia włosowate o średnicy około 8 mikrometrów, umożliwiając w ten sposób diagnozowanie lewej komory serca za pomocą ultrasonografii przy zwiększonym kontraście. Wolne mikropęcherzyki gazowe przeżywają w krwioobiegu tak długo, że mogą być podawane we wlewie dożylnym w układzie obwodowym, przechodząc przez prawą część serca, przez płuca

173 817 i do lewej komory sercowej bez rozpuszczenia się w roztworze. Ponadto, niektóre z tych środków mają niezwykle długą trwałość w roztworze i umożliwiają zwiększanie kontrastu wielu narządów i struktur.

Wynalazek przezwycięża wiele ograniczeń uważanych za nieodłącznie związane z użyciem gazów. Dostarcza on metody wyboru gazów bazujących na określonych własnościach fizycznych tak, że mikropęcherzyki utworzone z tych gazów nie mają takich samych własności ograniczających (niedogodności) jak mikropęcherzyki badane poprzednio. Stwierdzono, że wytworzone zgodnie z wynalazkiem środki zwiększające kontrast ultrasonograficzny, zawierają mikropęcherzyki, która są trwałe przez wystarczająco długi czas i są wystarczająco małe tak, że ich obecność i trwałość w krwioobiegu pozwala na obrazowanie ultrasonograficzne o zwiększonym kontraście określonych struktur w ciele, które przedtem uważano za niedostępne dla wolnych mikropęcherzyków gazowych.

Terminu gaz zgodny biologicznie używa się w znaczeniu jednostki chemicznej, która jest zdolna do pełnienia swojej funkcji w lub pod kontrolą żywego organizmu, w sposób możliwy do zaakceptowania, bez nadmiernej toksyczności czy efektów fizjologicznych albo farmakologicznych, i która jest w temperaturze żywego organizmu, w stanie materii, różnym od stanu stałego lub ciekłego poprzez to, że ma bardzo niską gęstość i lepkość, względnie dużą zdolność do rozszerzania się i kurczenia wraz ze zmianami ciśnienia i temperatury oraz spontaniczną tendencję do rozprzestrzeniania się równomiernie wewnątrz każdego pojemnika.

Poniższa tabela przedstawia zakładane temperatury ciała różnych organizmów żywych:

Organizm	Temperatura w odbycie (stopnie Kelvina)
Świnia (Sus Scrofa)	311,6-312,3
Owca (Ovis sp.)	311,5-312,6
Królik (Oryctolaqus cuniculus)	312,5-312,9
Szczur (Tattus morvegicus)	310,7-311,3
Małpa (Macaca mulatta)	311,5-312,6
Mysz (Mus musculuś)	309,8-311,5
Koza (Capra hircus)	311,5-312,6
Świnka morska (Cavia porcellus)	312,0-313,2
Chomik (Mesocricetus sp.)	311,5-312,6
Człowiek (Homo sapiens)	310,2-311,2
Koń (Equus sp.)	311,5-312,3
Pies (Caninfamiliaris)	311,5-312,0
Pawian (Papio)	309,8-310,9
Kot (Felis catus)	311,5-312
Bydło (Bos taurus)	311,6-312,3
Szympans (Pan)	308,7-310,9

Techniki pomiaru zjawiska zwiększania kontrastu w ultrasonografii.

Materiały, które są użyteczne jako czynniki kontrastowe w ultrasonografii mają wpływ na fale ultradźwiękowe wtedy, gdy przechodzą przez ciało i są odbijane z wytworzeniem obrazu, na podstawie którego ustala się diagnozę lekarską. Różne typy substancji wpływają na fale ultradźwiękowe w różny sposób i w różnym stopniu. Co więcej, niektóre efekty działania czynników zwiększających kontrast są łatwiej mierzone i obserwowane niż inne. Tak więc, w wyborze idealnej mieszaniny dla czynnika zwiększającego kontrast, preferowana byłaby substancja, która ma najbardziej wyraźny wpływ na falę ultradźwiękową przechodzącą przez ciało. Poza tym, wpływ wywierany na falę ultradźwiękową powinien być łatwo mierzony. Występują trzy główne efekty zwiększania kontrastu, które można zobaczyć na obrazie ultrasonograficznym: rozpraszanie wsteczne, tłumienie strumienia, i szybkość różnicowania dźwięku.

A. Rozpraszanie wsteczne.

Gdy fala ultradźwiękowa, która przechodzi przez ciało, napotyka strukturę, takaj ak narząd lub inną tkankę ciała, struktura ta odbija część fali ultradźwiękowej. Różne struktury w ciele odbijają energię ultradźwięków w różny sposób i ze zróżnicowaną siłą. Tę odbitą energię

173 817 wykrywa się i używa do wytwarzania obrazu struktur, przez które przechodziła fala ultrasonograficzna. Termin, rozpraszanie wsteczne odnosi się do zjawiska rozpraszania energii ultradźwięku z powrotem, w kierunku źródła, przez substancję o określonych właściwościach fizycznych.

Od dawna uznaje się, że kontrast obserwowany w obrazie ultrasonograficznym można zwiększyć w obecności substancji, o których wiadomo, że powodują duże rozpraszanie wsteczne. Gdy taką substancję poda się do określonego miejsca w ciele, zwiększa się kontrast pomiędzy obrazem ultrasonograficznym tej części ciałą a otaczającymi tkankami, nie zawierającymi tej substancji. Jest zupełnie zrozumiałe, że ze względu na ich fizyczne właściwości, różne substancje w różnym stopniu wywołują rozproszenie wsteczne. W związku z tym, poszukiwania czynników zwiększających kontrast, koncentrują się na substancjach, które są trwałe i nietoksyczne i które wykazują maksymalną ilość rozpraszania wstecznego.

Przyjmując pewne założenia dotyczące sposobu odbijania energii ultradźwięku przez daną substancję, wyprowadzono matematyczne wzory, opisujące zjawisko rozpraszania wstecznego. Posługując się tymi wzorami specjalista może ocenić zdolność gazu, cieczy czy stałego czynnika zwiększającego kontrast do wywoływania rozproszenia wstecznego oraz stopień, w jakim określona substancja wywołuje mierzalne rozproszenie wsteczne. Ponadto może on porównać tę zdolność z innymi substancjami biorąc za podstawę fizyczną charakterystykę substancji, o której wiadomo, że wywołuje zjawisko rozproszenia wstecznego. Prostym przykładem jest: zdolność substancji A do wywoływania rozproszenia wstecznego będzie większa niż substancji B, jeżeli przy wszystkich innych czynnikach takich samych, cząstka substancji A jest większa niż substancji B. Tak więc, gdy obie substancje napotka fala ultradźwiękowa, substancja o większych cząstkach rozproszy większą część fali ultradźwiękowej.

Zdolność substacji do wywoływania rozproszenia wstecznego energii ultradźwięków zależy również od innych właściwości substancji, takich jak jej zdolność do sprężania. Szczególnie ważny jest drastyczny wzrost rozproszenia wstecznego spowodowany przez pęcherzyki gazu, wywołany przez zjawisko rezonansu pęcherzyka, które jest opisane poniżej. Podczas badania różnych substancji, użyteczne jest porównywanie zdolności substancji do wywoływania rozproszenia wstecznego znanej jako przekrój rozpraszania wstecznego.

Przekrój rozproszenia wstecznego określonej substancji jest proporcjonalny do promienia cząstki substancji rozpraszającej, jak również zależy od długości fali energii ultradźwięku i od innych fizycznych własności substancji, J. Ophir i K. J. Parker, Contrast Agents in Diagnostic Ultrasound, Ultrasound in Medicine & Biology, tom IS, n. 4, strony 319, 323 (1989).

Przekrój rozproszenia wstecznego substancji rozpraszającej o małych cząstkach, może być wyznaczony przez znane równanie:

	1 π a2 (ka)4			K - K s	2 + 1	3(P.	- P)	2
O δ			K	3	2PS	- P

gdzie k = 2π/λ, gdzie λ jest długością fali: a = promień substancji rozpraszającej; Ks = adiabatyczna ściśliwość substancji rozpraszającej, K=adiabatyczna ściśliwość środka, w którym występuje substancja rozpraszająca, ps = gęstość substancji rozpraszającej i p = gęstość środka, w którym występuje substancja rozpraszająca. P.M. Morse i K.U. Ingard, Theoretical Acoustics, p. 427, McGraw Hill, New York (1968).

Oceniając użyteczność różnych substancji jako czynników kontrastujących obraz, można uży_wać t_eg_o równania do określenia, który czynnik będzie miał większy przekrój rozpros_zeni_a wstecznego i w związku z tym, który czynnik będzie dawał największy kontrast _{w o}b_razi_e ultrasonograficznym.

W_racają_c do powyższego równania można założyć, że pierwsza wielkość w nawiasi_e będzie wart_ością stałą jeżeli chodzi o porównywanie stałych, ciekłych i gazowych substa_ncji rozpraszających. Można założyć, że ściśliwość cząstek stałych jest znacznie mniej_sza niż ściśliwość otaczającego środka i, że gęstość takiej cząstki jest dużo większa. P_rzyj_mują_c t_o

173 817 założenie, przekrój rozproszenia cząstki stałej czynnika zwiększającego kontrast oceniono na 1,75. Ophir i Parker, supra, na 325.

