应用于早期口腔癌的光学分辨率光声显微成像系统

摘要

口腔癌是一种人体头颈部常见的恶性肿瘤。其在早期阶段无明显症状，难以被患者自身察觉，甚至不易被常规的医疗检查手段筛查或检测，发现患病时通常已处于晚期阶段。此时的口腔癌组织结构松散，容易脱落，易发生转移诱发全身癌变，导致患者死亡。因此，口腔癌的存在对人类健康构成了严重威胁。类似于其他癌症，如果能在病变早期及时发现并予以治疗，将有效的提高患者的预后生活质量及5年幸存率。相关医学研究结果表明，口腔疾病发生时，病变位置处口腔黏膜上的毛细血管会发生明显的形态学变化，应用医学影像技术对口腔黏膜毛细血管进行成像，通过观察其形态学变化实现早期口腔癌的筛查及检测，是一种可行性较高的方案。但是，传统的医学影像技术均不以血液作为主要对比度来源，无法有效检测血管变化。而一种新型的无损医学影像方法——光学分辨率光声显微成像技术的出现为解决以上问题提供了新的技术手段。 光学分辨率光声显微成像技术具有以光学吸收特性为基础的成像机制，可通过选择合适的激光波长，特异性的对血管进行成像。由于光学分辨率光声显微成像以激光作为激发源，通过探测的超声信号重建图像，因此，该技术兼具传统光学影像和超声成像的特点，具有对比度丰富、分辨率高、穿透深度强等特点。此外，光声技术在成像过程中不存在电离辐射，因此其安全性也得到了保证。以上特点使光学分辨率光声显微成像技术非常适用于毛细血管成像。综上所述，将光学分辨率光声显微成像技术应用于早期口腔癌检测是一种非常合理的新思路，一方面提出了一种有效的早期口腔癌筛查方法，为口腔癌的防治提供了一种有巨大潜力的新工具；另一方面也为光学分辨率光声显微成像技术开辟了新的应用领域，打破了该技术只能应用于小动物实验的局限性，成功将其应用于人体口腔，为光学分辨率光声显微成像技术早日走向临床应用打下了坚实的基础。 然而，传统的光学分辨率光声显微成像系统受限于其扫描机制，存在扫描速度缓慢、体积庞大、结构复杂以及灵活性差等缺陷，其应用范围长期局限于小动物成像，难以实现人体口腔成像。基于以上分析，本论文特此对现有光学分辨率光声显微成像系统的扫描机制进行改进，研发了一套适用于人体口腔检查的光学分辨率光声显微成像系统。本论文首先从光声成像的基本理论出发，重点介绍了光学分辨率光声显微成像的工作原理、系统结构、扫描机制以及各项性能参数；然后以基于步进电机扫描的透射式成像系统为出发点，了解和熟悉光学分辨率光声显微成像的技术特点，并逐步改进和优化成像系统的扫描机制和成像端面，最终成功搭建一套基于二维扫描振镜和线聚焦超声探测器实现旋转式扫描的光学分辨率光声显微成像系统，并首次获得了人体嘴唇处毛细血管网络的高分辨率光声显微图像；最后，为了满足对人体口腔内部进行成像的需求，本论文又以微机电器件为基础设计并实现了一套小型化光学分辨率光声显微成像系统，可以深入口腔内部进行扫描和成像；同时逐步开展了仿体，健康动物模型，动物肿瘤模型以及健康人体模型的临床前实验研究，证明了本论文提出的成像系统能够获得人体口腔黏膜毛细血管的高分辨率和高对比度图像，具有充分的可行性以及巨大的临床应用潜力。本论文的主要研究内容包括： 1、设计并搭建了基于步进电机的透射式光学分辨率光声显微成像系统，编写了采集控制程序和图像重建算法，同时预先设计了各类反射式结构的实现方法作为后续研究工作的准备。 2、提出并实现了独特的旋转式扫描方法，该方法不仅具有扫描速度块，信噪比高，灵活性强等优点，而且克服了电机式扫描中成像端面和目标物体之间存在相对运动的问题，提高了光学分辨率光声显微成像技术的适用性。 3、开展了从生物组织仿体，健康小动物，小动物肿瘤模型到健康人体口腔的一系列实验研究，证明了将光学分辨率光声显微成像应用于口腔癌早期检测的可行性及该方法的临床应用潜力。 4、提出并实现了一种基于微机电扫描器件的小型化光学分辨率光声显微成像系统，该系统可以深入人体口腔内部进行成像，同时开展了一系列成像实验，拓展了基于光声显微成像技术的口腔癌检测方法的应用范围。 通过本论文所开展的实验和理论研究，充分证明了将光学分辨率光声显微成像技术应用于口腔癌检测的可行性，为其在临床实验的展开和推广打下了坚实的基础。为了满足对人体口腔内部进行成像的高要求，本论文提出了一种新型的扫描方法并改进了已有的光学分辨率光声显微成像系统的扫描机制及成像端面，提高了光学分辨率光声显微成像系统对各类实验对象的适用性，扩展了该技术的应用范围，为光学分辨率光声显微成像技术开辟了崭新的应用领域。

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