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Hintergrund der Erfindung
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur harmonischen
Ultraschalldarstellung unter Verwendung eines zur Reflexion harmonischer
Frequenzen besonders geeigneten Kontrastmittels.
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Beschreibung des Stands
der Technik
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Ultraschalltechnik
ist eine wichtige und wirtschaftlichere Alternative zu Bildgebungstechniken,
in denen ionisierende Strahlung verwendet wird. Es stehen zwar zahlreiche
herkömmliche
Bildgebungstechniken zur Verfügung,
z.B. Magnetresonanzbildgebung (MRI), Computertomografie (CT) und
Positronemissionstomografie (PET), aber für jede dieser Techniken wird
eine sehr teure Apparatur benötigt. Außerdem verwenden
CT und PET ionisierende Strahlung. Eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung
ist dagegen sehr kostengünstig.
Außerdem
wird für
die Ultraschallbildgebung keine ionisierende Strahlung verwendet.
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Bei
Verwendung der Ultraschalltechnik werden Schallwellen über einen
Signalgeber bzw. Transducer in ein Objekt oder einen Patienten transmittiert. Wenn
die Schallwellen sich durch das Objekt oder den Körper ausbreiten,
werden sie durch Gewebe und Fluids entweder reflektiert oder absorbiert.
Reflektierte Schallwellen werden durch einen Empfänger erfasst
und verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen. Die akustischen Eigenschaften
der Gewebe und Fluids bestimmen den im erhaltenen Bild auftretenden Kontrast.
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Bei
der Ultraschallbildgebung werden daher Unterschiede der Gewebedichte
und -zusammensetzung genutzt, durch die die von diesen Geweben reflektierten
Schallwellen beeinflusst werden. Bilder sind insbesondere an Stellen
scharf, an denen deutliche Änderungen
der Gewebedichte oder -komprimierbarkeit auftreten, z.B. an Gewebegrenzflächen. Grenzflächen zwischen
festen Geweben, dem Skelettsystem und verschiedenen Organen und/oder
Tumoren werden durch Ultraschall leicht abgebildet.
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Daher
ist Ultraschall in vielen Anwendungen ohne Verwendung von Kontrastverstärkungsmitteln geeignet,
für andere
Anwendungen, z.B. zur Visualisierung von strömendem Blut in Geweben, wird
versucht, Kontrastverstärkungsmittel
zu entwickeln. Eine besonders wichtige Anwendung für derartige Kontrastmittel
ist der Bereich der vaskulären
Abbildung. Derartige Ultraschallkontrastmittel könnten die Abbildung von strömendem Blut
im Herzen, in den Nieren, in den Lungen und in anderem Gewebe verbessern.
Dadurch würde
die mit den abgebildeten Geweben in Beziehung stehende Untersuchung,
Diagnose, Chirurgie und Therapie erleichtert. Ein Blood-Pool-Kontrastmittel würde ebenfalls
eine Bildgebung auf der Basis des Blutgehalts (z.B. von Tumoren
und entzündetem
Gewebe) ermöglichen
und wäre
bei der Visualisierung der Plazenta und eines Fötus durch Verstärken nur
des mütterlichen
Kreislaufs behilflich.
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Es
sind verschiedenartige Ultraschallkontrastverstärkungsmittel vorgeschlagen
worden. Die erfolgreichsten Mittel bestehen im wesentlichen aus Mikrobläschen, die
intravenös
injiziert werden können.
In ihrer einfachsten Ausführungsform
sind Mikrobläschen
ein Gas, z.B. Luft, enthaltende Miniaturbläschen und werden unter Verwendung
von Schaumbild nern, Tensiden oder Ver- bzw. Einkapselungsmitteln
erzeugt. Durch die Mikrobläschen
wird dann ein physikalisches Objekt im strömenden Blut bereitgestellt,
das eine andere Dichte und eine wesentlich höhere Komprimierbarkeit als
das umgebende Fluidgewebe und Blut hat. Infolgedessen können diese
Mikrobläschen
durch Ultraschall leicht abgebildet werden.
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Bisher
zur Verwendung in der Ultraschallbildgebung entwickelte Kontrastmittel
weisen jedoch verschiedene Probleme auf. Für Kontrastmittel, die wässerige
Proteinlösungen
enthalten, ist ein Fremdprotein erforderlich, das antigen und potentiell
toxisch sein kann. Liposomale Kontrastmittel, die aus Liposomen mit
darin eingekapseltem Gas bestehen, sind aufgrund ihrer ungleichmäßigen Größenverteilung
und ihrer schlechten Stabilität
problembehaftet. Durch viele vorhandene Kontrastmittel wird keine
verbesserte Bildgebung erhalten, und außerdem sind viele der zum Herstellen
der Kontrastmittel verwendeten Verfahren ineffizient, teuer und
anderweitig unzulänglich.
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Herkömmliche
Ultraschallsysteme arbeiten durch Transmittieren von Ultraschallimpulsen
einer vorgegebenen Frequenz und Messen des Zeitintervalls zwischen
dieser Transmission und der Erfassung der reflektierten Echos vom
Inneren eines abzubildenden Objekts oder Körpers. Eine große Zahl
von Mikrobläschen
verhält
sich kollektiv als großer
Reflektor. Das System basiert auf der Messung reflektierter Schallwellen
mit der gleichen Frequenz wie die transmittierte Frequenz, um ein
Bild zu erzeugen.
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Es
hat sich insbesondere in biologischen Anwendungen als vorteilhaft
herausgestellt, ein Ultraschallkontrastmittel zu erfassen oder abzubilden, während das
durch andere Objekte, z.B. Gewebe und Knochen, reflektierte Ultraschallsignal
unterdrückt
wird (vgl. Williams et al., WO-91/15999). Durch die Fähigkeit
der Abbildung von Ultraschallkontrast mittelbläschen in Blut durch Erfassen
harmonischer Frequenzen im Echo bei Anregung durch einen Ultraschallstrahl
einer anderen Frequenz (Grundfrequenz) nimmt die Empfindlichkeit
der Kontrastmittelerfassung durch Ignorieren des durch andere nicht
bläschenförmige Objekte
im Organismus gestreute Untergrund-Grundfrequenzsignals wesentlich
zu; dies ist ähnlich
wie bei der Erfassung fluoreszierender Farbstoffe durch ihr frequenzverschobenes Licht,
die inhärent
wesentlich empfindlicher ist als die Erfassung lichtabsorbierender
Farbstoffe durch Modulation der Bestrahlungslichtintensität. Im Unterschied
zu Mikrobläschen
reflektiert tierisches Gewebe harmonische Frequenzen nur sehr wenig.
Daher wird durch harmonische Bildgebung die Abbildung des Untergrunds
im wesentlichen eliminiert.
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In
der WO-94/16739 sind Mittel zum Verstärken des Kontrasts in einem
diagnostischen Ultraschallverfahren beschrieben, wobei die Mittel
kolloidale Dispersionen eines Flüssigkeit-in-Flüssigkeit-Typs
aufweisen, d.h. Emulsionen oder Mikroemulsionen, in denen die dispergierte
flüssige
Phase eine Flüssigkeit
mit einem Siedepunkt unterhalb der Temperatur des abzubildenden
Tiers ist, die daher eine Phasenänderung
von einer dispergierten Flüssigkeit
zu einem hochgradig echogenen dispergierten gasförmigen Schaum oder Kugelschaum
erfährt, nachdem
sie einem Tier verabreicht wurde.
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Es
hat sich gezeigt, dass vorhandene Kontrastverstärkungsmittel und Ultraschallbildgebungsverfahren
nicht vollkommen zufriedenstellend sind, und es besteht ein großer Bedarf
für ein
verbessertes Ultraschallkontrastmittel und ein Ultraschallbildgebungsverfahren,
durch das verbesserte Ultraschallbilder erzeugt werden.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Patentansprüche definiert.
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Erfindungsgemäß wird ein
System für
eine harmonische Ultraschallbildgebung unter Verwendung von durch
eine Ultraschallquelle in ein abzubildendes Objekt oder einen Körper transmittierter
Ultraschallenergie und eines dem Objekt oder Körper zu verabreichenden, Mikrobläschen enthaltenden Kontrastmittels
bereitgestellt. Die Mikrobläschen
weisen im wesentlichen sphärische
Membranen auf und enthalten ein Material, das mindestens 2 Mol-%
eines Gases aufweist, dessen Löslichkeit
in seiner flüssigen
Phase in Hexan bei 37°C
größer ist
als etwa 10% Mol/Mol, und dessen Wasserlöslichkeit/Mischbarkeit in seiner
flüssigen
Phase kleiner ist als etwa 1 % wt./wt. in Wasser bei 37°C. Mindestens
ein Teil des Objekts oder Körpers
wird anschließend
durch Ultraschall abgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gas Kohlenwasserstoff oder Fluorkohlenstoff. Bevorzugter
wird das Gas aus der Gruppe ausgewählt, die aus Perfluorhexan,
Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, 1,1,2-Trichlortrifluorethan,
Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Pentan, Hexan,
Dichlordifluormethan, Trichlormonofluormethan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan,
Perfluorpropan, Butan, Cyclobutan, Propan, Methan und Ethan besteht.
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Vorzugsweise
weisen die Mebranen einen Tensid auf. Das Tensid ist vorzugsweise
fluoriert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das in den
Mikrobläschen
enthaltne Material mindestens etwa 25 Mol-% des Gases oder etwa
100 Mol-% des Gases auf.
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Ein
Verfahren, das selbst nicht Teil der Erfindung ist, zur harmonischen
Ultraschallbildgebung unter Verwendung von durch eine Ultraschallquelle
in ein abzubildendes Objekt o der einen Körper transmittierter Ultraschallenergie
weist das Zuführen
eines Kontrastmittels, das mit mindestens einem Tensid stabilisierte
Mikrobläschen
aufweist, zum abzubildenden Objekt oder Körper auf. Mindestens ein Teil des
Objekts oder Körpers
wird dann durch Ultraschall abgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Tensid die Oberflächenspannung
von Wasser um mehr als 5 Dyn/cm ändern,
wenn die Fläche
pro Molekül
des Tensids sich, gemessen auf einer Langmuir-Filmwaage, um mehr
als 10% geändert
hat. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das Tensid
eine Komponente mit einem HLB-Wert (Hydrophil-Lipophil-Balance) auf, der
kleiner ist als 11 oder kleiner oder gleich 8. In einer noch anderen
bevorzugten Ausführungsform
weist das Tensid eine Komponente mit einem Molekulargewicht von
mehr als 1000 auf, die in der Lage ist, die Oberflächenspannung
von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern. In einer noch
anderen bevorzugten Ausführungsform
ist das Tensid in der Lage, die Oberflächenspannung von Wasser auf
40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern und weist eine kritische Micelle-Konzentration
von 0,3 oder weniger Vol-% in Wasser auf. Das Tensid ist vorzugsweise
nicht-Newtonsch.