Dla czystej, ciekłej substancji rozpraszającej, adiabatyczna ściśliwość i gęstość substancji rozpraszającej i otaczającego środka prawdopodobnie będą prawie równe, co dałoby, według powyższego równania wynik, że ciecze miałyby przekrój rozpraszania równy zeru. Jednakże, ciecze mogą wywoływać pewne rozproszenie wsteczne, jeżeli występują duże objętości czynnika ciekłego prawdopodobnie dlatego, że składnik a w pierwszym członie i w nawiasie w powyższym równaniu może stać się dostatecznie duży. Na przykład, jeżeli czynnik gazowy przechodzi przez bardzo małe naczynie do bardzo dużego naczynia tak, że ciecz zajmuje dokładnie całe naczynie, ciecz może wykazywać mierzalne rozproszenie wsteczne. Niemniej jednak, w świetle powyższego równania i tego co powiedziano, fachowcy w tej dziedzinie oceniają, że czyste ciecze są stosunkowo nieefektywnymi substancjami rozpraszającymi w porównaniu do wolnych mikropęcherzyków gazu.

Wiadomo, że zmiany w akustycznych własnościach substancji są wyrażane na granicy między dwoma fazami, to jest ciecz/gaz, ponieważ charakterystyka odbicia fali ultradźwiękowej zmienia się znacznie na tej granicy. Dodatkowo, przekrój rozpraszania dla gazu jest znacząco różny dla cieczy czy substancji stałej, w części dlatego, że pęcherzyk gazu może być sprężony w dużo większym stopniu niż ciecz czy substancja stała. Znane są fizyczne właściwości pęcherzyków gazu w roztworze. W powyższym równaniu można użyć wartości standardowych dla ściśliwości i gęstości zwykłego powietrza. Przy użyciu tych standardowych wartości wynik dla drugiego członu równania, w nawiasie, wynosi oddzielnie około 10[14], Ophir i Parker supra, na 325, z całkowitym przekrojem rozproszenia zmieniającym się wraz ze zmianą promienia pęcherzyka. Co więcej, wolne pęcherzyki gazu, w roztworze, wykazują ruch oscylacyjny tak, że przy pewnych częstotliwościach pęcherzyki gazowe będą rezonować z częstotliwością bliską tej, dla fal ultradźwiękowych, która jest zwykle używana w obrazowaniu medycznym. W rezultacie, przekrój strefy rozpraszania pęcherzyka gazu może być ponad tysiąc razy większy niż jego wielkość fizyczna.

Dlatego też, uznaje się, że mikropęcherzyki są najlepszymi substancjami rozpraszającymi energię ultradźwięku i byłyby idealnymi czynnikami zwiększającymi kontrast, jeżeli możliwe byłoby przezwyciężenie trudności, jaką jest ich szybka rozpuszczalność w roztworze.

B. Tłumienie strumienia.

Innym efektem, który można obserwować w obecności pewnych stałych czynników zwiększających kontrast fazowy, jest tłumienie fali ultradźwiękowej. Kontrast obrazu w konwencjonalnym obrazowaniu ultrasonograficznym obserwuje się ze względu na różnice w lokalnym tłumieniu między różnymi typami tkanek. K.J. Parker i R.C. Wang, Measurement of Ultrasonic Attenuation Within Regions selected from B-Scan Images, IEEE Trans. Biomed. Enar. BME 30(8), p. 431-37 (1983); K.J. Parker, R.C. Wang i R.M. Lerner, Attenuation of Ultrasound Magnitute and Frequency Dependence for Tissue Characterization, Radiology, 153(3), p. 785-88 (1984). Postawiono hipotezę, że pomiary tłumienia obszaru tkanki wykonane przed i po wlewie czynnika mogą dawać polepszony obraz. Jednakże, techniki oparte na kontraście tłumienia poprzez zwiększanie kontrastu przez czynnik ciekły nie są dobrze rozwinięte, i nawet gdyby były w pełni rozwinięte, mogą wykazywać niedogodności związane z ograniczoną możliwością użycia tych technik w narządach czy strukturach wewnętrznych. Na przykład, jest nieprawdopodobne żeby utrata tłumienia wynikająca z użycia ciekłych czynników kontrastujących mogłaby być obserwowana na obrazie układu sercowo-naczyniowego, ze względu na dużą objętość ciekłego czynnika kontrastowego, która byłaby potrzebna w danym naczyniu zanim mogłaby być zmierzona znacząca różnica w tłumieniu.

Dokonano pomiarów kontrastu tłumienia powodowanego przez mikrokule Albunex (Molecular Biosystems, San Diego, CA) in vitro i sugerowano, że możliwe do osiągnięcia byłyby pomiary kontrastu tłumienia in vivo. H. Bleeker, K. Shung, J. Bumhard, On the Application of Ultrasonic Contrast Agents for Blood Floowometry and Assessnent of Cardiac Perfusion, J. Ultrasound Med. 9:461-471 (1990). Albunex jest zawiesiną zamkniętych 2-4 mikrometrowych mikrokul wypełnionych powietrzem, dla których zaobserwowano akceptowalną trwałość in vivo, i które są dostatecznie małej wielkości tak, że zwiększenie kontrastu może pojawić się w lewym przedsionku czy komorze serca. Również zaobserwowano kontrast tłumienia, który powstał w wyniku użycia zgromadzonych w wątrobie cząstek estru etylowego jodopamidu

173 817 (IDE). Uważa się, że w takich warunkach zwiększanie kontrastu powstaje w wyniku tłumienia fali ultradźwiękowej wskutek obecności gęstych cząstek w miękkim ośrodku. Absorpcja energii przez cząstki zachodzi poprzez mechanizm, który nazwano względnym ruchem. Można pokazać, że zmiana tłumienia spowodowana przez względny ruch, wzrasta liniowo wraz ze stężeniem cząstek i kwadratowo jeżeli chodzi o różnicę w gęstości między cząstkami i otaczającym ośrodkiem. K.J. Parker, et al., A Particulate Contrast Agent with Potential for Ultrasound Imaging of Liver, Ultrasound in Medicine & Biology, Vol. 13, no. 9, p. 555,561 (1987). Dlatego też, tam gdzie zachodzi znaczne nagromadzenie się stałych cząstek, kontrast tłumienia może służyć do obserwowania wzrostu kontrastu mimo, że efekt jest dużo mniejszy niż zjawisko rozpraszania wstecznego i byłby on w niewielkim stopniu użyteczny w diagnozie układu sercowo-naczyniowego.

C. Szybkość różnicowania dźwięku.

Inną dodatkową technikę zwiększania kontrastu obrazu ultrasonograficznego zaproponowano na podstawie faktu, że szybkość dźwięku zależy od ośrodka przez który przechodzi. Dlatego, jeżeli można podać we wlewie do badanego obszaru, dostatecznie dużą objętość czynnika, przez który dźwięk przechodzi z szybkością różną od szybkości w otaczającej tkance, może okazać się możliwe zmierzenie tej różnicy szybkości przechodzenia dźwięku przez badany obszar. W tej chwili technika ta jest jednak używana tylko eksperymentalnie.

Tak więc, biorąc pod uwagę trzy opisane powyżej techniki zwiększania kontrastu obrazu ultrasonograficznego stwierdza się, że znaczny wzrost rozproszenia wstecznego powodowany przez wolne pęcherzyki gazu jest techniką dającą największy efekt i środki zwiększające kontrast, które są oparte na wykorzystaniu tego zjawiska byłyby najbardziej pożądane, jeżeli możnaby przezwyciężyć trudność związaną z ich ograniczoną trwałością w roztworze.

Znane materiały stosowane jako czynniki zwiększające kontrast.

W świetle tego co wiadomo o różnych technikach, które opisano powyżej, wysiłki w celu wytworzenia środka, którego obecność spowoduje powstanie znacznego kontrastu w obrazie ultrasonograficznym, i którego czas życia in vivo będzie wystarczająco długi, żeby umożliwić zobrazowanie układu sercowo-naczyniowego, doprowadziły do badania szerokiego spektrum substancji - gazów, cieczy, substancji stałych i ich kombinacji - jako czynników potencjalnie zwiększających kontrast.

A. Cząstki stałe.

Substancje stałe brane pod uwagę jako potencjalne środki zwiększające kontrast są wyjątkowo małymi cząstkami o stałej wielkości. Dużą ilość tych cząstek można podać we wlewie i mogą one krążyć swobodnie w krwioobiegu lub mogą być wstrzyknięte do określonego narządu czy obszaru ciała.

