基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法

摘要

本发明公开了一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法。该方法包含如下步骤，先对器官进行去细胞组织透明化处理，再利用不同浓度的含大豆油油墨光声造影剂对器官内所有待造影成像的管道系统逐一进行造影和成像，最后利用不同管道系统中含大豆油油墨光声造影剂之间浓度差异带来的光声信号的差异对成像数据进行光声信号阈值剪影处理。该方法运用造影剂浓度差剪影成像，可以在无需人工分割、无需对多次获取的图像进行配准剪影的情况下，仅通过图像处理算法，获得器官中各个管道系统独立的二、三维成像信息。

说明书

技术领域

本发明属于光学医疗成像方法领域，具体涉及一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法。

背景技术

器官的管道系统通常在器官疾病的发源和发展中起复杂的病理作用，这使得器官管道系统的二维和三维成像技术的开发和运用在器官疾病的研究以及器官疾病的诊断与治疗等领域中有着重要的科研价值与临床应用前景。由于X射线计算机断层扫描成像技术优秀的组织穿透与三维成像能力，X射线计算机断层扫描成像技术是目前国内外开展器官内管道系统的成像与研究的金标准。然而，现阶段X射线计算机断层扫描成像技术仍然存在设备成本高、成像信噪比不足、高成像分辨率与大成像范围不兼容、造影成像过程复杂、数据重建耗时长以及潜在电离辐射危害等问题，在一定程度上阻碍了器官管道系统研究领域进一步的发展。

光声成像（Photoacoustic Imaging，PAI）是一种融合了光学成像技术和超声成像技术两种常见生物医学成像方式、同时利用光和声作为成像媒介的新兴前沿生物医学成像方式，其核心成像原理过程是高频脉冲激光引起的目标吸收体高频反复热收缩舒张现象产生空间超声波这样一种光声现象。由于光声成像高空间成像分辨率、对光吸收对比度敏感以及无需层析扫描即可得到成像深度上三维成像信息等固有特性，光声成像逐渐称为生物医学成像领域中一种重要的成像方式。然而，生物组织严重的光学散射造成的有限的成像深度（约1.5毫米）以及有限的成像范围使得将现有的光声成像系统以及光声成像方法适用于器官内部完整管道系统的二维与三维成像是一个有挑战且尚未攻克的难题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法，以解决现有光声成像系统以及光声成像方法无法穿透器官组织对器官内部深层管道系统进行成像并快速对不同管道系统成像数据进行空间上的分割的技术问题。

（二）技术方案

本发明为解决其技术问题，提供了一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法，具体技术方案如下：

一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1，对离体器官管道系统进行去细胞组织透明化处理；

步骤S2，根据器官的管道系统的数量N，N≥2，以不同比例混合大豆油与油性黑色墨水制备N种浓度油性黑色墨水，形成具有梯度浓度的含大豆油油墨光声造影剂组；

步骤S3，依照扫描激光入射器官组织方向上各管道系统所在的平均深度，采用由深到浅的顺序，对器官内待造影成像的各管道系统进行排序；

步骤S4，将梯度浓度含大豆油油墨光声造影剂依照浓度由低到高的顺序，与步骤S3中排序后的由深到浅的管道系统逐一配对，以待造影和成像；

步骤S5，按照含大豆油油墨光声造影剂浓度由低到高的顺序，对按照平均深度由深到浅排序的管道系统逐一进行造影；每一套管道系统造影后，均立即进行一次成像，即完成单轮次的造影成像；共进行N轮次的造影成像，获得N组成像数据；

步骤S6，对首轮次造影成像获得的成像数据进行对比度增强处理；对从第二次造影成像轮次开始获取的N-1组成像数据，各设置一个全局光声信号强度阈值，滤去每一组成像数据中光声信号强度等于或低于前一造影成像轮次成像数据中最大光声信号强度的成像数据；采用上述阈值处理，从第二次造影成像轮次开始，仅保留在各造影成像轮次中当轮次被造影的管道系统的独立成像数据。

更具体地，步骤S1具体采用如下方式来实现，对器官管道系统进行单端口闭环作业，即仅保留单个开放端口的情况下，封闭各个器官管道系统位于器官外的其余端口；在各个器官管道系统的预留单开放端口处进行滞留性针头插管作业；通过蠕动泵和软管，经由任意滞留性针头对器官内部以每分钟6ml的速度依次灌注40分钟去离子水、2小时4%Triton X-100和0.02%乙二醇四乙酸的混合溶液以及2小时1%十二烷基硫酸钠溶液，依次去除器官内残留的血液并且破坏器官内蛋白质-脂质与脂质-脂质之间的分子连接，以提高器官的光学透过率和减小器官组织的光学散射率；完成去细胞透明化的器官，在4%多聚甲醛溶液中固定至少24小时，以备使用。