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Bei
einer harmonischen Ultraschallbildgebung eines Objekts oder Körpers mit
den Schritten zum Zuführen
eines Kontrastmittels in das Objekt oder den Körper und Transmittieren von
Ultraschallenergie von einer Ultraschallquelle zum Objekt oder Körper und
Erfassen der vom Objekt oder Körper
abgestrahlten Energie wird eine Verbesserung durch ein Kontrastmittel
bereitgestellt, das aus Mikrobläschen
besteht, die die Eigenschaften haben, bildgebende Ultraschallenergie
bei einer Frequenz abzustrahlen, die von der durch die Ultraschallquelle transmittierten
Frequenz verschieden ist, die unabhängig von der Resonanzfrequenz
der Bläschen
ist. In diesem Verfahren wird im Erfassungsschritt eine andere Frequenz
als im Transmissionsschritt verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
enthalten die Mikrobläschen
ein Gas oder Gasgemisch, und die Mikrobläschen werden durch ihren Gas-
oder Gasgemischanteil stabilisiert. In einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
werden die Mikrobläschen
erzeugt durch Sprühtrocknen
einer Flüssigkeitszusammensetzung,
die ein biokompatibles membranbildendes Material enthält, um daraus
ein Mikrosphärenpulver
herzustellen, Kombinieren der Mikrosphären mit einem Gasosmosemittel
und Mischen einer wässrigen
Phase mit dem Pulver. Das Pulver löst sich im wesentlichen in
der wässrigen Phase,
um Mikrobläschen
zu bilden. Vorzugsweise sind die Mikrobläschen mit einer Monolage aus
einem Tensid beschichtet.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Einleitung
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In
der vorliegenden Beschreibung und in den Patentansprüchen werden
die Ausdrücke "Dampf" und "Gas" austauschbar verwendet. Ähnlicherweise können hinsichtlich
der Spannung eines in einer Flüssigkeit
gelösten
Gases der geläufigere
Ausdruck "Druck" und der Ausdruck "Spannung" austauschbar verwendet
werden. Der Ausdruck "gasosmotischer Druck" wird nachstehend
näher definiert,
kann jedoch in einer einfachen Näherung
als Differenz zwischen dem Partialdruck eines Gases im Inneren eines
Mikrobläschens
und dem Druck oder der Spannung dieses Gases (entweder in einer
Gasphase oder gelöst
in einer flüssigen
Phase) außerhalb
des Mikrobläschens
betrachtet werden, wenn die Mikrobläschenmembran für dieses
Gas durchlässig
sind. D.h., er betrifft Differenzen von Gasdiffusionsraten über eine
Membran. Der Ausdruck "Membran" wird verwendet,
um ein Material zu bezeichnen, das ein Mikrobläschen umgibt oder definiert,
unabhängig
davon, ob es ein Tensid, eine andere filmbildende Flüssigkeit
oder einen filmbildenden Feststoff oder halbfesten Stoff bezeichnet. "Mikrobläschen" bezeichnen Bläschen mit
einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und 300 μm, vorzugsweise mit einem Durchmesser von
nicht mehr als etwa 200, 100 oder 50 μm, und für eine intravaskuläre Verwendung
vorzugsweise von nicht mehr als etwa 10, 8, 7, 6 oder 5 μm (gemessen als
mittlerer gewichteter Durchmesser der Mikrobläschenzusammensetzung). Der
Ausdruck "Gas" beinhaltet, außer wenn
dies aus dem Kontext ausdrücklich
anders hervorgeht, Gasgemische mit den gewünschten Eigenschaften.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein System für eine harmonische Ultraschallbildgebung unter
Verwendung speziell konstruierter Mikrobläschen als Ultraschallkontrastverstärkungsmittel
bereitgestellt. Durch Optimieren der Fähigkeit dieser Gasbläschen, die
Frequenz der Ultraschallstrahlung, der sie ausgesetzt sind (die
Grundfrequenz) umzuwandeln, wird die Abbildung verbessert.
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Wenn
ein Gasbläschen
einem Ultraschallsignal mit einer hohen Druckamplitude ausgesetzt
ist, was in biologischen Systemen aufgrund von Kavitation und Zellgewebeschädigung unerwünscht ist,
oder einer Ultraschallanregungsenergie mit einer niedrigen Amplitude
in der Nähe
der Resonanzfrequenz des Bläschens
ausgesetzt ist, wirkt es auf nichtlineare Weise. D.h., die Änderung
des Bläschenvolumens ist
nicht mehr proportional zur Druckänderung seiner Umgebung. Dieses
nichtlineare Verhalten erzeugt Komponenten zurückgestrahlter Ultraschallenergie, deren
Frequenzen von der Anregungsfrequenz verschieden sind. Vgl. Eatock,
J. Soc. Acoust. Am., 77: 1692–1701
(1985); de Jong et al., Ultrasonics, 29: 324–330 (1991) und Miller, Ultrasonics,
(1981). Diese Harmonischen bei Frequenzen oberhalb und unterhalb
der eingestrahlten Frequenz sind das Ergebnis der Bewegungsmechanik
des Sy stems. Bei medizinisch geeigneten Ultraschallanregungsenergien
werden deutliche Harmonische nur durch Bläschen erzeugt, deren Größe innerhalb
eines engen Bereichs liegt, der den Resonanzdurchmesser enthält. Beispielsweise
wird für
eine 3MHz-Anregungsfrequenz ein Luftbläschen in Wasser mit einem Durchmesser von
1,1 μm in
Resonanz geraten und Harmonische erzeugen, aber die Amplitude dieser
Harmonischen wird für
einen Durchmesser, der sich nur um 12% vom Resonanzdurchmesser unterscheidet,
um einen Faktor 2 abnehmen. Bläschen
in diesem Größenbereich
bilden nur einen kleinen Teil der relativ breiten Größenverteilung
der meisten Mikrobläschen
(de Jong et al., Ultrasonics, 30(2): 95–103 (1992). Bläschen, die
Schalen aus festen oder halbfesten Materialien aufweisen, z.B. denaturiertes
Albumin (beschrieben im US-Patent
Nr. 4957656; de Jong et al., Ultrasonics, 30(2):95–103 (1992);
und de Jong, Acoustic Properties of Ultrasound Contrast Agents, Ph.D.
Dissertation, Erasmus University, Rotterdam (1993)) zeigen eine
erhöhte
Dämpfung
aufgrund der viskosen Schale und haben daher bei Resonanz keine
Abweichungen oder Auslenkungen zu großen Radien, was zum Erzeugen
deutlicher harmonischer Komponenten im gestreuten (zurückgestrahlten)
Signal erforderlich ist. Daher wird durch die vorliegende Erfindung
vorteilhaft die Verwendung von Mikrobläschen bereitgestellt, die in
der Lage sind, Harmonische bei medizinisch geeigneten Ultraschallanregungsamplituden
zu erzeugen.
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Um
die durch die Mikrobläschen
erzeugte zurückgestrahlte
Ultraschallenergie zu erfassen, wird erfindungsgemäß ein modifiziertes
herkömmliches Ultraschallabtastsystem
verwendet. Das System ist in der Lage, eine oder mehrere neue Frequenzen oder
Harmonische zu erfassen oder auszuwählen, die durch die Mikrobläschen abgestrahlt
werden, um ein Ultraschallbild zu erzeugen. D.h., es erfasst eine von
der emit tierten Frequenz verschiedene Frequenz. Eine für eine harmonische
Ultraschallbildgebung geeignete Apparatur ist in der WO-91/15999 von
Williams et al. beschrieben. Viele herkömmliche Ultraschallbildgebungsvorrichtungen
verwenden jedoch Transducer, die für einen Breitbandbetrieb geeignet
sind, wobei die an den Transducer ausgegebene Wellenform programmgesteuert
wird. Aus diesem Grunde ist eine Umprogrammierung zum Emittieren
einer Wellenform, die von der erfassten Wellenform verschieden ist,
innerhalb des Stands der Technik möglich.
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Bei
der Umsetzung der vorliegenden Erfindung in die Praxis können die
Parameter des transmittierten Ultraschallsignals (z.B. die Frequenz,
die Pulsdauer und die Intensität
gemäß spezifischen Umständen verändert werden,
und die optimalen Parameter für
einen beliebigen spezifischen Fall können durch einen Fachmann leicht
bestimmt werden.
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Obwohl
es sich gezeigt hat, dass Bläschen zur
Verwendung in intravenösen
Ultraschallkontrastmitteln Ultraschall am wirksamsten streuen, wird durch
die erfindungsgemäßen Kontrastverstärkungsmittel
eine unerwartet hochwertige Bildgebung ermöglicht; beispielsweise werden
klare, deutliche und intensive Bilder von durch das Herz und Nieren
strömendem
Blut erhalten. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet
zur Untersuchung von Blutströmen,
ist jedoch gleichermaßen
auch auf die Untersuchung anderer Flüssigkeiten oder von Geweben anwendbar.
Kleine, nichttoxische Dosen können
in eine periphere Vene oder ein Lymphgefäß verabreicht werden und zum
Verstärken
von Bildern des gesamten oder eines Teils des Körpers verwendet werden. Hohlräume oder
Bereiche innerhalb des Körpers,
in die Mikrobläschen
eingebracht werden können,
können
erfindungsgemäß abgebildet
werden. Daher wird durch die vorliegende Erfindung eine Einrichtung
zum Abbilden verschiedenartiger Körperhohlräume und Gefäßanordnungen bereitgestellt,
die unter Verwendung herkömmlicher
Techniken möglicherweise
schwierig abbildbar sind.
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Es
ist nicht wesentlich, dass das abzubildende Objekt organisches Gewebe
ist. Die vorliegende Erfindung kann zum Abbilden beliebiger Objekte
verwendet werden, die Hohlräume
enthalten, in die das Kontrastmittel eingeleitet werden kann, so
lange das das Kontrastmittel umgebende Material für Ultraschallstrahlung
durchlässig
ist und nicht selbst auf eine Weise in Resonanz gerät, auf die
die ausgewählte
Harmonische der Mikrobläschen
verdeckt wird, und die Resonanz der Mikrobläschen nicht behindert.
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Die
vorliegende Erfindung kann zum Messen einer einzelnen Empfangsfrequenz
verwendet werden, die von der ursprünglich transmittierten Frequenz
verschieden ist, um ein Bild zu erzeugen. Alternativ können mehrere
verschiedene Frequenzen, die von der Anregungsfrequenz verschieden
sind, erfasst und zum Erzeugen mehrerer Bilder verwendet werden,
die separat betrachtet oder elektronisch zu einem Verbundbild verarbeitet
werden können.
