仿組織聲學特性的瓊脂基體模制備

摘" 要：利用瓊脂、甘油和二氧化硅制備出可根據具體的組織聲學特性來調配的通用體模配方。調制不同甘油濃度的瓊脂-甘油體模并測量其聲速得到甘油濃度與體模聲速變化的線性關系。改變二氧化硅濃度并測量瓊脂-二氧化硅體模的聲衰減系數變化得到二氧化硅濃度與體模聲衰減系數變化的線性關系。根據人體組織實際的聲學特性（如聲速、聲衰減系數）確定甘油和二氧化硅的濃度，制備該配方的體模并測量其聲學特性。由此得到的大腦（2%瓊脂-17%甘油-3%二氧化硅）配方的聲速為1 599.94 m/s、聲衰減系數為0.58 dB/cm-MHz，這與參考文獻中發現的人腦聲學特性相似?；谠撏ㄓ门浞娇梢灾苽洳煌M織的瓊脂基仿組織體模。

關鍵詞：體模；超聲；瓊脂；聲學特性；甘油；二氧化硅

中圖分類號：R318" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0026-05

Abstract： To prepare a general phantom formula which can be prepared according to specific tissue acoustic characteristics by using Agar， glycerol and silica. Agar-glycerol phantom with different glycerol concentration was modulated and the sound velocity was measured to obtain the linear relationship between glycerol concentration and phantom sound velocity. The linear relationship between the silica concentration and the sound attenuation coefficient of the phantom was obtained by changing the silica concentration and measuring the sound attenuation coefficient of the Agar-silica phantom. The concentration of glycerol and silica is determined according to the actual acoustic characteristics of human tissue （such as sound velocity and sound attenuation coefficient）. The phantom of the formula is prepared and its acoustic characteristics are measured. The sound velocity of the brain formula （2% Agar-17% glycerol-3% silica） was 1 599.94 m/s and the sound attenuation coefficient was 0.58 dB/cm-MHz， which was similar to the acoustic characteristics of human brain found in the reference. Agar-based tissue-imitating phantom of different tissues can be prepared based on this general formula.

Keywords： phantom; ultrasound; Agar; acoustic characteristics; glycerol; silica

組織模擬材料（體模）是一種模擬生物組織特定性質的材料[1]，其作為一種輔助研究工具在超聲研究中發揮著重要作用。體模必須具有與人體組織相似的聲學特性才能正確地模擬出與臨床效果一致的結果。目前用于評價體模聲學特性的主要參數為聲速和聲衰減系數。這2個聲學參數可以控制超聲波的傳播，因此可以在一定程度上決定超聲治療設備的有效性和準確性。

正確測量人體組織和組織模擬材料的聲學特性是十分重要的，其是建立最佳治療策略的關鍵因素。聲速的測量有多種方法，如共振干涉法[2]、脈沖法[3-4]、駐波法[5]和相位比較法等[6]。聲衰減系數的測量方法有超聲共振法，通過測量諧波共振腔的頻帶特性來測量聲衰減系數[2]，該方法通過避免直接測量反射信號以提高測量結果的可靠性；Nolle[7]提出脈沖透射法來測量高聚物的聲衰減系數。McSkimin[8]提出的一種類似于脈沖透射法的測量聲衰減系數的方法，分別記錄有樣品和沒有樣品的信號來計算聲衰減系數。Umchid[9]在2008年提出的可通過改變樣品厚度的方法來獲取介質的聲衰減系數。除此之外，聲衰減系數的測量方法還有脈沖反射法，即通過對具有和不具有樣品的情況下，對反射器反射的射頻信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）來計算聲衰減系數[10]。上述的各種技術已被廣泛地應用于估算各種材料和組織的聲速和聲衰減系數中。

目前已開發出多種不同配方的體模，各種體模的制備重點是通過不同的配方和配比使其聲學特性與組織相接近。一種混合了牛血清白蛋白（Bovine Serum Albumin，BSA）的聚丙烯酰胺水凝膠體模被開發出來用于高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）或HIFU劑量學研究[11]。聚氯乙烯增塑溶膠（Polyvinyl Chloride Plastisol，PVCP）作為一種新型材料，通過與石墨等材料混合制備仿組織體模[12-13]。聚氨基甲酸酯凝膠也已被用作組織替代品，但是這種凝膠的分子結構較為復雜，較難標準化，已制備的聚氨酯凝膠體模的聲速和聲衰減系數都處于軟組織對應值的較低范圍內[14]。還制備了聚乙烯醇冷凍凝膠體模，添加了石墨作為散射體、異丙醇來調節聲速[15]。已報導的明膠基凝膠配方，用來模擬以成像為目的的軟組織，通過添加不同的材料如酒精、石墨粉和二氧化硅等來改變聲散射和聲速[16-18]。但是明膠具有熔點低的缺點，且明膠基凝膠很容易受到微生物和細菌的侵害，難以實現材料的均勻分布。而瓊脂凝膠價格便宜，具有高熔點、易于生產和無毒的優點。在理想的存儲條件下，瓊脂凝膠可以保持長達2年半的穩定性質[19]。因此，瓊脂基體模已經被開發并廣泛使用。