Cząstki IDE są stałymi cząstkami, które mogą być wytwarzane we względnie wąskim zakresie wielkości cząstek około 0,5-2,0 mikrometrów. Można wstrzykiwać jałowe injekcje tych cząstek w soli. Będą one miały tendencję do gromadzenia się w wątrobie. Gdy pojawi się znaczna akumulacja cząstek, zwiększanie kontrastu można wywołać albo przez tłumienie kontrastu albo przez mechanizm rozproszenia wstecznego. Chociaż zawiesiny zawierające te stałe cząstki rozproszone w cieczy, mogą być wystarczająco trwałe, efekty rozproszenia wstecznego czy tłumienia są względnie małe, porównując do wolnych pęcherzyków gazowych i musi wystąpić znaczne nagromadzenie cząstek zanim w obrazie ultrasonograficznym zaobserwuje się dostrzegalny kontrast. Tak więc, używanie tych zawiesin jest ograniczone do pewnych typów komórek, w których cząstki wykazują tendencje do koagulacji, ponieważ jeżeli stężenie zawiesiny nie będzie wysokie w określonej tkance, zwiększenie kontrastu będzie małe.

SHU-454 (Schering, A.G., Berlin Zachodni, Niemcy) jest doświadczalnym czynnikiem zwiększającym kontrast w formie proszku takim, że gdy zostanie zmieszany z rozpuszczalnikiem cukrowym, tworzy zawiesinę kryształów o różnych romboidalnych i wielościennych kształtach w zakresie wielkości od 5 do 10 pm. Chociaż nie jest do końca poznany dokładny mechanizm zwiększania kontrastu przez te kryształy, przypuszcza się, że kryształy mogą wyłapywać mikropęcherzyki do swojej struktury lub, że kryształy same w sobie mogą wywoływać rozproszenie wsteczne energii ultradźwięków przez nieokreślony, jak dotąd, mechanizm.

B. Ciecze i emulsje.

Inny_{m s}posobem uzyskania satysfakcjonującego środka zwiększającego k_ont_rast, j_est _wytwarzani_e emulsji przez łączenie jednostek chemicznych zgodnych z tkanką ciała i jedno^ek,

173 817 które dają duże zwiększenie kontrastu. Opis zgłoszenia EP nr 0231091 ujawnia emulsję oleju w wodzie zawierającą bogato fluorowane związki organiczne, które badano w związku z ich możliwym użyciem jako substytutów krwi, i które również wykazują zdolność wytwarzania zwiększonego kontrastu w obrazie ultrasonograficznym.

Badano również emulsje zawierające bromek perfluorooktylu (PFOB). Emulsje bromku perfluorooktylu są związkami ciekłymi znanymi ze zdolności transportowania tlenu. Emulsje PFOB wykazują ograniczoną użyteczność jako czynniki kontrastujące w ultrasonografii z powodu dążenia do gromadzenia się w pewnych typach komórek. Chociaż mechanizm ich działania nie jest w pełni rozumiany, emulsje PFOB mogą wytwarzać kontrast ultrasonograficzny, ponieważ charakteryzują się wysoką gęstością i stosunkowo dużą stałą ściśliwości.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 4 900 540 znane jest użycie liposomów opartych na fosfolipidach, zawierających gaz lub prekursor gazu jako czynnik zwiększający kontrast. Liposom jest mikroskopowym, kulistym pęcherzykiem, zawierającym podwójną warstwę fosfolipidów i innych cząsteczek amfipatycznych, a wewnątrz wodną przestrzeń, wszystko zgodne z komórkami ciała. W większości zastosowań, liposomów używa się jako sposobu zamknięcia materiałów aktywnych biologicznie. Powyższy odnośnik literaturowy ujawnia użycie gazu lub prekursorów gazu wprowadzonych do wnętrza liposomów w celu umożliwienia dłuższego okresu życia dla gazu, gdy jest on podany we wlewie do ciała. Wytwarzanie trwałych liposomów jest drogim i czasochłonnym procesem wymagającym wyspecjalizowanych surowców i wyposażenia.

C. Mikropęcherzyki.

Jak podano powyżej, krytycznym parametrem, który musi być wykazywany przez mikropęcherzyk używany jako czynnik zwiększający kontrast, jest jego wielkość. Wolne mikropęcherzyki gazowe większe niż około 8 gm mogą być dostatecznie małe żeby nie przeszkadzać przepływowi krwi, lub okludować łożyska naczyń, jednakże mikropęcherzyki o tej wielkości są usuwane z krwi podczas jej przepływu przez płuca. Jak powiedziano powyżej, z literatury medycznej jest znane, że mikropęcherzyki dostatecznie małe żeby przejść przez płuca, rozpuszczają się tak szybko, że zwiększenie kontrastu obrazu lewej części serca przy użyciu wolnych mikropęcherzyków gazu nie jest możliwe. Meltzer, R.S., Tickner, E.G., Popp, R.L., Why Do the Lungs Clear Ultrasonic Contrast? Ultrasound in Medicine and Biology, tom 6, str. 263, 267 (1980).

Jednakże, z powodu osiągania dużego przekroju rozproszenia osiąganego przez mikropęcherzyki, jako czynników zwiększających kontrast, zwrócono uwagę na wytwarzanie mieszanin zawierających mikropęcherzyki trwałe w roztworze. Zwiększenie trwałości mikropęcherzyków gazu w roztworze można osiągnąć na wiele sposobów.

Każda z technik, które będą przedstawiane, w istocie zawiera w sobie rozpuszczenie zbioru mikropęcherzyków w substracie, w którym pęcherzyk zwykłego gazu jest bardziej trwały niż w krwioobiegu.

W jednej z technik, mikropęcherzyki są wprowadzane w lepkich cieczach, które są wstrzykiwane lub podawane we wlewie do ciała, w trakcie diagnozowania ultrasonograficznego. Teoretycznie używanie lepkich płynów zawiera w sobie próbę obniżenia szybkości, z którą gaz rozpuszcza się w roztworze, i jeżeli tak się dzieje, dostarcza się bardziej trwałego środowiska dla pęcherzyków i w konsekwencji czas ich życia jest przedłużony.

Znanych jest kilka odmian tej techniki. Zgłoszenie EP nr 0 324 938 opisuje lepki roztwór materiału zgodnego biologicznie, taki jak ludzkie białko, w którym zawarte są mikropęcherzyki. Mikropęcherzyki są tworzone w roztworze, poprzez sonikację białka o wysokiej lepkości. Częściowa denaturacja białka przez traktowanie chemiczne i wysoką temperaturę, daje dodatkową trwałość mikropęcherzyków w roztworze, co jest wynikiem zmniejszenia napięcia powierzchniowego między pęcherzykiem i roztworem.

Dlatego, powyższe techniki mogą być zaklasyfikowane jako próby zwiększenia trwałości mikropęcherzyków poprzez użycie ośrodka stabilizującego, w którym są zawarte mikropęcherzyki. Jednakże, żadna z tych technik nie zajmuje się pierwotnymi fizycznymi i chemicznymi własnościami gazów, które to własności poważnie ograniczają użycie wolnych mikropęcherzyków gazowych w diagnostyce ultrasonograficznej, szczególnie jeżeli chodzi o układ sercowonaczyniowy. Żadna z nich nie sugeruje wyboru określonych gazów, posiadających zdolność wytwarzania trwałych mikropęcherzyków o wielkościach umożliwiających wewnątrzpłucne

173 817 obrazowanie ultrasonograficzne przy zwiększonym kontraście, przez zastosowanie precyzyjnych kryteriów tego wyboru.

Zachowanie się mikropęcherzyków w roztworze, może być opisane matematycznie na podstawie parametrów i właściwości gazu, z którego tworzy się mikropęcherzyk oraz roztworu, w którym mikropęcherzyk występuje. Zależnie od tego, w jakim stopniu roztwór jest nasycony gazem, z którego są wytwarzane mikropęcherzyki, można obliczyć czas życia mikropęcherzyków. P.S. Epstein, M.S. Plesset, On the Stability of Gas Bubbles in Liquid-Gas Solutions, The Journal of Chemical Physics, tom 18, n. 11, 1505 (1950). Opierając się na obliczeniach jest oczywiste, że wraz ze spadkiem wielkości pęcherzyka, rośnie napięcie powierzchniowe między pęcherzykiem i otaczającym roztworem. Wraz ze wzrostem napięcia powierzchniowego, szybkość z jaką pęcherzyk rozpuszcza się w roztworze, szybko wzrasta i dlatego wielkość pęcherzyka zmniejsza się coraz szybciej. Tak więc, szybkość z jaką pęcherzyk kurczy się, wzrasta wraz ze zmniejszaniem się wielkości pęcherzyka. Ostatecznym tego efektem jest, że populacja wolnych mikropęcherzyków gazowych, składających się ze zwykłego powietrza, rozpuszcza się tak szybko, że efekt zwiększania kontrastu jest niezmiernie krótkotrwały.

Przy użyciu znanego matematycznego równania, można obliczyć, że mikropęcherzyk powietrza o średnicy 8 mikrometrów, który jest wystarczająco mały, żeby mógł przejść przez płuca, będzie się rozpuszczał w czasie 190 i 550 milisekund, w zależności od stopnia nasycenia otaczającego roztworu. Opierając się na tych obliczeniach i badając sposób w jaki płuca usuwają czynniki kontrastu ultrasonograficznego, obliczono czasy rozpuszczania mikropęcherzyków tlenowych i azotowych we krwi człowieka i psa i stwierdzono, że wolny mikropęcherzyk gazowy nie pozwala na obrazowanie przy zwiększonym kontraście lewej komory ze względu na bardzo krótki czas życia mikropęcherzyków.