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Die
Empfangsfrequenz oder -frequenzen kann/können durch verschiedenartige
bekannte Verfahren verarbeitet werden. Diese beinhalten beispielsweise,
dass der Empfangstransducer bezüglich der
oder den gewünschten
Harmonischen selektiv gemacht wird, so dass er die Grundfrequenz
ignoriert, oder Software- oder Hardwarefilter verwendet werden,
um die verschiedenen Frequenzen zu trennen oder zu isolieren.
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Eigenschaften der Mikrobläschen
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Es
hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass bestimmte Eigenschaften der Mikrobläschen-Ultraschallkontrastmittel
ihre Fähigkeit
zum Erzeugen von Harmonischen verbessern. Obwohl sich gezeigt hat,
dass Bläschen
zur Ver wendung in intravenösen
Ultraschallkontrastmitteln Ultraschall am wirksamsten streuen, besteht
ein praktischer Nachteil in der extrem kurzen Lebensdauer der kleinen Bläschen (mit
einem Durchmesser von typischerweise weniger als 5 μm), die erforderlich
sind, um die Kapillaren in Suspension zu durchlaufen. Diese kurze Lebensdauer
wird durch den erhöhten
Gasdruck im Inneren der Bläschen
verursacht, der durch die auf die Bläschen ausgeübten Oberflächenspannungskräften verursacht
wird. Der erhöhte
Innendruck nimmt mit abnehmendem Durchmesser der Bläschen zu.
Der höhere
innere Gasdruck zwingt das Gas im Inneren des Pläschen dazu, sich zu lösen, wodurch
das Gas zusammenfällt,
wenn das Gas in Lösung
gezwungen wird. Die Laplace-Gleichung ΔP = 2γ/r (wobei ΔP den erhöhten Gasdruck im Inneren des
Bläschens, γ die Oberflächenspannung
des Bläschenfilms
und r den Bläschenradius
bezeichnen) beschreibt den durch die umgebende Bläschenoberfläche oder
den umgebenden Film auf ein Gasbläschen ausgeübten Druck. Der Laplace-Druck
ist dem Bläschenradius
umgekehrt proportional, so dass, wenn das Bläschen schrumpft, der Laplace-Druck zunimmt,
wodurch die Diffusionsrate des Gases aus dem Bläschen heraus und die Bläschenschrumpfungsrate
zunehmen.
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Es
hat sich gezeigt, dass Gase und Gas-Dampf-Gemische, die einen gasosmotischen Druck
ausüben
können,
der dem Laplace-Druck entgegenwirkt, das Zusammenfallen dieser Bläschen mit
kleinem Durchmesser wesentlich hemmen können (vgl. US-A-5605673). Diese
Erfindungen beinhalten die Verwendung eines primären Modifikatorgases oder eines
Gasgemischs, das ein Gasosmosemittel auf einen Partialdruck verdünnt, der
kleiner ist als der Dampfdruck des Gasosmosemittels. Das oder die
Gasosmosemittel sind im Allgemeinen relativ hydrophob und relativ
undurchlässig
für Bläschenmembranen
und besitzen außerdem
die Fähigkeit, bei
einem relativ niedrigen Dampfdruck gasosmotische Drücke zu entwickeln,
die größer sind
als 10 oder 13, 3 kPa (75 oder 100 Torr) . Das oder die Gasosmosemittel
regeln den osmotischen Druck innerhalb des Bläschens. Durch Regeln des osmotischen Drucks
des Bläschens übt das Gasosmosemittel (das
hierin als einzelnes oder als Gemisch chemischer Gebilde definiert
ist) einen Druck im Inneren des Bläschens aus, was dazu beiträgt das Zusammenfallen
des Bläschens
zu verhindern.
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Bläschen aus
Luft, die mit ausgewählten
Perfluorkohlenstoffen gesättigt
ist, können
aufgrund des durch den Perfluorkohlenstoffdampf ausgeübten gasosmotischen
Drucks eher anwachsen als schrumpfen, wenn sie in Flüssigkeit
gelöster
Luft ausgesetzt sind. Der Perfluorkohlenstoffdampf ist bezüglich des Bläschenfilms
relativ undurchlässig
und verbleibt daher im Inneren des Bläschens. Die Luft im Inneren des
Bläschens
wird durch den Perfluorkohlenstoff verdünnt, das derart wirkt, dass
der Luftdiffusionsfluss aus dem Bläschen heraus verzögert wird.
Der gasosmotische Druck ist dem Konzentrationsgradienten des Perfluorkohlenstoffdampfes über den Bläschenfilm,
der Konzentration der das Bläschen umgebenden
Luft und dem Verhältnis
der Bläschenfilmdurchlässigkeit
bezüglich
Luft und Perfluorkohlenstoff proportional.
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Wie
vorstehend diskutiert wurde, ist der Laplace-Druck dem Bläschenradius
umgekehrt proportional, daher nimmt der Laplace-Druck zu, wenn das Bläschen schrumpft,
wodurch die Gasdiffusionsrate aus dem Bläschen heraus und die Bläschenschrumpfungsrate
zunehmen, was in einigen Fällen zu
Kondensation und tatsächlich
zu einem Verschwinden eines Gases im Bläschen führt, weil der kombinierte Druck
aus dem Laplace-Druck
und dem Außendruck
das Osmosemittel konzentrieren, bis dessen Partialdruck den Dampfdruck
des flüssigen Osmosemittels
erreicht.
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Herkömmliche
Mikrobläschen,
die ein einzelnes Gas enthalten, werden für eine Zeitdauer im Blut verbleiben,
die primär
vom Arteriendruck, vom Bläschendurchmesser,
von der Membrandurchlässigkeit des
Gases durch die Bläschenoberfläche, von
der mechanischen Festigkeit der Bläschenoberfläche, dem Vorhandensein, Nichtvorhandensein
und der Konzentration der Gase, die normalerweise im Blut oder Serum
vorhanden sind, und der an der Oberfläche des Bläschens vorliegenden Oberflächenspannung
(die primär
von der Identität
und Konzentration der Tenside abhängig ist, die die Bläschenoberfläche bilden)
abhängig
ist. Alle diese Parameter, die die Zeitdauer bestimmen, über die
das Bläschen
im Blut verbleiben wird, stehen miteinander in Beziehung und Wechselwirken
im Bläschen.
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Es
hat sich überraschenderweise
gezeigt, dass, wenn das Bläschen
einen Dampf enthält,
der bei geeigneten Temperaturen (z.B. 37°C für Menschen) und Drücken kondensieren
kann, durch die Phasenänderung
von Gas oder Dampf zu einer Flüssigkeit
veranlasst wird, dass das Bläschenvolumen sich
wesentlich rascher ändert
als dies für
lineare Systeme erwartet würde.
Diese Nichtlinearität
führt zur
Erzeugung Harmonischer. Damit dieser Effekt deutlich hervortritt,
muss der Dampf in der Gasphase des Bläschens bei einer Molkonzentration
von mehr als etwa 2% und vorzugsweise etwa 5%, 10%, 25%; 50% oder
100% vorhanden sein. Der Dampf im Inneren des Bläschens befindet sich während einer
Untersuchung in der Nähe
der Sättigung,
vorzugsweise mindestens etwa bei 50%, 75% oder 100% der Sättigungskonzentration.
Daher muss für
Mikrobläschen, die
für eine
Abbildung bei Menschen verwendet werden, die flüssige Phase des Dampfs im Bläschen bei 37°C einen Dampfdruck
von mehr als 2% des Drucks im Inneren des Bläschens aufweisen (eine Atmosphäre plus
dem Blutdruck des untersuchten Menschen plus dem durch die Oberflächenspannung des Bläschens verursachten
Druck plus dem Laplace-Druck). Dieser Gesamtdruck für Mikrobläschen der
Größe 3 μm könnte 1,5
bar erreichen, so dass die flüssige
Phase des Dampfes im Bläschen
bei 37°C einen
Dampfdruck von mehr als etwa 3070 Pa (23 torr) aufweisen muss. Die
flüssige
Phase des Dampfes sollte außerdem
eine geringe Löslichkeit
in Wasser von vorzugsweise weniger als 1% wt./wt. aufweisen. Dämpfe aus
Materialien wie beispielsweise Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon
113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Pentan und
Hexan sind besonders geeignet.
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Obwohl
die Kondensation eines mit anderen Gasen verdünnten Dampfes die Diffusion
des Gases in einen Flüssigkeitsfilm
beinhaltet und daher eine begrenzte Zeitdauer zum Beenden der Kondensation erfordert,
kann der Dampfanteil in der Nähe
der Oberfläche
des die Bläschen
umgebenden Wassers mit Körpertemperatur
schnell kondensieren, d.h. in weniger als dem Mikrosekunden-Zeitrahmen
des Diagnose-Ultraschallsignals. Ein Bläschen, das reinen Dampf enthält, z.B.
Perfluorpentan, kann nahezu unverzüglich kondensieren, ähnlich wie
Wasserdampfbläschen,
die während
einer hochintensiven Ultraschallkavitation auftreten. Es ist bekannt,
dass diese Kavitationsbläschen
Harmonische mit hoher Intensität
erzeugen (vgl. Welsby et al. Acustica 22: 177–182 (1969)), obgleich bei
biologisch toxischen Intensitäten
für Wasserdampfbläschen.
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Erfindungsgemäß kann die
Phasenänderung,
die zu einer erhöhten
Erzeugung Harmonischer führt,
wie vorstehend beschrieben wurde, auch dann auftreten, wenn ein
Gas in den hydrophoben Bereichen der Tenside an der Bläschenoberfläche gelöst oder
adsorbiert wird. Dieses Adsorptions oder Lösungsgleichgewicht wird durch
den Partialdruck des Gases im Inneren des Bläschens und daher durch den
Gesamtdruck im In neren des Bläschens
bewirkt. Bei einer Zunhame des durch den Anregungsultraschallstrahl
ausgeübten
Drucks wird das Gleichgewicht zu einer Lösung oder Adsorption in die
Tensidschicht verschoben, wodurch eine Volumenänderung auftritt, die von derjenigen
verschieden ist, die von einem linearen System erwartet wird. Geeignete
Gase sind Gase, die eine Löslichkeit/Mischbarkeit
ihrer flüssigen
Formen mit Hexan, was ein Modell für den hydrophoben Bereich der
Tenside darstellt, von mehr als 10% Mol/Mol bei 37°C aufweisen.
