快速光声成像系统及其应用研究

摘要

目前临床上使用的医学影像技术如超声多普勒成像、X光、核医学成像以及磁共振等由于自身技术机理的原因，都存在着各自的缺陷。传统光学成像技术虽然能够进行快速安全的无创检查，但无法在生物深层组织实现高分辨率的成像，使得光学成像技术的特点与优势不能彻底地发挥，临床上的应用仍然有限。近年来，光声成像技术的发展引起了生物医学成像技术领域的关注，这一技术使用脉冲激光来激励超声波信号，获得生物组织的光吸收分布信息。光声成像技术是一种结合了光学成像与超声成像特点的混合成像模式，能够快速准确地获取生物组织一定深度上的光吸收参数分布，图像分辨率能够与超声成像技术相媲美。 目前软硬件技术的发展，使得光声成像能够利用最新的超声阵列探测器与高速数据采集设备，并使用近年来技术进步明显的固体激光器进行实时成像。一套能够进行高分辨率实时成像的快速光声成像系统，大大扩展了光声成像技术在实验室研究和临床前期研究中的应用。与此同时，发展逐渐成熟的多波长光声成像技术能够快速获取生物组织的多种成分信息，使得光声成像技术的发展走出实验室，朝着成为一种能够运用于临床检查的成像技术迈出重要的一步。本文在这样的大背景下，在实验室前期研究的基础上，设计并搭建了一套基于曲面超声阵列的快速光声断层扫描系统，并将该系统运用到光声脑成像与人体外周血管成像的研究当中。本文主要工作内容包括： 1.搭建一套全新的实验系统。本文设计并搭建了基于曲面超声换能器阵列的快速光声成像系统，大幅度提高了成像速度，并能够灵活地进行身体多个位置的血管成像。本文通过充分的论文调研，认识到目前实验室单探头光声成像技术的劣势。结合其他研究小组的已有经验，进行了曲面超声探头的仿真与设计，并交付加工。在此基础上，设计制作了能够实现最佳照明与超声耦合的成像探头，将高能量光纤束、超声换能器以及耦合液体组合一体化。根据探测器特性制作了能够方便用于光声成像的，具有多路复用功能的多通道前置放大电路。采用工业用高速数据采集系统实现了64通道并行数据采集并编写了基于Labview平台的图像重建程序，实现了图像采集过程中的实时成像。后续使用Matlab软件进行光声数据的处理与分析工作。 2.将系统用于光声脑科学研究。使用声学分辨率光声显微镜研究了针灸刺激状态下的脑血流动力学改变，观察到了由于针灸刺激引起的部分脑区激活现象。接下来设计并搭建了冠状面断层扫描系统，利用近红外波段激光实现了多个层面的冠状面扫描成像。实现了小鼠自发性脑出血的发展与恢复过程的监测与评估。最后，在快速光声成像系统搭建完成的情况下观察了静息状态下小鼠大脑神经活动引起的血液动力学改变，实现了观察小鼠冠状面的脑网络连接，利用光声信号重建了小鼠脑中单个层面的功能连接。 3.人体外周血管的光声成像研究。将快速光声成像系统用于临床前期研究当中，将血管成像主要是人体外周血管成像作为主要研究对象。由于人体血管中的血红蛋白是一种天然造影剂，在近红外波段有着较高的光吸收。利用生物组织的近红外光学窗口，将系统用于人体外周血管多个标志点的成像当中，并使用商用超声平台进行了交叉验证。利用多波长技术，对这些成像位置进行了多波长成像，获取了血液中不同成分的浓度分布图像。光声成像研究当中引入血管阻断测试，观察了血管被阻断前后，人体外周血管的血液动力学变化。征集了不同年龄阶段的健康志愿者参与实验研究，观察到了由于年龄增长引起的血管功能下降现象，，得到了有临床价值的结果。 本文开展的研究完成了一套全新的实验系统搭建，并在此基础上展示了光声成像技术在小动物脑成像以及在临床前期研究中的潜在价值，拓展了这一技术的在临床以及科学研究中的应用领域。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 现代医学成像技术

1.2.1 传统放射学成像

1.2.2 核医学成像

1.2.3 磁共振成像

1.2.4 超声成像

1.2.5 光学成像技术

1.2.6 光声成像技术

1.2.7 成像特性与性能指标

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 光声成像原理

2.1 光与生物组织的相互作用

2.1.1 光吸收

2.1.2 散射

2.2光声效应

2.2.1 光热效应

2.2.2 光声效应的基本原理

2.3 光声成像重建方法简介

2.4 多光谱分离

2.5 本章小结

第三章 快速光声成像系统搭建

3.1 快速光声成像系统设计

3.2 光源选择

3.3 超声换能器

3.3.1 超声换能器简介

3.3.2 超声换能器设计

3.4 前置放大电路

3.5 数据采集系统

3.6 控制系统

3.7 后处理程序

3.8 成像探头设计

3.9 系统基本参数测试

3.10 本章小结

第四章 光声脑成像

4.1 光声显微镜观察针灸效应

4.1.1 研究背景

4.1.2 实现系统及方法

4.1.3 结果与讨论

4.1.4 小结

4.2 冠状面光声断层扫描评估脑出血进展

4.2.1 研究背景

4.2.2 研究方法

4.2.3 实验结果

4.2.4 讨论与小结

4.3 光声成像揭示小鼠大脑固有功能连接

4.3.1 研究背景

4.3.2 研究方法

4.3.3 结果分析

4.4 三种成像系统对比

4.5 本章小结

第五章 光声外周血管成像

5.1 血管结构与功能成像

5.1.1 研究背景

5.1.2 研究方法

5.1.3 研究结果

5.1.4 解剖结构成像结果

5.1.5 多波长成像结果

5.1.6 动态成像结果

5.1.7 动态成像小结

5.2 光声断层扫描评估足部血管的血流动力学变化

5.2.1 研究背景

5.2.2 研究方法

5.2.3 实验结果

5.2.4 讨论与小结

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果