Badano szczegółowo fizyczne własności systemów, które cechują pęcherzyki gazu lub gazy rozpuszczone w roztworach ciekłych, włączając w to dyfuzję pęcherzyków gazu tworzonych podczas przepływu płynu przez zamknięte przestrzenie oraz rozpraszanie światła i dźwięku w wodzie przez pęcherzyki gazu.

Trwałość pęcherzyków gazowych w roztworze cieczowo-gazowym badano zarówno teoretycznie, Epstein P.S. i Plesset M.S., On the Stability of Gaz Bubbles in Liquid-Gas Solutions, J. Chem. Phys. 18:1505-1509 (1950) jak i doświadczalnie, Yang W.J. Dynamics of Gas Bubbles in Whole Blood and Plasma, J. Biomech. 4:119-125 (1971); Yang W J., Echigo R., Wotton DR. i Hwang JB., Experimental Studies of the Dissolution of Gaz Bubbles in Whole Blood and Plasma-I. J. Biomech 3:275-281 (1971); Yang WJ., Echigo R., Wotton DR. i Hwang JB., Experimental Studies of the Dissolution of Gaz Bubbles in Whole Blood and Plasma-H. Moving Bubbles or Liquids. J. Biomech. 4:283-288 (1971). Własności fizyczne cieczy i gazu wyznaczają zachowanie termodynamiczne i kinetyczne układu. Chemicznymi własnościami układu, które wpływają na stabilność pęcherzyka i w związku z tym na czas jego życia, są szybkość i stopień reakcji, które pochłaniają, przekształcają czy też wytwarzają pęcherzyki gazu.

Na przykład, dobrze znana reakcja obserwowana między gazem i cieczą ma miejsce wtedy, gdy gazowy dwutlenek węgla znajduje się w wodzie. Gdy gaz ten rozpuszcza się w wodzie, poprzez uwodnienie gazowego dwutlenku węgla, tworzy się kwas węglowy. Jako, że gazowy dwutlenek węglajest bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, gaz -dyfunduje szybko do roztworu i szybko obniża się wielkość pęcherzyka. Obecność kwasu węglowego w roztworze zmienia chemiczne własności kwasowo-zasadowe roztworu wodnego a ponieważ własności chemiczne roztworu zmieniają się poprzez rozpuszczenie gazu, trwałość pęcherzyków gazowych zmienia się, gdy roztwór nasyca się. W tym układzie, szybkość rozpuszczania pęcherzyka gazu zależy częściowo od stężenia gazowego dwutlenku węgla, który już rozpuścił się w roztworze.

Jednakże, w zależności od tego jaki gaz i ciecz występują w układzie, gaz może być w dużym stopniu nierozpuszczalny w cieczy i wtedy rozpuszczanie pęcherzyka gazu w cieczy będzie wolniejsze. W takiej sytuacji wykazano, że jest możliwe obliczenie trwałości pęcherzyka w układzie gazowo-ciekłym poprzez sprawdzenie pewnych fizycznych parametrów gazu.

Stwierdzono, że jest możliwe zidentyfikowanie układów chemicznych, w których wyjątkowo małe pęcherzyki gazowe nie są reaktywne w roztworze wodnym.

Sposób otrzymywania środka kontrastowego do ultrasonografii, polegający na wprowadzaniu substancji do roztworu wodnego z wytworzeniem dyspersji gazu w cieczy, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trakcie mieszania roztworu wodnego wprowadza się

173 817 substancję stanowiącą co najmniej jedną fluoropochodną węglowodoru wybraną z grupy fluoropochodnych węglowodorów zawierających 3-5 atomów węgla w łańcuchu i kontynuuje się mieszanie aż do utworzenia ustabilizowanych gazowych mikropęcherzyków tej substancji, z których przynajmniej część ma średnicę mniejszą niż 8 mikrometrów.

Po utworzeniu mikropęcherzyków gazu do roztworu wodnego dodaje się korzystnie środek zwiększający lepkość, którym szczególnie korzystnie jest sorbitol.

Jako fluoropochodną węglowodoru, zawierającą 3-5 atomów węgla w łańcuchu, stosuje się korzystnie jeden lub więcej związków wybranych z grupy obejmującej dekafluorobutan, dodekafluoropentan i oktafluoropropan.

Sposób według wynalazku, pozwala wybrać określone gazy, korzystne do obrazowania ultrasonograficznego. Gazy te mogą być używane do wytwarzania ośrodków zwiększających kontrast. Mikropęcherzyki mogą być wytwarzane za pomocą pewnych istniejących technik, w których używa się zwykłego powietrza i mogą być podane we wlewie tak jak w konwencjonalnej diagnostyce ultrasonograficznej.

Sposób, który jest przedmiotem wynalazku, wymagał przeprowadzenia obliczeń, zgodnych z przedstawionymi równaniami, opartych na wewnętrznych właściwościach gazu i cieczy. W szczególności, w równaniach ujawnionych poniżej, użyto gęstości gazu, rozpuszczalności gazu w cieczy i zdolności gazu do dyfuzji w roztworze, która z kolei jest zależna od objętości molowej gazu i lepkości roztworu. Tak wiec, za pomocą ujawnionego sposobu, można ocenić fizyczne własności danego układu gazowo/ciekłego, można oszacować szybkość i stopień rozpada pęcherzyków, oraz biorąc za podstawę obliczenia, można wybrać gazy, które mogłyby tworzyć efektywne czynniki zwiększające kontrast. Można więc wytwarzać i używać, przy użyciu istniejących technik znacznie efektywniejsze środki zwiększające kontrast, co poprawi jakość i użyteczność obrazowania ultrasonograficznego.

W celu lepszego zrozumienia sposobu według wynalazku, użyteczne jest wyprowadzenie matematycznych zależności, które opisują parametry układu gaz-ciecz i wpływ tych parametrów na trwałość pęcherzyka, ujawniający się wówczas, gdy zmienia się wartość jednego lub więcej parametrów. Zakłada się, że w czasie początkowym To, okrągły pęcherzyk gazu X o promieniu Ro, jest umieszczony w roztworze, w którym początkowe stężenie gazu X rozpuszczonego w roztworze jest równe zeru. Po pewnym okresie czasu, pęcherzyk gazu X rozpuści się w rozpuszczalniku i w tym czasie jego promień będzie równy zero. Dalej zakłada się, że roztwór jest w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem, i że stężenie rozpuszczonego gazu dla roztworu nasyconego określonym gazem jest oznaczone Co- Tak więc w czasie To, stężenie gazu w roztworze wynosi zero przy założeniu, że gaz nie rozpuści się jeszcze i że cały gaz, który występuje jest zawarty w pęcherzykach o promieniu Ro.

Z biegiem czasu, ze względu na różnice stężenia gazu w pęcherzyku i w roztworze gazu, pęcherzyki będą się kurczyć, ponieważ gaz z pęcherzyków rozpuszcza się w roztworze ze względu na proces dyfuzji. Po upływie określonego okresu czasu, zmiana promienia pęcherzyka od jego początkowego promienia Ro do mniejszego promienia R jest wyrażona za pomocą równania (1),

R

R

1-	2DC s		T
ί PRa	t

1/2 gdzie R jest promieniem pęcherzyka w czasie T, D jest współczynnikiem dyfuzji określonego gazu do cieczy i p jest gęstością określonego gazu, z którego jest wytworzony pęcherzyk.

Wynika z tego, że czas T potrzebny dla całkowitego rozpuszczenia się pęcherzyka można wyznaczyć z równania (1) przez podstawienie R/R = O i rozwiązanie dla T:

Równanie (2) T =

2DC

173 817

Wynik ten wskazuje, że trwałość pęcherzyka, a stąd czas jego życia wzrastają, jeżeli zwiększa się początkową wielkość pęcherzyka Ro, lub gdy wybierze się gaz o większej gęstości p, niższej rozpuszczalności Cs w fazie ciekłej lub o niższym współczynniku dyfuzji D.

Współczynnik dyfuzji D gazu w roztworze zależy od objętości molarnej gazu (V_ra) i lepkości roztworu (η), jak wyrażono w znanym równaniu;

-5 -1.14 .,-0,589 (Równanie 3) D = 13,26 X 10 ♦ η ’ ‘ V*

Poprzez podstawienie wyrażenia dla D według równania (3) do równania (2) okazuje się, że trwałość pęcherzyka zwiększa się jeżeli używa się gazów o większej objętości molarnej V_m, które mają większy ciężar cząsteczkowy i cieczy o większej lepkości.