Für Gase
mit einem Siedepunkt von weniger als 37°C, z.B. Butan und Perfluorbutan,
muss diese Messung bei einem erhöhten
Druck ausgeführt
werden. Das adsorbierende Gas sollte in der Gasphase des Bläschens in einer
Konzentration von mehr als 2 Mol-% des Gasgemischs und vorzugsweise
etwa 5%, 10%, 25%, 50% oder 100% vorhanden sein. Die Verwendung fluorierter
Tenside mit fluorierten Gasen ist bevorzugt. Die flüssige Phase
des Adsobergases sollte in Wasser relativ unlöslich sein, d.h. eine Löslichkeit/Mischbarkeit
von weniger als 1% wt./wt. aufweisen.
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In
bisherigen Behandlungen der Mechanik von durch Ultraschall angeregten
Bläschen
wird die Oberflächenspannung
des Bläschens
als eine Konstante betrachtet, während
das Bläschen
expandiert und sich zusammenzieht. Die Oberflächenspannung an der Oberfläche eines
kleinen Bläschens
beeinflusst den Druck im Inneren des Bläschens, der durch das Laplace-Gesetz
definiert ist, wonach der Druck im Inneren eines Bläschens (oberhalb
des Außendrucks)
dem Durchmesser des Bläschens
umgekehrt proportional und der Oberflächenspannung des Tensidfilms
proportional ist. Beispielsweise hat ein 3 μm-Bläschen mit einer Oberflächenspannung
von 40 Dyn/cm
2 einen Innendruck von mehr
als 1/4 bar über dem
Umgebungsdruck. Einige Tenside sind nicht-Newtonsch, d.h. ihre Oberflächenspannung ändert sich,
gemessen in einer Standard- Langmuir-Küvette, rasch,
wenn der Tensidfilm komprimiert wird. Die Änderung der Oberflächenspannung
eines Tensidfilms bei einer Änderung
des Oberflächenmaßes ist
quantitativ durch den Oberflächenausdehnungsmodul
charakterisiert, der definiert ist durch:
wobei E das Oberflächenausdehnungsmodul,
dv die Änderung
der Oberflächenspannung
und dInA die Änderung
des natürlichen
Logarithmus des Oberflächenmaßes bezeichnen.
Die zusätzliche Änderung der
Oberflächenspannung
aufgrund der Flächenänderungsrate
wird durch die Oberflächenausdehnungsviskosität charakterisiert,
die definiert ist durch:
wobei Δy die Änderung der Oberflächenspannung,
K die Oberflächenausdehnungsviskosität, A die
Oberfläche
des Tensidfilms und dA/dt die Änderungsrate des
Oberflächenmaßes des
Tensidfilms bezeichnen (vgl. Adamson, Physical Chemistry of Surfaces,
5th ed., John Wiley & Sons,
Inc., New York, 1990).
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Wenn
ein Bläschen
unter Verwendung eines nicht-Newtonschen
Tensids hergestellt wird, wird seine Oberflächenspannung und damit sein
Innendruck sich ändern,
wenn das Oberflächenmaß des Bläschens sich
in Antwort auf die Anregungsultraschalldrücke ändert. Diese zusätzliche
Expansion und Kontraktion in Antwort auf Änderungen der Oberflächenspannung
führt zu
einer noch stärker
nichtlinearen Komprimierbarkeit und damit zur Erzeugung von Harmonischen
mit höherer
Intensität.
Durch das expandierende Bläschen
nimmt die Oberfläche
des Tensidfilms zu, bis die zunehmende Oberflächenspannung einer weiteren
Expansion entgegenwirkt. Durch das sich zusammenziehende Bläschen nimmt während des
Hochdruckabschnitts des Anregungsultraschallzyklus die Bläschen- Oberfläche ab,
bis die Oberflächenspannung
abrupt abnimmt, wodurch eine weitere Kompression begrenzt und die
sinusförmige
Volumenänderungswellenform
gestört
wird, wodurch veranlasst wird, dass Harmonische erzeugt werden.
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Für die vorliegende
Erfindung geeignete Tenside sind ein beliebiges Tensid oder ein
beliebiges Gemisch, das Kohlenwasserstoff enthält oder fluoriert ist und eine
Komponente enthält,
die die Oberflächenspannung
von Wasser um mehr als 5 Dyn/cm ändern
wird, wenn die Fläche
pro Molekül
des Tensids sich, gemessen auf einer Langmuir-Filmwaage, um 10%
geändert
hat.
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Andere
geeignete Tenside weisen eine Komponente mit einem HLB-Wert (Hydrophil-Lipophil-Balance)
auf, der kleiner ist als 11, vorzugsweise kleiner oder gleich 8.
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Tenside
mit hohem Molekulargewicht (z.B. über 1000) diffundieren im Vergleich
zum Mikrosekunden-Zeitrahmen des Ultraschallsignals langsam, so
dass unabhängig
vom vorstehend dargestellten Sachverhalt Tenside mit einer Komponente
geeignet sind, die ein Molekulargewicht von mehr als 1000 hat und
in der Lage ist, die Oberflächenspannung
von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern.
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Hinsichtlich
des Diffusionsvermögens,
der Löslichkeit
und des Mikrosekunden-Zeitmaßstabs sind
andere geeignete Tenside jegliche Tenside, die in der Lage sind,
die Oberflächenspannung
von Wasser auf 40 Dyn/cm oder weniger zu vermindern und eine kritische
Micelle-Konzentration (CMC) von 0,3 Vol-% oder weniger in Wasser
aufweisen.
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Beispiele
von zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Tensiden
sind nicht-denaturiertes menschliches Albumin, Phospholipide (z.B.
Phosphatidylcholin), Zuckerester (z.B. Sukrosestearat, Sukrosedistearat,
Sukrosetristearat), Blockcopolymere (Pluronic F-68, Pluronic P-123), Zonyl-Tenside
(z.B. FSK, FSC, FSO, FSN, FSE, FSP, FSA, FSJ, UR, TBS), Fettsäuren (z.B.
Stearinsäure,
Oleinsäure)
und ihre Salze (z.B. Natriumstearat, Kaliumoleat).
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Basierend
auf diesen spezifischen Betriebsbedingungen können geeignete Mikrobläschen eines ersten
Typs (die ein Gas enthalten, das bei einer Bläschenauslenkung partiell kondensiert)
vorteilhaft Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon
113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan, Methylenchlorid, Hexan und
Pentan aufweisen.
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Ähnlicherweise
können
geeignete Mikrobläschen
eines zweiten Typs (die im Tensid gaslöslich sind) vorteilhaft Perfluorhexan,
Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan, Freon 113, Schwefelhexafluorid, Cyclopentan,
Methylenchlorid, Hexan, Pentan, Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan,
Perfluorpropan, Freon 12 (Dichlordifluormethan), Freon 11 (Trichlormonofluormethan),
Butan, Cyclobutan, Propan, Methan und Ethan aufweisen.
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Bläschen, die
durch viskose Schalen (z.B. denaturiertes Proteingel, vgl. US-Patent
Nr. 4957656, gesättigte
Zuckerlösungen,
vgl. US-Patente Nr. 5141738 und 4657756) stabilisiert werden, dämpfen die
Oszillation der Bläschen
bei Resonanz und verhindern dadurch die großen Volumenauslenkungen, die
zum Erzeugen Harmonischer erforderlich sind (de Jong et al., Ultrasonics,
29: 324–330 (1991);
de Jong et al., Ultrasonics, 30(2): 95–103 (1992); und de Jong, Acoustic
Properties of Ultrasound Contrast Agents, Ph.D. Dissertation, Erasmus University,
Rotterdam (1993)). Ein Bläschen,
das durch seine Gasphasenanteile stabilisiert wird, wie vorstehend
beschrieben wurde (ein Material wie beispielsweise eine hochgradig
fluorierte Verbindung, z.B. Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorbutan) erfordert
lediglich eine monomolekulare Lage (Monolage) des Tensids, um es
im Blutstrom für
eine praktische Anwendung lange genug stabil zu machen (vgl. US-A-5605673;
und Quay, WO-A-9305819 und WO-A-9416739). Da her wird durch ein Bläschen, das durch
seinen Gasanteil stabilisiert ist und eine Monolage eines Tensids
auf seiner Oberfläche
aufweist, sowohl im Resonanzzustand als auch im nicht-resonanten
Zustand eine geringere Dämpfung
bereitgestellt, so dass die Anregungsenergie der Anregungsultra
schalldruckwellen dissipiert wird, und erfährt daher größere Volumenauslenkungen,
wodurch ein größerer Teil
der Energie als harmonische Komponenten bei Frequenzen zurückgestrahlt
oder gestreut wird, die von der Anregungsfrequenz verschieden sind.
Sukrosestearat und Pluronic F-68 sind zwei Beispiele von Tensiden,
die Mikrobläschen
mit einer Monolage beschichten und daher die Oszillationen der gas-/dampfstabilisierten
Bläschen
nicht dämpfen.
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Nachstehend
werden basierend auf diesen Parametern Details der Konstruktion
geeigneter Mikrobläschen
beschrieben.
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Mikrobläschenkonstruktion
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A. Membranbildende flüssige Phase
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Die äußere kontinuierliche
flüssige
Phase, in der sich die Bläschen
befinden, weist typischerweise ein Tensid oder einen Schaumbildner
auf. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Tenside
beinhalten jegliche Verbindungen oder Zusammensetzungen, die die
Bildung und Aufrechterhaltung der Bläschenmembran durch Ausbilden
einer Schicht an der Grenzfläche
zwischen den Phasen unterstützen
und die vorstehend diskutierten Kriterien erfüllen. Der Schaumbildner oder
das Tensid kann eine einzelne Verbindung oder eine Kombination von Verbindungen
enthalten, wie beispielsweise im Fall von Co-Tensiden.
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Es
kann ein breiter Bereich von Tensiden verwendet werden. Tatsächlich kann
in der vorliegenden Erfindung jedes Tensid oder jeder Schaumbildner
(einschließlich
solcher, die in Zukunft entwickelt werden) verwendet werden, das/der
in der Lage ist, Mikrobläschen
zu erzeugen und die vorstehend diskutierten Eigenschaften aufweist.
Das optimale Tensid bzw. der optimale Schaumbildner oder eine Kombination
davon kann für
eine vorgegebene Anwendung durch empirische Untersuchungen bestimmt werden,
für die
kein übermäßiger experimenteller Aufwand
erforderlich ist. Daher sollte eine Person bei der Anwendung der
vorliegenden Erfindung in der Praxis das Tensid oder den Schaumbildner
oder eine Kombination davon basierend auf Eigenschaften, wie beispielsweise
der Biokompatibilität,
der Löslichkeit der
Gasphase im Tensid und ihres nicht-Newtonschen Verhaltens auswählen.
