光声成像技术在内窥镜及脑成像中的应用研究

摘要

光声成像技术已成为人们研究的一个热点，它在生物医学影像领域的应用体现出很多突出的优点。它利用特定波长的短脉冲激光照射生物组织，由于组织中不同组分和不同的结构对激光吸收系数不同，吸收的激光能量就会引起组织内不同位置的温度发生改变，进而导致组织产生膨胀效应并产生超声波，这种超声波信号就是光声信号。一般组织内不同的组分对同一种波长的激光吸收系数不同，这些不同的吸收特性能够反映组织不同的新陈代谢以及组织的病变情况。光声成像结合了光的高对比度和超声的高分辨率两者的优点，使光声成像系统能够获得较高质量的图像。本论文基于光声成像原理搭建了一套光声断层扫描成像系统（PAT），并通过仿体和动物实验验证了系统的成像性能；论文采用MEMS技术开发了基于AlN薄膜的压电式超声传感器，创新地将微型化的MEMS传感器应用于光声成像系统中，为光声成像技术在更多领域的应用奠定重要基础；基于光声成像技术开展了早期直肠癌的实验研究；与中医针灸相结合开展了脑成像实验研究。其主要内容归纳如下：
　　1、组建了实验室PAT成像系统，通过仿体实验、动物实验和人体实验验证了系统的稳定性和可操作性。该系统使用的激光器为法国QUANTEL的Brilliant型号产品，激光波长532nm，脉冲宽度6ns，脉冲重复频率1-10Hz。系统的控制程序采用Labview软件来编写，通过Labview的控制编程对激光器、采集卡、步进电机进行时序控制，确保系统的正常工作。目前系统完成一幅二维图像的成像时间约2-3分钟。
　　2、基于聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride,PVDF）压电薄膜研制了光声内窥镜成像系统，并与华西医院合作开展了光声内窥镜在人体早期直肠癌离体切片中的实验研究。论文首先研制了基于PVDF的四阵列传感器，并将该传感器集成到内窥镜探头中，形成了完整的光声内窥镜成像系统。人体离体切片组织的实验数据证明：光声内窥镜对正常组织和早期癌变组织有一定的辨别能力。该研究为光声内窥镜在临床上人体早期直肠癌诊断中的应用奠定了一定实验基础。
　　3、论文研制了新型的基于微加工技术的压电式超声传感器（pMUT）及其在光声成像技术中的应用。pMUT芯片采用AlN薄膜作为它的压电层；以Pt作为上下电极材料；聚酰亚胺（PI）作为器件表面的保护层；所研制的 pMUT芯片中心频率约2.9MHz，耦合效率为2.38％—3.71％。论文最后将该传感器集成到光声成像系统中，并成功获取了头发丝的二维图像。该研究成果为pMUT阵列器件在光声成像中的应用奠定基础，也为光声成像技术在实时性和系统微型化方面奠定实验基础。
　　4、基于PAT系统开展了针灸和艾灸对脑部血流动力学的影响，论证了针灸和艾灸涌泉穴都可以提高脑部血红蛋白的浓度（HbT）；将PAT系统与激光散斑成像系统结合起来开展针灸阳陵泉穴（GB34）对脑缺血模型的实验研究，研究结果表明：针灸GB34时，缺血区的脑血流（Cerebral Blood Flow,CBF）对针灸的响应较弱，但缺血区的血红蛋白浓度对针灸仍然有较强的响应；而在非缺血区，血流和血红蛋白浓度对针灸均有较强的响应。该实验结果揭示了针灸GB34对脑缺血的作用机理，为针灸在脑缺血疾病中的应用奠定了重要的实验依据。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 光声成像技术在国内外的研究现状

1.3 论文的主要研究工作

第二章 光声断层扫描成像原理及系统搭建

2.1 激光与生物组织相互作用机理

2.2 光声成像的基本原理

2.3 光声断层扫描成像系统的搭建

2.4 实验结果分析

2.5 本章小结

第三章 光声内窥镜的研制及其应用研究

3.1 传统的医用内窥镜技术简介

3.2 PAE的技术特点和应用背景

3.3 基于聚偏二氟乙烯传感器光声内窥镜成像系统的研制及试验研究

3.4 pMUT器件在光声成像中的初步应用研究

3.5 基于AlN薄膜的pMUT的制造及在光声成像中的应用

3.6 本章小结

第四章 光声技术在针灸脑成像中的应用研究

4.1 传统影像技术在针灸脑成像中的应用及简介

4.2 基于光声成像技术的针灸脑动力学研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

博士期间的科研成果与获奖