Porównanie trwałości mikropęcherzyków powietrza i mikropęcherzyków wytworzonych z gazów wybranych zgodnie z wynalazkiem. Przyjmując wielkość D dla powietrza w wodzie w 22°C jako 2x10'⁵cm²sec‘¹ i stosunek Cs/p = 0,02 (Epstein and Plesset, Ibid.) otrzymuje się następujące dane dla czasu całkowitego rozpuszczenia się pęcherzyków powietrza w wodzie (która nie jest nasycona powietrzem):

Tabela 1

Początkowa średnica pęcherzyka mikrometry	Czas milisekundy
12	450
10	313
8	200
6	113
5	78
4	50
3	28
2	13
1	3

Jeżeli czas przejścia krwi z płucnych naczyń włosowatych do lewej komory wynosi dwie sekundy lub więcej (Hamilton, W.F. editor, Handbook of Physiology, tom 2, część 2, CIRCULATION. American Physiology Society, Washington, D.C., str. 709, (1963)), i uznając, że tylko mikropęcherzyki o średnicy 8 mikrometrów lub mniej będą wystarczająco małe żeby przeszły przez płuca, wydaje się jasne, że żadne z tych mikropęcherzyków nie mają wystarczająco długiego okresu życia w roztworze, żeby były użytecznymi czynnikami kontrastującymi w obrazowaniu ultrasonograficznym w zwiększonym kontraście lewej komory serca.

Sposób według wynalazku pozwala na identyfikację potencjalnie użytecznych gazów poprzez porównanie własności jakiegokolwiek określonego gazu, który oznacza się w dalszym opisie jako gaz X, z powietrzem. Biorąc powyższe równania (2) i (3), można sformułować dla określonego gazu X współczynnik Q który będzie opisywał trwałość mikropęcherzyków zbudowanych z gazu X w danej cieczy. Wartość współczynnika Q, wyznaczonego tą metodą dla określonego gazu X, może być użyta w celu wyznaczenia użyteczności gazu X jako czynnika zwiększającego kontrast ultrasonograficzny w porównaniu do użyteczności zwykłego powietrza.

Opierając się na fizycznych własnościach gazu X i powietrza, można na podstawie równania (2) napisać równanie, które opisuje czas całkowitego rozpuszczenia się pęcherzyka gazu X w porównaniu do pęcherzyka zwykłego powietrza tej samej wielkości, w identycznych warunkach temperatury roztworu i lepkości roztworu:

Równanie (4)

T = T

X pow

- -
P		(c )
X		s pow.
P
- pow.-	S X

13,26 X ΙΟ'⁵- η^-1’¹⁴· (V )~’^5θ9 m χ

173 817 lub, jeżeli D dla gazu X jest znane, Równanie (5)

T

POH.

	(c ) s pow.		' D pow.
	(c )		D
	S X	*- X -

W celu wyrażenia tego równania tak żeby otrzymać wartość Q, co umożliwi porównanie gazu X z powietrzem, można przekształcić powyższe równanie:

(Równanie (6) gdzie, T_x=QTpo_Wi_etree

r-					Γ D 1
p		(C )			pow.
X		s	pow.
P		(c	>		D
*- pow.J		s	X

Zakładając dla porównania, że mamy roztwór w wodzie o temperaturze 22°C, dla którego) gęstość, współczynnik dyfuzji i rozpuszczalność powietrza w roztworze są znanymi wielkościami, powyższe równanie daje:

Równanie (7)

Q = 4,0 X 10

Podstawiając równanie (3) do powyższego równania, dla gazów, których współczynnik dyfuzji D_x nie jest dobrze poznany, i zakładając że składnik dotyczący lepkości η dlai wody w temperaturze 22°C jest w przybliżeniu równy 1,0 cP, otrzymamy

Równanie (8)

Q = 3,0 x 10 (C) (7)

-,589

Tak więc znając gęstość, rozpuszczalność i objętość molową gazu, metoda ta pozwala na obliczenie wartości współczynnika Q.

Jeżeli Q będą mniejsze od jedności, mikropęcherzyki gazu X będą mniej trwałe w danym rozpuszczalniku niż mikropęcherzyki powietrza. Jeżeli Q będzie większe od jedności, mikropęcherzyki utworzone z gazu X są bardziej trwałe niż mikropęcherzyki powietrza i będą dłużej przeżywały w roztworze niż pęcherzyki powietrza. Jeżeli wszystkie inne właściwości byłyby takie same dla pęcherzyka o danej wielkości, to czas potrzebny do całkowitego rozpuszczenia mikropęcherzyka gazu X jest równy czasowi całkowitego rozpuszczenia mikropęcherzyka zwykłego powietrza pomnożonemu przez współczynnik Q. Jeżeli na przykład, współczynnik Q dla gazu X wynosi 10.000, to mikropęcherzyk gazu X będzie trwał 10.000 razy dłużej w porównaniu do mikropęcherzyka powietrza. Wartość Q może być wyznaczona dla jakiegokol173 817 wiek gazu, w jakimkolwiek roztworze zakładając, że wielkości zidentyfikowane tutaj są znane lub mogą być oznaczone.

W zależności od struktury chemicznej gazu mogą być potrzebne różne metody oznaczania lub oszacowywania wartości indywidualnych parametrów gęstości, współczynnika dyfuzji i rozpuszczalności. Wartości tych parametrów mogą być dostępne w znanej źródłowej literaturze naukowej, takiej jak Gas Encyclopedia lub tabulogramy publikowane przez American Chemical Society. Wartości gęstości większości gazów są łatwo dostępne z takich źródeł jak Handbook of Chemistry and Physics, CRS Press, 72d Ed. (1991-92). Dodatkowo, dla niektórych gazów dokładnie zmierzono rozpuszczalność w wodzie i objętość molarną. Jednakże w wielu przypadkach, może wystąpić potrzeba obliczenia lub oszacowania wartości liczbowych dla objętości molarnej i rozpuszczalności i wtedy, żeby dostarczyć danych do oznaczenia powyżej opisaną metodą współczynnika Q dla indywidualnego gazu muszą być przeprowadzone obliczenia. Przykład obliczeń wartości Q dla preferowanego wyboru gazów ilustruje jak sposób według wynalazku może być zastosowany w przypadku indywidualnych gazów.

Ogólnie mówiąc, wiele gazów zawierających fluor wykazuje niezwykle niską rozpuszczalność w roztworze, względnie wysokie ciężary cząsteczkowe, wysokie objętości molarne i wysokie gęstości. W celu oznaczenia wartości Q oznaczono rozpuszczalność, objętość molarną i gęstość pojedynczych gazów. Wartości te zostały podstawione do powyższych równań (7) lub (8).

Oznaczanie rozpuszczalności gazu dla fluoropochodnych węglowodorów.

Oznaczanie to przeprowadza się przez ekstrapolację danych doświadczalnych Kobalnowa A.S., Makarowa K.N., i Scherbakowa O.V. Solubility of Fluorocarbons in Water as a Key Parameter Determining Fluorocarbon Emulsion Stability, J. Fluor. Chem. 50, 271-284 (1990). Rozpuszczalność gazów tych fluoropochodnych węglowodorów oznacza się względem perfluoro-n-pentanu, który ma rozpuszczalność 4,0x10'⁶ moli na litr. Dla homologicznego szeregu nierozgałęzionych fluoropochodnych węglowodorów rozpuszczalność gazu może być oznaczona przez zwiększenie lub zmniejszenie tej wielkości przez czynnik około 8,0 dla każdego wzrostu lub zmniejszenia się ilości dodatkowych grup -CF2- w cząsteczce.

Oznaczanie objętości molarnej.

Objętość molarną (Vm) oznacza się z danych Bondi’ego A. Van der Waals Volumes and Radii J. Phys. Chem. 68, 441-451 (1964). Objętość mokimą gazu można oszacować przez identyfikację ilości i rodzaju atomów, z których składa się badana cząsteczka gazu. Przez oznaczenie ilości i rodzaju atomów występujących w cząsteczce i sposobu w jaki pojedyncze atomy są związane jeden do drugiego, można zastosować znane wielkości objętości molowej dla pojedynczych atomów. Biorąc pod uwagę udział każdego pojedynczego atomu i częstość jego występowania, można obliczyć całkowitą objętość mokimą dla określonej cząsteczki gazu. Obliczenie to najlepiej pokazuje przykład.

Wiadomo, że w alkanach cząsteczka węgla w wiązaniu węgiel-węgiel ma objętość mokimą równą 3,3 centymetrów sześciennych na mol, atom węgla w wiązaniu węgiel-węgiel alkenów ma objętość mokimą równą 10,0 centymetrów sześciennych na mol, a gdy wiele atomów fluoru jest związanych z węglem alkanów, atom fluoru ma wówczas objętość mokimą 6,0 centymetrów sześciennych na mol.

Badanie oktafluoropentanu pokazuje, że cząsteczka ta zawiera trzy atomy węgla w wiązaniach węgiel-węgiel alkanów (3 atomy po 3,3 centymetry sześcienne na mol) i 6 atomów fluoru związanych z węglem alkanu (6 atomów po 6,0 centymetrów sześciennych na mol). Stąd oktafluoropropan ma gęstość mokimą równą 58 centymetrów sześciennych na mol.

Gdy oznaczy się gęstość, objętość molarną i rozpuszczalność, można, korzystając z równania 8 powyżej, obliczyć wartość Q.

W tabeli poniżej podano wartość Q, którą wyznaczono na podstawie obliczeń objaśnionych powyżej, dla szeregu gazów.