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B. Gasphase
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Ein
Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Auswahl der
Gasphase. Wie vorstehend diskutiert wurde, basiert die vorliegende
Erfindung auf der Verwendung von Mikrobläschen, die dazu geeignet sind,
Harmonische der ursprünglich
transmittierten Ultraschallfrequenz zu erzeugen. Solche Mikrobläschen können ein
Gas oder eine Kombination aus Gasen enthalten, um Differenzen der
Partialdrücke
zu erzeugen und gasosmotische Drücke
zu erzeugen, die die Bläschen
stabilisieren. Außerdem enthalten
die Mikrobläschen
Materialien, die bei Körpertemperatur
(im allgemeinen von etwa 35,5°C
bis etwa 40°C)
und bei geeigneten Drücken
(im Allgemeinen 1–2
atm) ihren Zustand von einem Gas zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff ändern können. Alternativ
können
die Mikrobläschen
ein Material enthalten, das im hydrophoben Abschnitt der Bläschenmembran
adsorbiert oder gelöst
wird, wie vorstehend beschrieben wurde.
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Daher
können
Fluorkohlenstoffe oder andere Verbindungen, die bei Raum- oder Körpertemperatur nicht
gasförmig
sind, verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie bei Körpertemperatur
ausreichende Dampfdrücke
von vorzugsweise mindes tens etwa 1330–2670 Pa (10–20 Torr),
vorzugsweise 4000, 5330, 6670 oder 13300 Pa (30, 40, 50 oder 100
Torr) und bevorzugter von mindestens etwa 20 oder 26,7 kPa (150
oder 200 Torr) aufweisen. Bei dem ersten Typ der Mikrobläschen (kondensierendes
Gas), der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sollte
der Dampfdruck mindestens einer der Komponenten kleiner sein als
etwa 120 oder 133 kPa (900 oder 1000 Torr), so dass, wenn eine ausreichende Gaskonzentration
im Bläschen
vorhanden ist, der während
des Abbildungsvorgangs auf das Gas im Bläschen ausgeübte Absolutdruck größer ist
als der Dampfdruck dieser Komponente, geteilt durch den anteiligen
Partialdruck, der im Bläschen
durch dieses Gas bereitgestellt wird. Daher gilt PA < PV/PPF, wobei PA den
Absolutdruck im Bläschen,
wenn es durch eine Ultraschallwelle komprimiert wird, PV den Dampfdruck
der relevanten Gasverbindung bei Körpertemperatur und PPf den Partialdruck dieses Gases dargestellt
als Anteil des Gesamtgasdrucks im Bläschen bezeichnen. Beispielsweise
sollte, wenn der Druck im Bläschen
133 kPa (1000 Torr) beträgt
(101 kPa (760 Torr) Atmosphärendruck
plus 13,3 kPa (100 Torr) Beitrag durch den systolischen Druck plus
einem momentanen Druckbeitrag von 18,7 kPa (140 Torr) durch die
Schallkompression) ein Kondensationsgas, das zu 50% zum Partialdruck
im Bläschen beiträgt, bei
Körpertemperatur
einen Dampfdruck von weniger als 66,5 kPa (500 Torr) aufweisen.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, sind Fluorkohlenstoffgase besonders bevorzugt. Der hierin
verwendete Ausdruck Fluorkohlenstoff beinhaltet vollständig fluorierte
Verbindungen (Perfluorkohlenstoffe) sowie teilweise fluorierte Kohlenwasserstoff-/Fluorkohlenstoffmaterialien,
die alle unsubstituiert oder mit einem anderen Halogen substituiert
sind, wie beispielsweise Br, Cl oder F oder mit einem anderen Substituent,
wie beispielsweise O, OH, S, NO und ähnliche. Sub stanzen, die geeignete
Löslichkeits- und/oder
Dampfdruckkriterien erfüllen,
sind beispielsweise Perfluorhexan, Perfluorpentan, Perfluorcyclopentan,
Perfluorbutan, Perfluorcyclobutan und Perfluorpropan.
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Für Fachleute
ist ersichtlich, dass andere Verbindungen geeignet sein können, die
die vorstehend erwähnten
Löslichkeits-
und Dampfdruckkriterien nicht erfüllen. Es kommen bestimmte Verbindungen
in Betracht, die außerhalb
des bevorzugten Bereichs entweder der Löslichkeit oder des Dampfdrucks
liegen, insofern diese Verbindungen die Störung in der anderen Kategorie
kompensieren und eine ausgezeichnete Nichtlöslichkeit in Wasser oder einen
hohen Dampfdruck oder eine Affinität für eine Lösung im verwendeten Tensid
aufweisen.
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Außerdem sollten
die Gase für
medizinische Zwecke biokompatibel oder nicht physiologisch schädlich sein.
Schließlich
werden die die Gasphase enthaltenden Mikrobläschen zerfallen, und die Gasphase
wird im Blut entweder als gelöstes
Gas oder als Submikron-Tröpfchen
der kondensierten Flüssigkeit
freigesetzt. Die Gase werden primär durch die Atmung über die
Lungen oder durch eine Kombination aus Atmung und anderen metabolischen
Wegen im retikuloendothelialen System entfernt.
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Andere Komponenten
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In
den erfindungsgemäßen Mikrobläschenzusammensetzungen
können
andere Komponenten enthalten sein. Beispielsweise können Osmosemittel,
Stabilisatoren, Chelatoren, Puffer, Viskositätsmodulatoren, Luftlöslichkeitsmodifikatoren,
Salze und Zucker hinzugefügt
werden, um die Mikrobläschensuspensionen
für eine
maximale Lebensdauer und eine effektive Kontrastverstärkung fein
abzustimmen. Die Sterilität,
die Isotonizität
und die Biokompatibilität können die
Verwendung derartiger herkömmlicher Additive
in injizierbaren Zusammensetzungen beeinflussen. Die Verwendung
derartiger Mittel ist für Fachleute
ersichtlich, und die spezifischen Mengen, Verhältnisse und Typen der Mittel
können
ohne übermäßiges experimentellen
Aufwand empirisch bestimmt werden.
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Herstellung der erfindungsgemäßen Mikrobläschen
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Es
stehen verschiedene Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Mikrobläschen zur
Verfügung.
Rehydration von sprühgetrockneten
hohlen Mikrosphären
ist bevorzugt. Beschallung oder Ultraschallbestrahlung ist ebenfalls
ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen, wobei
ein ultraschalltransmittierendes Septum verwendet oder ein Septum
durch eine Ultraschallsonde eingebracht wird, die eine durch Ultraschall
in Vibration versetzte subkutane Nadel aufweist. Es stehen jedoch
auch verschiedene andere Verfahren zum Herstellen von Bläschen zur
Verfügung.
Beispielsweise können Gasinjektionstechniken
verwendet werden, z.B. Venturigasinjektion.
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Andere
Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen beinhalten die Herstellung
partikelförmiger Mikrosphären durch
Ultraschallbestrahlung von Albumin oder eines anderen Proteins,
wie beispielsweise in der europäischen
Patentanmeldung Nr. 0359246 von Molecular Biosystems, Inc. beschrieben
ist; die Verwendung von Tensiden und viskositätserhöhenden Mitteln, wie beispielsweise
im US-Patent Nr. 4448442 beschrieben ist; lipidbeschichtete, nicht-liposomale
Mikrobläschen,
wie beispielsweise im US-Patent Nr. 4684479 beschrieben ist; Liposome mit
eingeschlossenen Gasen, wie beispielsweise in den US-Patenten Nr.
5088499 und 5123414 beschrieben ist; und die Verwendung denaturierter
partikelförmiger
Albumin-Mikrosphären, wie
beispielsweise im US-Patent Nr. 4718433 beschrieben ist.
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Ultraschallbestrahlung
kann auf. viele Arten erfolgen. Beispielsweise kann eine Phiole,
die eine Tensidlösung
und ein Gas im oberen Raum der Phiole enthält, durch eine dünne Membran
ultraschallbestrahlt werden. Vorzugsweise hat die Membran eine Dicke
von weniger als etwa 0,5 oder 0,4 mm und vorzugsweise von weniger
als etwa 0,3 oder 0,2 mm, d.h. sie ist dünner als die Wellenlänge des
in das Material transmittierten Ultraschallsignals, um eine geeignete
Transmission zu erhalten und die Membranaufheizung zu minimieren.
Die Membran kann beispielsweise aus Gummi, Teflon, Mylar, Urethan,
einem aluminiumbeschichteten Film oder einem beliebigen anderen
ultraschalldurchlässigen
synthetischen oder natürlichen
Polymerfilm oder filmbildenden Material hergestellt sein. Die Ultraschallbestrahlung
kann durch Inkontaktbringen der Membran mit einer Ultraschallsonde
oder sogar durch Drücken
der Membran durch eine Ultraschallsonde oder durch einen fokussierten
Ultraschall"strahl" ausgeführt werden.
Die Ultraschallsonde kann ein Einwegartikel sein. Auf jeden Fall
kann die Sonde gegen die Membran angeordnet oder durch die Membran
in die Flüssigkeit
eingeführt
werden. Nach Abschluss der Ultraschallbestrahlung kann die Mikrobläschenlösung von der
Phiole entnommen und dem Patienten verabreicht werden.
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Die
Ultraschallbestrahlung kann auch mit Hilfe einer Spritze mit einer
leistungsarmen, durch Ultraschall in Vibration versetzten Aspirationsanordnung auf
der Spritze, ähnlich
wie bei einem Tintenstrahldrucker, ausgeführt werden. Außerdem kann
eine Spritze oder Phiole in einem leistungsarmen Ultraschallbad
angeordnet und darin ultraschallbestrahlt werden, wobei die Energie
an einem Punkt innerhalb des Behälters
fokussiert wird.
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Es
kommen auch andersartige mechanische Verfahren zum Herstellen von
Mikrobläschen
in Betracht. Beispielsweise können
Bläschen
durch ein mechanisches Ventil mit hoher Scherkraft (oder eine Doppelspritzennadel)
und zwei Spritzen oder einer Aspiratoranordnung auf einer Spritze
hergestellt werden. Es kann sogar ein einfaches Schüttelverfahren verwendet
werden. Die hierin beschriebenen Bläschenschrumpftechniken sind
insbesondere für
mechanisch hergestellte Bläschen
geeignet, für
die eine niedrigere Energie aufgewendet wird als für ultraschallbestrahlte
Bläschen.
Derartige Bläschen
werden typischerweise einen Durchmesser haben, der wesentlich größer ist
als derjenige des schließlich
gewünschten
biokompatiblen Abbildungsmittels, wobei durch die Reduzierung nicht-osmotischer
Gase, wodurch das Osmosemittel in der Nähe der Sättigung konzentriert wird,
veranlasst werden kann, dass die Bläschen auf eine geeignete Größe schrumpfen.
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Gemäß einem
anderen Verfahren können Mikrobläschen unter
Verwendung einer flüssigen
Osmosemittelemulsion hergestellt werden, die bei einem erhöhten Druck
mit einem Modifikatorgas übersättigt ist,
das einer Tensidlösung
zugegeben wird. Dieses Herstellungsverfahren funktioniert ähnlich wie das Öffnen eines
Sodakorkens, wobei das Gas durch Freisetzung des Drucks schäumt und
Bläschen
bildet.