更具体地，步骤S2具体采用如下方式来实现，以油性黑色墨水和大豆油为基底配置的含大豆油油墨光声造影剂的光声信号强度与含大豆油油墨光声造影剂的浓度呈正相关，可以通过调整含大豆油油墨光声造影剂中大豆油的占比调整含大豆油油墨光声造影剂的浓度，以达到调整含大豆油油墨光声造影剂的光声信号强度的目的；根据器官内需成像管道系统的数量N，将大豆油与油性黑色墨水以N种互不相同的比例进行混合，产生一组含有N种浓度且有一定梯度的含大豆油油墨光声造影剂组。

更具体地，步骤S3具体采用如下方式来实现，选择待成像器官较平坦的一面作为扫描激光的入射面，以所选择的器官平面作为零深度面，以扫描激光的入射方向作为深度延伸方向，对所有待成像的管道系统依照管道系统整体所处于的平均深度，由深到浅的顺序对器官内待造影成像的各管道系统进行排序。

更具体地，步骤S5具体采用如下方式来实现，将N种浓度含大豆油油墨光声造影剂灌注于N支针筒中，各针筒口通过软管与各浓度含大豆油油墨光声造影剂配对管道系统的滞留性针头相连；针筒泵匀速将针筒内的含大豆油油墨光声造影剂通过软管推入对应的管道系统；按照含大豆油油墨光声造影剂由低浓度到高浓度的顺序，以深层到浅层的顺序，对器官内所有待造影成像的管道系统，进行每一次管道系统造影后均进行一次成像的动态多轮次造影成像，获得N组不同的成像数据。

更具体地，步骤S6具体采用如下方式来实现，对第二轮次造影成像开始获取的N-1组成像数据，分别设定一个全局光声信号强度阈值T

（三）有益效果

相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面：

（1）对器官进行去细胞组织透明化处理，大幅度增加器官组织的光学透过性，最大限度减少器官组织对光声成像入射脉冲激光的散射，使得光声成像入射脉冲激光可穿透至器官内管道系统所处深度以进行成像；

（2）现有技术中，针对透明化器官光声造影成像，通常采用多套管道系统一并造影后单次成像，难以避免造影后各管道系统间对入射扫描激光遮挡造成的部分管道系统成像信息的损失，本申请依照激光入射器官组织方向上各管道系统所在的平均深度，对器官内各管道系统进行由深到浅有序逐一多次造影成像，有效避免了扫描激光无法穿透已造影管道系统导致的各已造影管道系统深度差异上的遮挡，实现了器官内多管道系统完整成像信息的采集；

（3）现有技术中，针对透明化器官光声造影成像，通常采用拥有相同或相近光吸收系数的造影剂对多套管道系统进行造影，难以避免各管道系统光声信号缺乏对比度带来的彼此间成像信号分割困难问题，本申请采用梯度浓度含大豆油油墨光声造影剂，由低浓度到高浓度，有序对器官内管道系统进行造影的构思，利用造影剂光声信号强度与其浓度的正相关关系，仅对原始成像数据进行光声信号阈值过滤处理，能够有效实现器官内各管道系统间成像数据在空间上的分割。

附图说明

图1为本发明工作流程示意图。

图2为本发明成像案例技术效果图。

图中：1——待处理器官；2——管道系统端口；3——滞留性针头插管；4——管道系统单端口闭环结扎；5——软管；6——蠕动泵；7——去细胞透明化器官；8——器官内需成像管道系统数量；9——梯度浓度含大豆油油墨光声造影剂组；10——扫描激光入射面；11——扫描激光入射方向；12——各管道系统由深到浅排序；13——含大豆油油墨光声造影剂由低浓度到高浓度排序；14——排序管道系统与排序含大豆油油墨光声造影剂逐一配对；15——N种浓度含大豆油油墨光声造影剂灌注于N支针筒；16——针筒泵；17——首套管道系统造影和成像；18——第一组成像数据；19——首轮次造影成像；20——首套造影管道系统独立成像数据；21——第二套管道系统造影和成像；22——第二组成像数据；23——第二造影成像轮次；24——第二套造影管道系统独立成像数据；25——重复多轮次造影成像；26——重复成像数据阈值过滤处理；27——第N套管道系统造影和成像；28——第N组成像数据；29——第N造影成像轮次；30——第N套造影管道系统独立成像数据；31——N套管道系统成像数据在空间上的分割；32——大鼠肝脏肝静脉系统与门静脉系统造影成像流程；33——增强后的肝静脉二维成像数据；34——肝静脉三维重建图；35——首轮次造影成像（肝静脉造影成像）；36——阈值处理后的门静脉单独二维成像数据；37——门静脉单独成像数据三维重建图；38第二造影成像轮次（门静脉造影成像）。