173 817

Tabela 2

Gaz	Gęstość kg/m3	Rozpuszczalność mikromol/litr	Objętość molowa cm3/mol	Q
argon	1,78	1500	17,9	20
n-butan	2,05	6696	116	5
dwutlenek węgla	1,98	33000	19,7	1
dekafluorobutan	11,21	32	73	13,154
dsdekaflusrspertar	12,86	4	183	207,437
etan	1,05	2900	67	13
eter etylowy	2,55	977,058	103	0,1
hel	0,18	388	8	5
heksafluorobuta-1,3-dien	9(*)	2000	56	145
heksaflusro-2-butyr	9(*)	2000	58	148
heksafluoroetan	8,86	2100	43	116
heks afluoropropen	10,3	260	58	1299
krypton	3,8	2067	35	44
neon	0,90	434	17	33
azot	##	##	##	1
oktafluorobuten	10(*)	220	65	1594
oktaflusrscyklobutar	9,97	220	61	1531
sktafluoropropar	10,3	260	58	1299
pentan	2	1674	113	58
propan	2,02	2902	90	30
kześcioflusrek siarki	5,48	220	47	28
ksenon	5,90	3448	18

* gęstość tę wyznaczono na podstawie znanych gęstości homologicznych pochodnych węglowodorów.

## dla wyznaczenia tej wartości Q użyto w równaniu 7 podane powyżej wartości stosunku rozpuszczalność /gęstość równe 0,02 (supra) i współczynnika dyfuzji równe 2x10⁵cm²kek’¹.

Gdy wyznaczy się wartość Q, można poprzez wyznaczanie okresu życia zbioru różnej wielkości mikropęcherzyków, wytworoznych z badanego gazu, analizować użyteczność określonego gazu jako czynnika zwiększającego kontrast ultrakorograficzny, tak jak to zostało zrobione powyżej, w tabeli 1 dla powietrza. Biorąc wartość Q dla dekafluorobutanu i sprawdzając czas potrzebny dla pęcherzyków o różnej wielkości do rozpuszczenia w wodzie, otrzymuje się, poprzez pomnożenie za każdym razem wartości z tabeli 1 przez wartość Q dla dekafluorobutanu, wartości w tabeli 3:

Tabela 3

Początkowa średmca pęcherzyka mikrometry	Czas minuty
12	99
10	69
8	44
6	25
5	17
4	11
3	6,1
2	2,9
1	0,7

Należy zauważyć, że skala czasu w tabeli 3 to minuty a nie sekundy jak to było w przypadku powietrza. Wszystkie pęcherzyki dekafluorobutanu, nawet tak małe jak 1 mikrometr, mogą być wstrzyknięte na obwodzie i nie rozpuszczą się do roztworu podczas około 10 sekund, które są potrzebne na dotarcie do lewej komory. Podobne obliczenia mogą być przeprowadzone dla gazu

173 817 o jakimkolwiek współczynniku Q. Niewiele większe pęcherzyki będą zdolne do przejścia przez płuca i ciągle jeszcze zdolne przeżyć dostatecznie długo żeby to pozwoliło na badanie, zarówno perfuzji mięśnia sercowego jak i dynamiczne obrazowanie narządów brzucha. Co więcej, tak jak wiele gazów zidentyfikowanych tą metodą, dekafluorobutan cechuje mała toksyczność w niskich dawkach i z tego powodu dawałby on istotne korzyści jako czynnik zwiększający kontrast w konwencjonalnej diagnozie ultrasonograficznej.

Wytwarzanie zawiesiny mikropęcherzyki można osiągnąć, w prosty sposób, za pomocą kilku metod. Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 832 941, odnosi się do metody wytwarzania zawiesiny mikropęcherzyków o średnicy mniejszej niż 7 mikrometrów poprzez rozpylanie cieczy przez strumień gazu przy użyciu kranu trójdzielnego. Chociaż, w praktyce techniki mogą się różnić między sobą, to używanie kranu trójdzielnego jest preferowaną metodą do ręcznego zawieszania wielkiej ilości gazu o wysokim współczynniku Q, w celu wytwarzania tutaj opisanych środków zwiększających kontrast.

Ogólne techniki stosowania urządzenia zawierającego kran trójdzielny są dobrze znane w związku z preparatyką, powszechnie używanego do immunizacji zwierząt doświadczalnych, adiuwantu Freuda. Typowo kran trójdzielny składa się z pary strzykawek, które są połączone z komorą. Komora ma wyprowadzenie, z którego zawiesina może być zbierana lub też bezpośrednio podawana we wlewie.

Techniki używania kranu trójdzielnego mogą się różnić od tej która przedstawiona jest w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 832 941, ponieważ w tej procedurze używa się różnych gazów. Na przykład użycie jednego z gazów o wysokim współczynniku Q, ujawnionego tutaj może być bardziej efektywne jeżeli z układu usunie się zwykłe powietrze lub, gdy przed wytwarzaniem zawiesiny mikropęcherzyków przedmucha się go z innym gazem.

Preferowanym uzupełnieniem prezentowanego wynalazku jest mieszanie 40-50% roztworu sorbitolu (D-glucitol) z około 1-10% objętości gazu o wysokim współczynniku Q, gdzie 5% gazu jest wielkością optymalną. Sorbitol jest związkiem dostępnym w handlu, który, gdy zmiesza się go z roztworem wodnym, znacznie podnosi lepkość roztworu. Roztwory o wyższej lepkości, jak pokazano w równaniu 3 powyżej, wydłużają czas życia mikropęcherzyka w roztworze. 40-50% sorbitol preferuje się jako dużą dawkę do iniekcji, która jest tak niezmienna jak to tylko możliwe, bez zwiększania tolerowanego ciśnienia wstrzykiwania. W celu wytworzenia zawiesiny mikropęcherzyków pewną ilość wybranego gazu nabiera się do strzykawki. Ta sama strzykawka może zawierać również pewną objętość sorbitolu. Pewną ilość roztworu sorbitolu wciąga się do drugiej strzykawki, ilość taką, że suma dwóch objętości daje odpowiednią zawartość procentową gazu, biorąc pod uwagę pożądany procent objętości mikropęcherzyków. Przy użyciu dwóch strzykawek, z których każda ma bardzo mały otwór, ciecz jest rozpylana do atmosfery gazowej około 25 razy, lub tak wiele razy jak jest to potrzebne do wytworzenia zawiesiny mikropęcherzyków, których rozkład wielkości jest do zaakceptowania dla opisanych tutaj celów. Technika ta może oczywiście nieznacznie się różnić, w każdym razie osiąga się w jej wyniku zawiesinę mikropęcherzyków o pożądanej wielkości i o pożądanym stężeniu. Wielkość mikropęcherzyków można oceniać wzrokowo lub elektronicznie znaną metodą przy użyciu Coulter Counter (Coulter Electronics), Butler, B.D., Production of Microbubble for Use as Echo Contrast Agents, J. Clin., Ultrasound. tom 14 408 (1986).

Przykład 1. Wytworzono środek kontrastowy do ultrasonografii z użyciem dekafluorobutanu jako gazu tworzącego mikropęcherzyki. Wytworzono roztwór zawierający:

sorbitol 20,0 g

NaCl 0,9 g olej z nasion soi 6,0 ml

Tween 200,5 ml wodaq.s. 11000 ml

W wyniku mieszania otrzymano mydlącą się/, przzzroccystą, żółłą mieszaninę. 10 ml porcję tego roztworu pobrano do strzykawki na 10 ml. Strzykawkę następnie podłączono do trójdzielnego kurka odcinającego. Drugą 10 ml strzykawkę podłączono do kurka i do pustej strzykawki dostarczono 1,0 cc dekafluorobutanu (PCR, Inc., Gainesville, FL). Otwarto zawór kurka do strzykawki zawierającej roztwór i szybko mieszano fazę ciekłą i gazową 20-30 razy. Otrzymano w wyniku tego mleczno-biały, lekko lepki roztwór.

173 817

Przykład 2. Emulsję gazową, otrzymaną w przykładzie 1, rozcieńczono wodą (1:10 do 1:1000), umieszczono w hemocytometrze i badano w mikroskopie przy użyciu soczewek do imersji olejowej. Emulsja składała się z przeważającej części z pęcherzyków o średnicy 2-5 mikrometrów. Gęstość dla podstawowego nierozcieńczonego preparatu wynosiła 50-100 milionów mikropęcherzyków na ml.

Przykład 3. Przygotowano preparat z przykładu 1 i przeprowadzono echokardiografię na modelu psa. Pies mieszaniec o wadze 17,5 kg został znieczulony isofluranem. Ustawiono monitory do pomiaru ECG, ciśnienia krwi, częstości akcji sercai gazów krwi w tętnicach, według metod które opisał Keller, M.W., Feinstein, S.B., Watson. D.D.: Successful left ventricular opacification following peripheral venous injection of sonicated contrast agent: An experimental evaluation. Am Heart J. 114:570d (1987).

Wyniki oceny bezpieczeństwa są jak następuje:

Maksymalny procent zmian w mierzonych parametrach podczas 5 min po iniekcji.