本文選用瓊脂給體模提供中等的硬度和彈性，基于瓊脂的體模不會輕易破裂。此外，添加二氧化硅來控制體模的聲衰減系數，添加甘油來控制體模的聲速。通過測量不同濃度的二氧化硅及不同濃度的甘油對于聲衰減系數和聲速的影響來研究出不同的仿組織體模配方。

1" 材料和方法

1.1" 體模的制備

仿組織體模主要是由瓊脂糖、二氧化硅和甘油混合而成。使用的材料為脫氣水、西班牙瓊脂糖（Bio West Agarose，Biowest，Spain）、甘油（G116203，Aladdin，China）和二氧化硅（S5631，Sigma-Aldrich，USA）。制備步驟如下：在脫氣水中緩慢加入瓊脂糖，如果不添加其他材料，則將混合物用保鮮膜密封后加熱至沸騰，然后冷卻至50 ℃。在冷卻過程中，使用磁力攪拌器連續攪拌混合物。當向混合物中加入其他材料時，首先將瓊脂糖加入脫氣水中，后加入二氧化硅。將瓊脂糖和二氧化硅的混合物用保鮮膜密封后加熱至沸騰，然后將混合物冷卻至50 ℃。高溫可以使瓊脂鍵斷裂并與其他混合物結合，后使用磁力攪拌器在冷卻過程中攪拌混合物使其混合均勻并去除混合物中的氣泡（如添加甘油，則在混合物冷卻過程中加入甘油）。每個模型的制備過程簡易，時間可控制在40 min內。將充分攪拌的混合物溶液倒入模具中，在室溫條件下凝固成型。所有的體模使用統一的鋁塊為模具容器，鋁塊能較好地散熱使混合物快速降溫凝固以盡量避免沉積。有研究表明可以添加一種防止真菌生長的防腐劑如苯甲酸鈉來保護體模[20]，避免體模受到微生物的影響（如添加防腐劑，則在加入瓊脂糖2～3 min后加入防腐劑）。本文中所有的體模都沒有添加防腐劑，在制作后的24 h內進行測量以避免微生物的生長分解。

1.2" 聲學特性測量

圖1為用于測量體模聲速、聲衰減系數的實驗裝置。實驗裝置主要由超聲脈沖發生器/接收器（JSR DPR300，JSR Ultrasonics，USA）、反射體、體模、Pico數據采集卡（PicoScope 5000D，Pico Technology，UK）、游標卡尺（DL3941，Deli，China）和電腦組成。使用超聲脈沖發射接收器來產生超聲波信號。信號的發射和接收由一個中心頻率為1 M的換能器實現。接收到的信號傳輸到數據采集系統Pico端存儲，后對數據進行分析計算。

為了計算體模的聲速，測量了從信號發射到接收到回波信號的時間差，聲速的計算公式為

（1）

式中：c為體模的聲速；？駐t為測量的時間差；d為信號傳輸路徑的長度，其是使用游標卡尺測量的。

為了測量體模的聲衰減系數，分別測量了有體模和沒有體模情況下的回波信號。體模聲衰減系數的計算公式為

（2）

式中：α為所測量的體模的聲衰減系數；A（f）為有體模時測量的回波信號在頻率f處的幅值；A0（f）為沒有體模時測量的回波信號在頻率f處的幅值。

2" 結果分析

利用圖1所示的測量裝置計算了每個樣品的聲速及聲衰減系數。不同的瓊脂-二氧化硅體模、瓊脂-甘油體模及瓊脂-甘油-二氧化硅體模都是通過同種制作程序來制備的。每種配方共制作了5種同樣配比的樣品，從中獲得平均值和對應的標準差。圖2顯示了2%瓊脂在不同甘油濃度下制作瓊脂-甘油體模時所測量的聲速的變化。圖3顯示了2%瓊脂在不同二氧化硅濃度下制作瓊脂-二氧化硅體模時所測量的聲衰減系數的變化。將測量的數據進行線性擬合，得到體模聲速與甘油濃度具有較好的線性關系，其線性關系式為