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Gemäß einem
anderen Verfahren können Bläschen ähnlich wie
beim Schäumen
von Rasiercreme unter Verwendung von Perfluorbutan, Freon oder einem
anderen, ähnlichen
Material hergestellt werden, das siedet, wenn der Druck freigesetzt
wird. In diesem Verfahren ist es jedoch zwingend erforderlich, dass
die emulgierte Flüssigkeit
bei ausreichend niedrigen Temperaturen siedet oder mehrere Bläschenkeimbildungsstellen
aufweist, um ein Überhitzen und
eine Übersättigung
der wässerigen
Phase zu verhindern. Diese Übersättigung
wird anstatt zur gewünschten
großen
Anzahl kleiner Bläschen
(eines für jedes
Tröpfchen)
zur Erzeugung einer kleinen Anzahl großer Bläschen an einer begrenzten Anzahl
von Keimbildungsstellen führen.
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Gemäß einem
noch anderen Verfahren können
trockene, einen Hohlraum enthaltende Partikel oder andere Strukturen
(z.B. hohlkugelförmige
oder wabenförmige
Strukturen), die sich vorzugsweise in einer wässrigen Lösung rasch lösen oder
hydrieren, wie beispielsweise Albumin, mikrofeine Zuckerkristalle,
hohler, sprühgetrockneter
Zucker, Salze, hohle Tensidsphären,
getrocknete poröse
Polymersphären, getrocknete
poröse
Hyaluronsäure
oder substituierte Hyaluronsäuresphären oder
sogar herkömmlich
erhältliche
getrocknete Laktosemikrosphären,
zum Herstellen der erfindungsgemäßen Mikrobläschen verwendet
werden.
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Beispielsweise
kann eine sprühgetrocknete Tensidlösung durch
Zerstäuben
einer Tensidlösung in
einem erwärmten
Gas, wie beispielsweise Luft, Kohlendioxid, Stickstoff oder einem ähnlichen
Gas hergestellt werden, um getrocknete hohle oder poröse Sphären der
Größe 1–10 μm zu erhalten,
die in eine Phiole gefüllt
werden, die mit einem hierin beschriebenen Osmosegas oder einem
gewünschten Gasgemisch
gefüllt
ist. Das Gas wird in die Hohlräume
der Sphären
diffundieren. Die Diffusion kann durch Druck- oder Unterdruckzyklen
unterstützt
werden. Bei Lösung
in einer sterilen Lösung
werden die Sphären
sich rasch auflösen,
so dass osmosegasstabilisierte Bläschen in der Phiole verbleiben.
Außerdem
werden durch Hinzufügen
von Stärke
oder Dextrinen, eines Zuckerpolyesters und/oder eines Blähmittels,
wie beispielsweise Methylenchlorid, 1,1,2-Trichlortrifluorethan
(Freon 113, EM Science, Gibbstone, NJ) oder Perfluorhexan, Mikrobläschen mit
einer erhöhten
in-vivo-Zerfallszeit erhalten. Besonders bevorzugte Stärken zur
Herstellung von Mikrobläschen
sind solche mit einem Molekulargewicht von mehr als etwa 500000
Dalton oder einem Dextroseäquivalenz(DE)wert
von weniger als etwa 12.
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Der
DE-Wert ist ein quantitatives Maß für den Grad der Stärkepolymerhydrolyse.
Es ist ein Maß für die Verminderung
der Leistung im Vergleich zu einem Dextrosestandard von 100. Je
höher der DE-Wert
ist, desto größer ist
das Ausmaß der
Stärkehydrolyse.
Derartige bevorzugte Stärken
sind beispielsweise Pflanzliche Stärken in Lebensmittelgüte, die
in der Nahrungsmittelindustrie beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen
N-LOK und CAPSULE von National Starch and Chemical Co. (Bridgewater,
NJ) kommerziell erhältlich
sind; derivatisierte Stärken,
wie beispielsweise Hydroxyethylstärke (erhältlich unter den Handelsbezeichnungen
HETASTARCH und HESPAN von du Pont Pharmaceutics) (M-Hydroxyethylstärke, Ajinimoto,
Tokyo, Japan). (Beachte, dass kurzkettige Stärken zwar geeignet sprühtrockenbar
sind und zum Erzeugen von Mikrobläschen geeignet sind, sie sind
aber nicht bevorzugt, weil solche mit einem Molekulargewicht von
weniger als etwa 500000 die Mikrobläschen nicht stabilisieren.
Sie können
allerdings erfindungsgemäß in Anwendungen
verwendet werden, in denen keine zusätzliche Stabilisierung erforderlich
ist.) Alternativ können
ein lyophilisierter Tensidkuchen und volumenbildende Reagenzien,
die mit einer feinporigen Struktur erzeugt werden, in einer Phiole
mit einer sterilen Lösung
angeordnet werden, in deren oberem Raum sich ein Osmosegasgemisch
befindet ist. Die Lösung
kann schnell eingefroren werden, um eine feine Eiskristallstruktur
zu erzeugen, und erzeugt daher durch Lyophilisierung feine Poren
(Hohlräume, aus
denen die Eiskristalle entfernt sind).
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Alternativ
können
jegliche nicht-lösbaren oder
lösbaren
hohlraumbildenden Strukturen verwendet werden. In dieser Ausführungsform,
in der das hohlraumbildende Material nicht aus einem Tensid hergestellt
ist und kein Tensid enthält,
werden sowohl das Tensid als auch die die Flüssigkeit in den Behälter mit
den Strukturen und dem (den) gewünschten
Gas (Gasen) zugeführt.
Nach der Lösung wird
das Osmosegas in diesen Hohlräumen
eingefangen und mit der Auflösung
des festen Kuchens bilden sich Mikrobläschen mit dem (den) darin eingeschlossenen
Gas (Gasen).
-
Die
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Mikrobläschen können unter
Verwendung eines Behälters
hergestellt werden, der das vorstehend beschriebene Gas oder die
Gase zum Herstellen der Mikrobläschen,
die Flüssigkeit
und das Tensid enthält.
Der Behälter
kann alle sterilen trockenen Komponenten und das Gas in einer Kammer enthalten,
wobei die sterile wässerige
Flüssigkeit
in einer zweiten Kammer des gleichen Behälters angeordnet ist. Geeignete
Zweikammer-Phiolenbehälter sind
beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen WHEATON RS-177FLW
oder 5-1702FL von Wheaton Glass Co., (Millville, NJ) erhältlich.
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Alternativ
kann zur Mikrobläschenherstellung
eine umgekehrte Zweikammerphiole verwendet werden. Ein Vorteil bei
diesem Verfahren zum Herstellen von Mikrobläschen besteht darin, dass die wässerige
Phase zunächst
durch einen Autoklaven oder eine andere Einrichtung eingeträufelt werden kann,
woraufhin die sprühgetrockneten
Mikrosphären
eingeträufelt
werden. Dadurch wird ein mögliches mikrobielles
Wachstum in der wässerigen
Phase vor der Sterilisierung verhindert.
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Es
sind andere geeignete Vorrichtungen bekannt und kommerziell erhältlich.
Beispielsweise kann zum Auflösen
des sprühgetrockneten
Pulvers eine Zweikammer-Glasspritze verwendet werden, z.B. ein vorgefülltes Spritzensystem
des Typs B-D HYPAK Liquid/Dry 5+5 ml Dual Chamber (Becton Dickinson,
Franklin Lakes, NJ, das im US-Patent Nr. 4613326 beschrieben ist)
.
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Für Fachleute
ist ersichtlich, dass auch andere Zweikammer-Lösungssysteme verwendbar sind,
die in der Lage sind, das sprühgetrocknete
Pulver mit der wässerigen
Lösung
auf sterile Weise zu kombinieren. In derartigen Systemen ist es
besonders vorteilhaft, wenn die wässerige Phase zwischen das
wasserunlösliche
Osmosegas und die Umgebung eingefügt werden kann, um die Lagerbeständigkeit
des Produkts zu erhöhen.
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Alternativ
kann der Behälter
das hohlraumbildende Material und das Gas oder die Gase enthalten,
und das Tensid und die Flüssigkeit
können
zugegeben werden, um die Mikrobläschen
zu bilden. In einer Ausführungsform
kann das Tensid gemeinsam mit anderen Materialien im Behälter angeordnet
sein, so dass nur die Flüssigkeit
hinzugefügt
werden muss, um die Mikrobläschen
herzustellen. Wenn ein zum Herstellen der Mikrobläschen erforderliches
Material nicht bereits im Behälter
vorhanden ist, kann es mit anderen Komponenten eines Kits abgepackt
sein, vorzugsweise in der Form eines Behälters, der eine einfache Kombination
mit den anderen Komponenten des Kits ermöglicht.
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Der
im Kit verwendete Behälter
kann ein hierin an anderer Stelle beschriebener Behälter sein. In
einer Ausführungsform
ist der Behälter
eine herkömmliche
membrangedichtete Phiole. Gemäß einer anderen
Ausführungsform
weist der Behälter
eine Einrichtung zu Zuführen
ausreichender Bläschenbildungenergie
in die Inhaltsstoffe des Behälters
auf. Diese Einrichtung kann beispielsweise ein dünnes film- oder lagenförmiges Element
aufweisen.
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Durch
Hinzufügen
von Tensiden und Befeuchtungsmitteln in die Schale der Mikrosphäre kann
eine niedrigere Tensidkonzentration verwendet werden. Wenn die Mikrosphärenschale
sich löst,
umgibt sie vorübergehend
das in ihrem Inneren gebildete Mikrobläschen mit einer Schicht aus
einer wässerigen
Phase, die mit den Tensiden gesättigt
ist, wodurch ihre Anlagerungsfähigkeit
auf der Oberfläche des
Mikrobläschens
verbessert wird. Daher sind für Mikrosphären, die
sprühge trocknete
Tenside enthalten, nur lokal hohe Tensidkonzentrationen erforderlich,
so dass nicht in der gesamten wässerigen
Phase eine hohe Tensidkonzentration vorliegen muss.
-
Abbildungs- oder Bildgebungsverfahren
-
Alle
erfindungsgemäßen Mikrobläschenpräparate können einem
Wirbeltier, z.B. einem Vogel oder einem Säugetier, als Kontrastmittel
für durch
Ultraschall abzubildende Bereiche des Wirbeltiers verabreicht werden.