	Ciśnienie tętnicze	Gazy krwi
Dawka	Skurczowe	Rozkurczowe	Średnie				Częstość akcji
			xl33,3 Pa			PaO2	PaCC>2	Ph	serca
0,5 ml	+6,	-14	+9,	0	+8,	-6	329	58,1	7,26	+10,	-19
1,0 ml	+9,	-2	+5,	-1	+ 4,	-4				+ 1»	-4
2,0 ml	+5,	-3	+5,	-1	+5,	-1				0,	-1
3,0 ml	+6,	-2	+7,	0	+4,	-3				0,	-3
4,0 ml	+5,	-1	+3,	-3	+ 5,	-3				0,	-3
5,0 ml	0,	-10	+1»	-3	0,	-4				+1,	-1
7,0 ml	0,	-13	0,	-8	0,	-9	313	28,6	7,36	0,	-1

Wszystkie zmiany były przejściowe i z reguły wracały do poziomu podstawowego w ciągu 3-6 minut. Powyższe dane dla bezpieczeństwa pokazują minimalne zmiany w wartości mierzonych parametrów hemodynamicznych. Wszystkie dawki dawały utratę przejrzystości zarówno dla prawej jak i lewej komory. Intensywność wzrastała wraz ze wzrostem dawki.

Przykład 4. Powyższe specyficzne oznaczenia użyteczności określonego gazu do użycia go jako środka do ultrasonografii mogą być przybliżone, jeżeli ciężar molekularny określonego gazu, jest znany, może być wyliczony lub może być zmierzony. Oszacowanie to opiera się na wyznaczeniu, że zachodzi zależność liniowa między logarytmem wartości Q i

50 100 150 200 250 300

Ciężar molekularny

173 817

Według tego rysunku można używać następującego przewodnika do oznaczenia wartości Q:

Ciężar molekularny	Oznaczona wartość Q
< 35	<5
35-70	5-20
71-100	21-80
101-170	81-1000
171-220	1001-10,000
221-270	10.001-100,000
>270	> 100,000

Poniższa tabela zawiera zestawienie gazów z odnośnymi wartościami ciężaru cząsteczkowego i oszacowanych wartości Q. Im wyższa wartość Q tym bardziej określony gaz jest obiecujący. Szczególnie obiecujące są gazy o wartościach Q większych od pięciu. Dodatkowymi kwestiami w wyznaczaniu przydatności jakiegokolwiek określonego gazu jako środka kontrastującego w ultrasonografii, które powinny być rozpatrywane obok długości życia otrzymanych mikropęcherzyków (oszacowanych przez wartość współczynnika Q), są między innymi ich koszt i toksyczność.

Tabela 4

Nazwa chemiczna	Ciężar molekularny	Wyznaczona wartość Q
1	2	3
heksafluoroaceton	166,02	81-1000
izopropyloacetylen	68	5-20
powietrze	28,4	<5
allen	40,06	5-20
tetrafluoroallen	112,03	81-1000
argon	39,98	5-20
metoksydimetylobom	71,19	21-80
trimetylobom	55,91	5-20
dwuwodny fluorek boru	103,84	81-1000
1,2-butadien	5 4,09	5-20
1,3-butadien	54,09	5-20
1,2,3-trichloro- 1,3-butadien	157,43	81-1000
2-fluoro-1,3-butadien	72,08	21-80
2-metylo-1,3-butadien	68,12	5-20
hek.safluoro-1,3-butad.ien	162,03	81-1000
butadiyn	50,06	5-20
n-butan	58,12	5-20
1-fluorobutan	76,11	21-80
2-metylobutan	72,15	21-80
dekafluorobutan	238,03	10,001-100,000
1-buten	56,11	5-20
2-buten{cis}	56,11	5-20
2-buten{trans}	56,11	5-20
2-mety Io-1-buten	70,13	5-20
3-metylo-1-buten	70,13	5-2
3-metylo-2-buten	68	5-20
perfluoro-1 -buten	200,03	1001-10,000
perfluoro-2-buten	200,03	1001-10,000
4-fenylo-3-butylen-2-en {trans}	146,19	81-1000
2-metylo-1 -buten-3-yn	66,1	5-20
azotek butylu	103,12	81-100
1-butyn	54,09	5-20
2-butyn	54,09	5-20
2-chloro-1,1,1,4,4,4-heksafluorobutyn	199	1001-10,000

173 817 cd. tabeli 1

1	2	3
3-metylo-1-butyn	68,12	5-20
perfluoro-2-butyn	162,03	81-1000
aldehyd 2-brompbutyrylu	151	81-1000
dwutlenek węgla	44,01	5-20
siarczek węgla	60,08	5-20
nitryl kwasu krotonowego	67,09	5-20
cyklobutan	56,11	5-20
metylocyklobutan	70,13	5-20
oktafluorocyklobutan	200,03	1001-100,000
perfluorocyklobutan	162,03	81-1000
3-chlorocyklopenten	102,56	81-1000
cyklopropan	42,08	5-20
kl-dimetylocyklopropan (trans, dl}	70,13	5-20
1,1 -dimetylocyklopropan	70,13	5-20
kż-dimetylocyklopropan (cis}	70,13	5-20
1,2-dίmetylρcyklpprppan (trans, 1}	70,13	5-20
etylocyklopropan	70,13	5-20
metylocyklopropan	56,11	5-20
deuter	4,02	<5
diacetylen	50,08	5-20
3-etylo-3-metylodiazydyryna	86,14	21-80
1,1,1 -trifluorpdiazρetan 110,04	81-1000
dimetyloamina	45,08	5-20
heksafluorodimetyloamina 153,03	81-1000
dwusiarczek heksafluorodimetylu	202,13	1001-10,000
dimetyloetyloamina	73,14	21-80
bis-(dimetylofosfino)amina	137,1	81-1000
2,3-dimetylρ-2-nprbprnyl	140,23	81-1000
perfluorodimetyloamina	171,02	1001-10,000
chlorek dimetylooksoniowy	82,53	21-80
4-metylo-1,3-diooksalil-2-en	102,09	81-1000
etan	30,07	<5
1,1,1 ^-tetrafluoroetan	102,03	81-1000
1,1,1-trifluorpetan	84,04	21-80
1,1,2,2-tetrafluoroetan	102,03	81-1000
1,1 ź-trichloro-1,2,2-trifluρroetan	187,38	1001-10,000
1,1-dichlprpetan	98	21-80
1,1 -dichloro- 1,2,2,2-tetrafluoroetan	170,9213	1001-10,000
1,1 -dichloro-1 -fluoroetan	116,95	81-1000
1,1-difluproetan	66,05	5-20
1,2-dichloro-1,1,2,2-tetrafluprpetan	170,92	1001-10,000
1,2-difluoroetan	66,05	5-20
1 -chloro-1,1,2,2,2-pentafluoroetan	154,47	81-1000
1 -chloro-1,1,2,2-tetrafluoroetan	136,48	81-1000
2-chloro-1,1 -difluoroetan	100	21-80
2-chloro-1,1,1 -trifluoroetan	118,49	81-1000
chloroetan	64,51	5-20
chlρropentafluprpetan	154,47	81-1000
dichlprρtrifluoroetan	152	81-1000
fluoroetan	48,06	5-20
heksafluoroetan	138,01	81-1000
nitrp-pentaίluorpetan	165,02	81-1000
nitrpzp-pentafluorpetan	149,02	81-1000
perfluoroetan	138,01	81-1000

173 817 cd.tabeli Γ

I	2	3
perfluoroetyloamina	171,02	1001-100,000
eter etylowy	74,12	21-80
eter etylowo-metylowy	60,1	5-20
eter etylowo-winylowy	72,11	21-80
etylen	28,05	<5
1,1-dichloroetylen	96,94	21-80
1, l-dichloro-2-fluoroetylen	114,93	81-1000
1,2-dichloro-l ,2-difluoroetylen	132,92	81-1000
1,2-difluoroetylen	64	5-20
1-chloro-1,2,2-fluoroetylen	116,47	81-1000
chlorotrifluoroetylen	116,47	81-1000
dichlorodifluoroetylen	132,92	81-1000
tetrafluoroetylen	100,02	21-80
fulwen	78,11	21-80
hel	4	<5
1,5-heptadiyn	92,14	21-80
wodór (H2)	2,02	<5
izobutan	58,12	5-20
izobutan, l,2-epoksy-3-chloro	106,55	81-1000
izobutylen	56,11	5-20
izopren	68,12	5-20
krypton	83,8	21-80
metan	16,04	<5
sulfonylochlorek tnfluorometanu	168,52	81-1000
sulfonylofluorek tnfluorometanu	152,06	81-1000
(pentafluorotio)trifluorometan	196,06	1001-10,000
bromodifluoronitrozometan	159,92	81-1000
bromofluorometan	112,93	81-1000
bromo-chloro-fluorometan	147,37	81-1000
bromotnfluorometan	148,91	81-1000
chlorodifluoronitrometan	131,47	81-1000
chlorodinitrometan	140,48	81-1000
chlorofluorometan	68,48	5-20
chlorotrifluorometan	104,46	81-1000
chlorodifluorometan	86,47	21-80
dibromodifluorometan	209,82	1001-10,000
dichlorodifluorometan	120,91	81-1000
dichlorofluorometan	102,92	81-1000
difluorometan	52,02	5-20
difluoroj odometan	177,92	1001-10,000
disilanometan	76,25	21-80
fluorometan	34,03	<5
jodometan	141,94	81-1000
jodotrifluorometan	195,91	1001-10,000
nitrotri fluorometan	115,01	81-1000
nitrozotrifluorometan	99,01	21-80
tetrafluorometan	88	21-80
trichlorofluorometan	137,37	81-1000
trifluorometan	70,01	5-20
trifluorometanosulfenylochlorek	136,52	81-1000
2-metylobutan	72,15	21-80
eter metylowy	46,07	5-20
eter metylowo-izopropylowy	74,12	21-80
azotyn metylowy	61,04	5-20