y=1 463.55+5.67x。 （3）

體模聲衰減系數與二氧化硅濃度也具有較好的線性關系，其線性關系式為

y=０.０４+0.18x 。 （4）

利用以上得到的線性關系來計算每種添加劑所需的濃度。

使用相同的實驗裝置和公式測量了新鮮切除的牛肝和豬里脊的聲速和聲衰減系數，對組織進行了5次測量。由于組織中存在著不均勻現象，因此導致了測量的不準確性。在1 M頻率下的測量結果見表1和表2，測量所得的聲速、聲衰減系數與文獻中報道的結果相似[21-22]。這也驗證了該實驗的測量結果。

根據文獻中[23]報導的人體腦組織的聲速為1 560 m/s、聲衰減系數為0.6 dB/cm-MHz。由該數據代入上文得到的線性關系計算后，選用配比為瓊脂2%-甘油17%-二氧化硅3%的體模（聲速為1 599.94 m/s、聲衰減系數為0.58 dB/cm-MHz）來近似模擬人體腦組織。并按照制作程序制備了10個該配比的體模進行測量，測量結果如圖4、圖5所示，得到其聲速為1 552.83±7.52 m/s、聲衰減系數為0.58±0.03 dB/cm-MHz。

3" 討論

本文描述了制備模擬人體組織聲學性質材料的具體方法。選用了瓊脂凝膠為體模的基本材料，瓊脂凝膠是一種使用方便，易于制備且制備成本相對較低的組織模擬材料。瓊脂濃度在超過4%時會產生硬質體模，這與軟組織的硬度不符合。因此選用2%的瓊脂糖來給體模提供基本的硬度，使體模在實驗過程中不易破裂。然后通過改變甘油的濃度來評估不同濃度的甘油對體模聲速的影響，改變二氧化硅的濃度來評估不同濃度的二氧化硅對體模聲衰減系數的影響，并進行了重復性實驗。最后通過得到的線性關系來計算模擬人類軟組織體模的配比。

由已得到的線性關系發現，改變二氧化硅的量可以調節衰減系數。添加1%的二氧化硅可使體模的聲衰減系數增加0.18 dB/cm-MHz。但是當添加的二氧化硅的量超過4%時，衰減強烈地受到吸收減少的影響而不是散射增強的影響。當二氧化硅的濃度大于4%時，超聲衰減系數會減小[24]。此時，如果需要模擬的組織的聲衰減系數較大時，需要添加其他的物質來增大聲衰減系數。已有研究通過添加其他物質如淡奶來增加體模的聲衰減系數，可以實現軟組織在較高的聲衰減數值的模擬[25]，但目前淡奶在國內較難購買，導致該類體模難以復現。

通過測量新鮮切除的動物組織的聲速及超聲衰減系數來確定系統的準確性，由表1和表2可知，測量結果與文獻[20-21]報道的結果較為一致，由此說明了測量裝置的準確性。通過加入不同濃度的添加物后測量所得的線性關系，計算得到與人體腦組織[23]聲學特性較為相近的體模配比為2%瓊脂-17%甘油-3%二氧化硅，并進行了重復性實驗說明了該配方的穩定性。

基于已得到的線性關系發現加入2%瓊脂-23%甘油-2.5%二氧化硅的體模的聲速為1 593.96 m/s、聲衰減系數為0.49 dB/cm-MHz，接近人體肝組織的聲學特性[23]。加入2%瓊脂-15%甘油-4%二氧化硅的體模的聲速為1 548.60 m/s、聲衰減系數為0.76 dB/cm-MHz，與參考文獻中發現的人體肌肉的聲衰減系數值（0.5～4.1 dB/cm-MHz）一致[25]。肌肉組織的衰減系數范圍較寬是由于肌肉是一種高度各向異性的組織。采用2%瓊脂-3%甘油-3%二氧化硅的體模聲速為1 480.56 m/s、聲衰減系數為0.58 dB/cm-MHz，與皮下脂肪組織的聲學特性相似[10]。

4" 結論

綜上所述可得出以下結論：可以通過本文提出的瓊脂、甘油和二氧化硅的通用配方制備出與需要模擬的人類和動物組織聲學特性相似的瓊脂基體模，可用于超聲成像、聲衰減成像、聲輻射力成像及HIFU等方向的研究。

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