Vorzugsweise ist das Wirbeltier ein Mensch, und der abzubildende
Bereich ist die Gefäßanordnung
des Wirbeltiers. In dieser Ausführungsform
wird dem Wirbeltier eine kleine Menge Mikrobläschen (z.B. 0,1 ml/kg basierend
auf dem Körpergewicht
des Wirbeltiers) intravaskulär
verabreicht. Es können
auch andere Mengen der Mikrobläschen
verwendet werden, z.B. im Bereich von etwa 0,005 ml/kg bis etwa
1,0 ml/kg. Das Herz, die Arterien, die Venen und blutreiche Organe,
wie beispielsweise die Leber und die Nieren, können durch diese Technik durch
Ultraschall abgebildet werden. Unter der Voraussetzung, dass die
Ultraschallbildgebungsmaschine derart eingestellt ist, dass eine
spezifische Frequenz abgebildet wird, kann die Frequenz der dem
Ultraschalltransducer zugeführten
ausgehenden Welle einem Bruchteil der Abbildungsfrequenz (z.B. 1/2,
2/3, 1/3 und ähnliche)
oder einem ganzzahligen Vielfachen oder einem bruchteilhaften Vielfachen
der Abbildungsfrequenz (z.B. 2, 3/2, 3, 4 und ähnliche) entsprechen. Mit einer
beliebigen spezifischen Kombination der Mikrobläschenzusammensetzung und der Anregungsfrequenz
werden bestimmte Harmonische dominieren. Die zweite Harmonische
ist ein allgemeines Beispiel. Die stärksten Harmonischen sind aus offensichtlichen
Gründen
bevorzugt, obwohl andere Harmonische, z.B. zur Herstellung mehrerer
Bilder oder zur Eliminierung des Untergrunds, ausgewählt werden
können.
Dominante Harmonische können durch einfache
empirische Tests der Mikrobläschenlösung bestimmt
werden.
-
Die
vorstehende Beschreibung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele
verdeutlicht. Diese Beispiele zeigen jedoch lediglich bevorzugte
Verfahren zum Realisieren der vorliegenden Erfindung und sollen
den durch die beigefügten
Patentansprüche definierten
Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
-
Beispiel 1
-
Herstellung eines Ultraschallkontrastmittels
durch Ultraschallbestrahlung
-
Mikrobläschen mit
einer gewichteten mittleren Größe von 5 μm wurden
durch Ultraschallbestrahlung einer isotonischen wässerigen
Phase hergestellt, die 2% Pluronic F-68 und 1% Sukrosestearat als
Tenside, Luft als Modifikatorgas und Perfluorhexan bei einer Konzentration
in der Nähe
der Sättigung
bei 37°C
enthält.
-
1,3
ml einer sterilen Wasserlösung,
die 0,9% NaCl, 2% Pluronic F-68 und 1% Sukrosestearat enthält, wurde
in eine 2,0 ml-Phiole gegeben. Die Phiole hatte einen oberen Restraum
von 0,7 ml, der anfänglich
Luft enthielt. Mit Perfluorhexandampf bei 25°C gesättigte Luft (29,3 kPa (220
Torr) Perfluorhexan mit 72 kPa (540 Torr) Luft) wurde verwendet,
um den oberen Raum der Phiole auszuspülen). Die Phiole wurde mit
einem dünnen
0,22mm-Polytetrafluorethylen(PTFE)septum versiegelt. Die Phiole
wurde horizontal gedreht und eine an ein 50W-Ultraschallgerät des Typs
VC50, erhältlich
von Sonics & Materials,
angeschlossene 3mm- (1/8'') Ultraschallsonde
wurde leicht gegen das Septum gedrückt. In dieser Position trennt
das Septum die Sonde von der Lösung.
Dann wurde der Sonde Leistung zugeführt, und die Lösung wurde
für 15s
ultraschallbestrahlt, wodurch eine weiße Lösung aus fein ver teilten Mikrobläschen mit
einer gewichteten mittleren Größe von 5 μm erhalten
wurden, gemessen durch einen Laserlichtstreuungs-Partikelanalysator
des Typs Horiba LA-700.
-
Beispiel 2
-
Verwendung eines durch
Ultraschallbestrahlung hergestellten Kontrastmittels
-
Zwei
Hasen wurden mit Dosen im Bereich von 0,1 bis 0,3 ml des gemäß Beispiel
1 hergestellten Kontrastmittels mit insgesamt 5 Injektionen pro
Hase injiziert. Die Hasen wurden dann mit einem experimentellen
Ultraschallgerät
an der University of Toronto, Sunnybrook Health Science Center,
2075 Bayview Avenue, North York, Ontario, Canada bestrahlt, um Bilder
zu erzeugen. Das Gerät
war in der Lage, Abbildungen im normalen Grauwert- und Dopplermodus
sowie im durch harmonische Signale verstärkten Grauwert- und Dopplermodus
auszuführen.
Bilder des Herzens, der inneren Vena cava, der Aorta, der Nieren
und der Leber wurden untersucht. Die Bilder des Hasen waren wesentlich
deutlicher, wenn während
der Abbildung in den durch harmonische Signale verstärkten Modi
das Kontrastmittel injiziert wurde. Kleine Gefäße waren nach der Kontrastmittelinjektion
deutlich sichtbar, während
nicht-vaskuläre
Störsignale
wesentlich reduziert waren. Diese Verstärkung dauerte für etwa 2
bis 3 Minuten an. Die verstärkten Bilder
waren das Ergebnis des Kontrastmittels, durch das ausgezeichnete
harmonische Ultraschallsignale erzeugt wurden.
-
Beispiel 3
-
Herstellung einer Zusammensetzung
1
-
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
-
Ein
Liter jeder der folgenden Lösungen
wurde mit Wasser für
eine Injektion vorbereitet: Lösung A
mit 4,0% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke (National Starch and Chemical
Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v Natriumchlorid (Mallinckrod,
St. Louis, MO), und Lösung
B mit 2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und
2,0% w/v Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.,
Tokyo, Japan). Lösung
B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine
Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113,
EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung ausgebildet.
Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics
Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert.
Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die
folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen
herzustellen:
2,0% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
2,0%
w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
0,87% Natriumphosphat, dibasisch
(Mallinckrod)
0,26% Natriumphosphat, monobasisch (Mallinckrod)
1,7%
w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,3% w/v Sukrosestearat S-1670
(Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,1% w/v Sukrosestearat S-570
(Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
4,0% w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan
(Freon 113, EM Science)
-
Die
Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner
des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro
Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung
der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate
= 39,5 CFM
Einlasslufttemperatur = 255°C
Auslasslufttemperatur
= 109°C
Luftdurchflussrate
des Zerstäubers
= 110 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1 l/h
-
Das
trockene, hohle, kugelförmige
Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde
am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard
ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen
abgewogen, bei 13°C
mit perfluorhexangesättigtem
Stickstoff besprüht
(2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde
mit Perfluorhexan gesättigt,
indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet
wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht
waren.
-
Der
Phioleninhalt wurde für
eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 400 mg des sprühgetrockneten
Pulvers gelöst,
nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben,
wenn das Wasser injiziert wird.
-
Beispiel 4
-
Verwendung der sprühgetrockneten
Zusammensetzung 1 als Ultraschallkontrastmittel
-
Eine
1 ml Injektion des gemäß Beispiel
3 hergestellten Kontrastmittels wurde zwei Hasen verabreicht. Von
den Hasen wurden dann wie in Beispiel 2 beschrieben Ultraschallbilder
erzeugt.
-
Durch
die Zusammensetzung wurde das durch die Mikrobläschen erzeugte harmonische
Signal verstärkt.
Das Kontrastmittel der sprühgetrockneten
Zusammensetzung 1 erzeugte eine bessere Verstärkung als das in Beispiel 1
beschriebene ultraschallbestrahlte Kontrastmittel, und diese Verstärkung dauerte
für etwa
4 Minuten an. Dieses verbesserte harmonische Ansprechverhalten und
die Wirkungsdauer sind die Ergebnisse der Auswahl eines optimaleren
nicht-Newtonschen Ten sidsystems. Die Zusammensetzung zeigt, dass
ein kondensierbarer Dampf, ein absorbierbarer Dampf, ein nicht-Newtonsches
Tensid und ein fluorkohlenstoffdampfstabilisiertes Monolagen-Tensidbläschen verstärkte Harmonische
für eine
ausgezeichnete in-vivo-Abbildung erzeugen.
-
Beispiel 5
-
Herstellung einer Zusammensetzung
2
-
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
-
Ein
Liter jeder der folgenden Lösungen
wurde mit Wasser für
eine Injektion vorbereitet: Lösung A
mit 4% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke
(National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v
Natriumchlorid (Mallinckrod, St. Louis, MO), und Lösung B mit
2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und 2% w/v
Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp., Tokyo,
Japan). Lösung
B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine
Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113,
EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung B ausgebildet.
Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics
Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert.
Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die
folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen
herzustellen:
2,0% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
3,0%
w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
1,7% w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,2%
w/v Sukrosestearat S-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,1%
w/v Sukrosestearat S-570 (Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
4,0%
w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113, EM Science)
-
Die
Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner
des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro
Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung
der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate
= 39,5 CFM
Einlasslufttemperatur = 220°C
Auslasslufttemperatur
= 103°C
Luftdurchflussrate
des Zerstäubers
= 110 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1 l/h
-
Das
trockne, hohle, kugelförmige
Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde
am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard
ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen
abgewogen, bei 13°C
mit perfluorhexangesättigtem
Stickstoff besprüht
(2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde
mit Perfluorhexan gesättigt,
indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet
wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht
waren.
-
Der
Phioleninhalt wurde für
eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 350 mg des sprühgetrockneten
Pulvers gelöst,
nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben,
wenn das Wasser injiziert wird.
-
Beispiel 6
-
Verwendung der sprühgetrockneten
Zusammensetzung 2 als Ultraschallkontrastmittel
-
Zwei
1 ml Injektionen des gemäß Beispiel
5 hergestellten Kontrastmittels wurde zwei Hasen verabreicht. Von
den Hasen wurden dann wie in Beispiel 2 beschrieben Ultraschallbilder
erzeugt.
-
Durch
die Zusammensetzung wurde das durch die Mikrobläschen erzeugte harmonische
Signal verstärkt.
Das Kontrastmittel der sprühgetrockneten
Zusammensetzung 2 erzeugte eine bessere Verstärkung als das in Beispiel 1
beschriebene ultraschallbestrahlte Kontrastmittel das in Beispiel
3 beschriebene sprühgetrockneten
Kontrastmittel der Zusammensetzung 1, und diese Verstärkung dauerte für etwa 5
Minuten an. Dieses verbesserte harmonische Ansprechverhalten und
die Wirkungsdauer sind die Ergebnisse der verbesserten Tensidzusammensetzung.