173 817 cd. tabeli 1. _

-J	-2	-3
siarczek metylowy	62,12	5-20
eter metylowo-winylowy	58,08	5-20
neon	20,18	<5
neopentan	72,15	21-80
azot (N2)	28,01	<5
podtlenek azotu	44,01	5-20
kwas 1,2,3-nonadekanotnkarboksylowy,	500,72	>100,000
ester 2-...hydroksytnmetylowy
l-nonen-3-yn	122,21	81-1000
tlen (O2)	32	<5
1,4-pentadien	68,12	5-20
n-pentan	72,15	21-80
perfluoropentan	288,04	>100,000
4-ammo-4-metylopentanen	115,18	81-1000
1-penten	70,13	5-20
2-penten {cis}	70,13	5-20
2-penten {trans}	70,13	5-20
3-bromo-1 -penten	149,03	81-1000
perfluoro-1 -penten	250,04	10,001-100,000
kwas tetrachloroftalowy	303,91	>100,000
2,3,6-trimetyłopiperydyna	127,23	81-1000
propan	44,1	5-20
1,1,1,2,2,3-heksafluoropropan	152,04	81-1000
1,2-epoksypropan	58,08	5-20
2,2-difluoropropan	80,08	21-80
2-aminopropan	59,11	5-20
2-chloropropan	78,54	21-80
heptafluoro-1 -nitropropan	215,03	1001-10,000
heptafluoro-1 -nitrozopropan	199,03	1001-10,000
perfluoropropan	188,02	1001-10,000
propen	42,08	5-20
1,1,1,2,3,3-heksafluoro-2,3-dichloropropyl	221	10,001-100,000
1-chloropropylen	76,53	21-80
1-chloropropylen {trans}	76,53	5-20
2-chloropropylen	76,53	5-20
3-fluoropropylen	60,07	5-20
perfluoropropylen	150,02	81-1000
propyn	40,06	5-20
3,3,3-trifluoropropyn	94,04	21-80
3-fluorostyren	122,14	81-1000
sześciofluorek siarki	146,05	81-1000
dziesięciofluorek dwusiarkowy (S2F10)	298	>100,000
2,4-diaminotoluen	122,17	81-1000
trifluoroacetomtryl	95,02	21-80
nadtlenek trifluorometylu 170,01	81 -1000
siarczek trifluorometylu	170,07	81-1000
sześciofluorek wolframu	298	>100,000
winyloacetylen	52,08	5-20
eter winylowy	70	5-20
ksenon	131,29	81-1000

Przykła d 5. Związek między wyliczoną wartością Q i trwałością danego gazu badano w celu oznaczenia jaka wartość Q stanowiłaby dolną granicę użyteczności danego gazu jako środka kontrastowego w ultrasonografii. W tych doświadczeniach parownicę Pyrex[TM]

173 817 (nr 3140) o wymiarach 190 x 100 mm napełniono około 2000 ml wody o temperaturze 37°c, 5 ml 20% sorbitolu pobrano do strzykawki na 10 ml połączonej z trójdzielnym kurkiem odcinającym. 10 ml strzykawkę zawierającą 2 centymetry sześcienne badanego gazu (lub, odpowiednio cieczy o niskiej temperaturze wrzenia) przyłączono do strzykawki zawierającej roztwór sorbitolu. Sorbitol i gaz, lub ciecz, szybko wymieszano 25 razy w celu wytworzenia zawiesiny mikropęcherzyków lub rozproszonej cieczy i potem zawiesinę szybko dodano do wody. Mikropęcherzyki w tej metodzie są ogólnie wielkości 100 mikrometrów i gdyby były wytworzone z powietrza ich trwałość wynosiłaby 31 sek. (0,5 min.). Widmo ultrasonograficzne wytwarzano za pomocą ultrasonografu Hewlett-Packard Model Sonos 500, który pracuje przy 5 MHz. Zapisywano czas, podczas którego można było zaobserwować mikropęcherzyki. Wyniki zawarto w tabeli 5 poniżej. Doświadczalne wartości Q otrzymano poprzez podzielenie zmierzonej trwałości danego gazu przez zmierzoną trwałość powietrza.

Tabela 5

Związek między wartością Q gazu i trwałością mikropęcherzyków

Gaz	Wartość Q (wyliczona)	Trwałość (Doświadczalnie wyznaczona wartość Q)
Eter etylowy	0,1	0,1 min. (0,2)
Powietrze	1	0,6 min. (1,0)
Butan	5	1,5 min. (2,6)
Hel	5	2,0 min. (3,5)
Propan	30	3,2 min. (6,0)
Pentan	58	20,6 min. (36)
Dodekafluoropentan	207,437	>5760 min. (> 10,105)

Doświadczenia te wskazują na znakomitą zgodność między wyliczonymi wartościami Q i wartościami wyznaczonymi doświadczalnie. Na podstawie tych danych można stwierdzić, że gazy dla których obliczy się wartość Q większą od pięciu powinny być potencjalnie użyteczne jako środki kontrastujące w obrazowaniu ultrasonograficznym.

Przykład 6. Związek między stanem skupienia danej jednostki chemicznej o wysokim współczynniku Q i jego użytecznością jako czynnika kontrastowego do ultrasonografii testowano poprzez porównanie wydajności perfluoropentanu i perfluoroheksanu w działaniu jako czynniki kontrastowe w ultrasonografii. Perfluoropentan (dodekafluoropentan) ma obliczony współczynnik Q równy 207,437 i temperaturę wrzenia, w standardowych warunkach ciśnienia, równą 29,5 °C. Perfluoroheksan (PCR, Inc., Gainsville, FL) ma obliczony współczynnik Q równy 1.659 496 i temperaturę wrzenia, w standardowych warunkach ciśnienia, równą 59-60°C. Dlatego też, w temperaturze 37°C, temperaturze ciała człowieka, perfluoropentan jest gazem, podczas gdy perfluoroheksan jest cieczą.

Wodne roztwory perfluoropentanu i perfluoroheksanu (2% w/obj.) wytworzono poprzez energiczną homogenizację w temperaturze 4°C. W celu symulacji ludzkiej krwi przygotowano plastykową zlewkę, zawierającą około 1000 ml wody w temperaturze 37°C, którą poddano ultrasonograficznemu badaniu widma, tak jak podano w przykładzie 5 powyżej, przed i po dodaniu próbek każdej z powyżej wymienionych rozcieńczeń.

Mniej niż 1,0 ml rozcieńczenia perfluoropentanu, gdy go zmieszano z symulowaną krwią, wytwarzało niezwyklejasny sygnał ultradźwiękowy, który trwał co najmniej 50 minut. Rozcieńczenie tego czynnika 1:10.000 ciągle jeszcze wykrywano.

Odwrotnie próbki 1 ml 5 rozcieńczenia perfluoroheksanu nie można było wykryć w tych samych warunkach, tak jak również próbki 10 ml (rozcieńczenie 1:100).

Wnioskiem, który należy stąd wyciągnąć jest, to że zarówno wysoki współczynnik Q jak i stan gazowy w temperaturze ciała organizmu, który będzie poddany analizie widma, są potrzebne do tego, aby substancja była skutecznym czynnikiem zwiększającym kontrast ultratonograficzny.

173 817

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz

Cena 4,00 zł

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania środka kontrastowego do ultrasonografii, polegający na wprowadzaniu substancji do roztworu wodnego z wytworzeniem dyspersji gazu w cieczy, znamienny tym, że w trakcie mieszania roztworu wodnego wprowadza się substancję stanowiącą co najmniej jedną fluoropochodną węglowodoru wybraną z grupy fluoropochodnych węglowodorów zawierających 3-5 atomów węgla w łańcuchu i kontynuuje się mieszanie aż do utworzenia ustabilizowanych gazowych mikropęcherzyków tej substancji, z których przynajmniej część ma średnicę mniejszą niż 8 mikrometrów.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po utworzeniu mikropęcherzyków gazu dodaje się do roztworu wodnego środek zwiększający lepkość.
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że jako środek zwiększający lepkość stosuje się sorbitol.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako fluoropochodną węglowodoru, zawierającą 3-5 atomów węgla w łańcuchu, stosuje się jeden lub więcej związków wybranych z grupy zawierającej dekafluorobutan, dodekafluoropentan, oktafluoropropan.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako fluoropochodną węglowodoru, zawierającą 3-5 atomów węgla w łańcuchu, stosuje się dekafluorobutan.
6. 6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako fluoropochodną węglowodoru, zawierającą 3-5 atomów węgla w łańcuchu, stosuje się dodekafluoropentan.
7. 7. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako fluoropochodną węglowodoru, zawierającą 3-5 atomów węgla w łańcuchu, stosuje się oktafluoropropan.