Die Zusammensetzung zeigt erneut, dass ein kondensierbarer Dampf,
ein absorbierbarer Dampf, ein nicht-Newtonsches Tensid und ein fluorkohlenstoffdampfstabilisiertes
Monolagen-Tensidbläschen
verstärkte
Harmonische für
eine ausgezeichnete in-vivo-Abbildung erzeugen.
-
Beispiel 7
-
Herstellung einer Zusammensetzung
3
-
Sprühgetrocknetes Ultraschallkontrastmittel
-
Ein
Liter jeder der folgenden Lösungen
wurde mit Wasser für
eine Injektion vorbereitet: Lösung A
mit 4% w/v N-Lok Pflanzliche Stärke
(National Starch and Chemical Co., Bridgewater, NJ) und 1,9% w/v
Natriumchlorid (Mallinckrod, St. Louis, MO), und Lösung B mit
2,0% Supersonic F-68 (Serva, Heidelberg, Deutschland) und 2% w/v
Ryoto Sucrose Stearat 5-1670 (Mitsubishi-Kasei Food Corp., Tokyo,
Japan). Lösung
B wurde einem Mischer mit hoher Scherkraft zugeführt und in einem Eisbad gekühlt. Eine
Grobsuspension von 40 ml 1,1,2-Trichlortrifluorethan (Freon 113,
EM Science, Gibbstown, NJ) wurde in 1 Liter der Lösung B ausgebildet.
Diese Suspension wurde unter Verwendung eines Mikrofluidizers (Microfluidics
Corporation, Newton, MO, Modell M-110F) bei 10000 psi und 5°C in 5 Durchgängen emulgiert.
Die erhaltene Emulsion wurde der Lösung A hinzugegeben, um die
folgende Zusammensetzung zum Sprühtrocknen
herzustellen:
3,9% w/v m-HES Hydroxyethylstärke (Ajinimoto, Tokyo, Japan)
3,25%
w/v Natriumchlorid (Mallinckrod)
2,83% Natriumphosphat, dibasisch
(Mallinckrod)
0,42% Natriumphosphat, monobasisch (Mallinckrod)
2,11%
w/v Supersonic F-68 (Serva)
0,32% w/v Sukrosestearat S-1670
(Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
0,16% w/v Sukrosestearat S-570
(Mitsubishi-Kasei Food Corp.)
3,0% w/v 1,1,2-Trichlortrifluorethan
(Freon 113, EM Science)
-
Die
Emulsion wurde dann in einem Sprühtrockner
des Typs Niro Atomizer Portable Spray Dryer, der mit zwei Fluidzerstäubern (Niro
Atomizer, Copenhagen, Denmark) ausgestattet war, unter Verwendung
der folgenden Einstellungen sprühgetrocknet:
Heißluftdurchflussrate
= 31 CFM
Einlasslufttemperatur = 370°C
Auslasslufttemperatur
= 120°C
Luftdurchflussrate
des Zerstäubers
= 290 l/min
Emulsionzufuhrrate = 1,5 l/h
-
Das
trockne, hohle, kugelförmige
Produkt hatte einen Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 15 μm und wurde
am Zyklonseparator gesammelt, was für diesen Trockner Standard
ist. Aliquoten des Pulvers (250 mg) wurden in 10 ml Röhrchenphiolen
abgewogen, bei 13°C
mit perfluorhexangesättigtem
Stickstoff besprüht
(2 mg Perfluorhexan pro ml Gas) und versiegelt. Der Stickstoff wurde
mit Perfluorhexan gesättigt,
indem er durch drei perfluorhexangefüllte Gaswaschflaschen geleitet
wurde, die in einem Wasserbad mit einer Temperatur von 13°C eingetaucht
waren.
-
Der
Phioleninhalt wurde für
eine Injektion mit 5 ml Wasser auf 100 mg des sprühgetrockneten
Pulvers gelöst,
nachdem eine Nadel (18 Gauge) als Ventil eingeführt wurde, um den Druck freizugeben,
wenn das Wasser injiziert wird.
-
Beispiel 8
-
Verwendung der sprühgetrockneten
Zusammensetzung 3 als Ultraschallkontrastmittel
-
Ein
betäubter
Hund mit einem Gewicht von etwa 20 kg wurde für eine Untersuchung an der
Mayo Clinic, 200 First Street Southwest, Rochester, Minnesota durch
ein experimentelles Ultraschallbildgebungsgerät vorbereitet, das in der Lage
war, Abbildungen im normalen Grauwert- und Dopplermodus sowie im
durch harmonische Signale verstärkten Grauwert-
und Dopplermodus auszuführen.
Das Gerät
war unabhängig
von dem in den vorstehend beschriebenen Beispielen verwendeten Gerät konstruiert.
Bilder des Herzens des Hundes wurden in allen Modi vor und nach
einer Injektion von 0,5ml-, 1,5ml- und 2ml-Dosen des in Beispiel
7 beschriebenen Mikrobläschen-Ultraschallkontrastmittels
aufgenommen.
-
Die
Bilder der durch Harmonische verstärkten Modi waren weitaus besser
als die Bilder der normalen Modi hinsichtlich der Definition der
Bewegungen der Herzwand, des Volumens der Kammern und der Visualisierung
des den Herzmuskel perfundierenden Kontrastmittels. Es wurden einzelne
Perforatoriumgefäße im Septum
des Herzens beobachtet. Das Kontrastmittel hatte eine nutzbare Lebensdauer
in Blut von etwa 5 Minuten.
-
Die
vorstehend beschriebenen Experimente zeigen, dass verstärkte Harmonische
erzeugt werden durch Mikrobläschen,
die (1) Perfluorhexan mit einem Dampfdruck bei 37°C von mehr
als 23 Torr und weniger als 1 % wt./wt. Löslichkeit in Was ser aufweisen
und bei einer Gaskonzentration von mehr als 2 Mol-% und über 50%
ihrer Sättigungskonzentration vorhanden
sind, wodurch die Erzeugung von Harmonischen durch Kondensation
verstärkt
wird; (2) ein Gas mit mehr als 2 Mol.-% Perfluorhexan aufweisen, das
(a) eine Löslichkeit
seiner flüssigen
Phase in Hexan bei 37°C
von mehr als 10% Mol/Mol und (b) eine Löslichkeit seiner flüssigen Phase
in Wasser bei 37°C
von weniger als 1% wt./wt. aufweist, so dass die Erzeugung Harmonischer
durch Adsorption/Lösung in
der Tensidschicht verstärkt
wird; (3) ein nicht-Newtonsches Tensid aufweisen, das die Erzeugung
Harmonischer verstärkt
oder (4) durch Perfluorhexan stabilisierte Mikrobläschen, ein
Gasosmosemittel und eine Monolage aus einem Tensid aufweisen, wodurch
die Erzeugung Harmonischer verstärkt
wird.
-
Beispiel 9
-
Verwendung eines durch
Ultraschallbestrahlung hergestellten Ultraschallkontrastmittels
-
Ein
Mikrobläschenkontrastmittel
wird durch Ultraschallbestrahlung gemäß Beispiel 1 hergestellt, außer dass
die Atmosphäre
in der Phiole vor der Ultraschallbestrahlung (und daher das Gas
in den Mikrobläschen)
aus 100% Perfluorbutan bestand und die Lösung in der ultraschallbestrahlten
Phiole 0,9% Saline plus 3% Pluronic F-68 (ein Newtonsches wasserlösliches
Tensid, das nur kleine Änderungen
in der Oberflächenspannung
zeigt, wenn die Monolage komprimiert wird) aufwies.
-
Bilder
eines Hasen wurden wie in Beispiel 2 erzeugt, nachdem 0,3 ml dieses
Kontrastmittels verabreicht wurden. Obwohl die vaskuläre Wirkungsdauer
und die Erzeugung Harmonischer für
diese Zusammensetzung nicht optimal sind, können aufgrund der Fähigkeit
von Perfluorbutan, sich im hydrophoben Bereich der Monolage aus
Pluronic F-68 zu lösen
oder darin adsorbiert zu werden, im Vergleich zu luftgefüllten Mikrobläschen größere Verstärkungen Harmonischer
erzielt werden. Dies ist der Fall, weil Perfluorbutan eine Löslichkeit
in Hexan von mehr als 10% Mol/Mol und eine Wasserlöslichkeit
von weniger als 1% wt./wt. aufweist. Außerdem werden die Bläschen durch
ihre Gasanteile stabilisiert und weisen eine Tensid-Monolage auf.
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Beispiel 10
-
Verwendung eines durch
Ultraschallbestrahlung hergestellten Ultraschallkontrastmittels
-
Das
in Beispiel 9 beschriebene Kontrastmittel wurde mit Bläschen hergestellt,
die mit Perfluorhexan bei 13°C
gesättigtes
Stickstoff enthalten. Unter Verwendung des Kontrastmittels wurden
wie vorstehend beschrieben Ultraschallbilder von Hasen erzeugt.
Die Verstärkung
der Harmonischen ist bei dieser Zusammensetzung besser als in Beispiel
9, weil zusätzlich
zur Adsorption und den gasstabilisierenden Effekten von Beispiel
9 das Perfluorhexan im angeregten Zustand kondensieren kann, wenn
es z.B. in einem Anteil von mehr als 2 Mol-% der Gasphase und bei
einer Konzentration von mehr als 50% seiner Sättigungskonzentration vorhanden
ist, weniger als 1% wt./wt. Löslichkeit
in Wasser und einen Dampfdruck bei 37°C von über 3070 Pa (23 Torr) aufweist.
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Beispiel 11
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Verwendung eines Ultraschallkontrastmittels,
das albuminbeschichtete Mikrobläschen
enthält
-
Die
kommerziell erhältliche
Mikrobläschenzusammensetzung
Albunex (Molecular Biosystems Inc., San Diego, CA) wird unter Verwendung
von mit Perfluorhexan bei 13°C
gesättigtem
Stickstoff als Gasgemisch, das während
der Herstellung der Bläschen
vorhanden ist, durch Ultraschallbestrahlung gemäß dem im US-Patent Nr. 4957656
beschriebenen Verfahren hergestellt. Das Kontrastmittel wird einem Hasen
injiziert, und es werden wie in Beispiel 2 Ultraschallbilder erzeugt.
Obwohl dieses Mittel durch viele Schichten des Albumintensids gedämpft ist
und kein nicht-Newtonsches Tensid enthält, ist seine Harmonischenverstärkung aufgrund
des Vorhandenseins von Perfluorhexan, das während der Anregung kondensieren
und adsorbiert wird, erhöht,
wodurch bessere Ultraschallbilder erzeugt werden.
-
Obwohl
in der vorstehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und die beste Technik zum Implementieren der Erfindung
ausführlich
erläutert
worden sind, ist ersichtlich, dass die Erfindung innerhalb des durch die
beigefügten
Patentansprüche
definierten Schutzumfangs der Erfindung auch auf verschiedene andere
Weisen realisiert werden kann.