具体实施方式

本发明为了解决其技术问题，提供了一种基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提出的基于造影剂浓度差剪影的器官管道系统光声显微成像方法包括以下步骤：

（1）成像器官预处理

将待处理器官1从供体中进行离体，保留器官内管道系统通向器官外的各管道系统端口2，对管道系统进行单端口闭环结扎4作业，即仅保留单个开放端口的情况下，封闭各个器官管道系统位于器官外的其余端口，同时在各个器官管道系统的预留单开放端口处进行滞留性针头插管3作业；完成管道系统插管后，通过蠕动泵6和软管5，经由任意滞留性针头对器官内部以每分钟6ml的速度依次灌注40分钟去离子水、2小时4% Triton X-100和0.02%乙二醇四乙酸的混合溶液以及2小时1%十二烷基硫酸钠溶液，依次去除器官内残留的血液并且破坏器官内蛋白质-脂质与脂质-脂质之间的分子连接，以提高器官的光学透过率和减小器官组织的光学散射率；完成去细胞透明化的器官7，在4%多聚甲醛溶液中固定至少24小时，以备使用；

（2）光声成像造影剂制备

根据器官内需成像管道系统的数量（假设数量为N）8，将光声效应几乎可以忽略的大豆油与有强光声效应的油性黑色墨水以N种互不相同的比例进行混合，产生一组含有N种浓度且有一定梯度的梯度浓度含大豆油油墨光声造影剂组9；由于含大豆油油墨光声造影剂的光声信号强度与含大豆油油墨光声造影剂的浓度呈正相关，这N种浓度互不相同的含大豆油油墨光声造影剂在相同条件脉冲激光的激发下将会产生有对比度的光声信号；

（3）确定管道系统造影成像顺序

选择待成像器官较平坦的一面作为扫描激光入射面10，以所选择的器官平面作为零深度面，以扫描激光的入射方向11作为深度延伸方向，对所有待成像的管道系统依照管道系统整体所处于的平均深度，由深到浅的顺序对器官内待造影成像的各管道系统进行排序12，以这顺序对各管道系统进行逐一造影和成像可以避免在传统光声成像单平面激光扫描的成像机制下，扫描激光无法穿透已造影管道系统导致的各已造影管道系统深度上的差异带来的遮挡问题，尽可能保证获得每一套管道系统无遮挡的完整成像数据；

（4）造影成像前准备

将梯度浓度含大豆油油墨光声造影剂组9内的含大豆油油墨光声造影剂依照浓度由低到高的顺序进行排序13，并与步骤S3中排序后的由深到浅的管道系统12逐一配对14，以待按照含大豆油油墨光声造影剂浓度由低到高的顺序13，对按照平均深度由深到浅排序的管道系统12逐一进行造影；

（5）器官管道系统浓度差造影剂造影成像

将N种浓度含大豆油油墨光声造影剂灌注于N支针筒中15，各针筒口通过软管与各浓度含大豆油油墨光声造影剂配对管道系统的滞留性针头相连；对器官管道系统造影时，针筒泵16匀速将针筒内的含大豆油油墨光声造影剂通过软管推入对应的管道系统；整个造影成像流程如下：首先用最低浓度的含大豆油油墨光声造影剂对最深层的管道系统进行造影并进行成像17，获得第一组成像数据18，完成首轮次造影成像19，接着用高一浓度梯度的含大豆油油墨光声造影剂对浅一层次的管道系统进行造影并成像21，获得第二组成像数据22，完成第二造影成像轮次23，由于脉冲激光首先到达前一层次的管道系统深度，故次管道系统将不会被已造影的管道遮挡成像数据；依此类推，按照含大豆油油墨光声造影剂由低浓度到高浓度的顺序，以深层到浅层的顺序，对器官内所有待造影成像的管道系统，进行每一次管道系统造影后均进行一次成像的重复多轮次造影成像25，直到用最高浓度的含大豆油油墨光声造影剂对最浅层的管道系统进行造影并成像27，获得第N组成像数据28，完成第N造影成像轮次29，总共获得N组不同的成像数据；

（6）成像数据处理与各管道系统成像数据的空间分割

对首轮次造影成像获得的成像数据18进行对比度增强处理，得到首次造影成像轮次19最深层管道系统独立成像数据；假设首轮次造影成像获得的成像数据18源数据中最高光声信号强度值为I

根据上述步骤，结合图2所示的大鼠肝脏肝静脉系统与门静脉系统造影成像结果案例进行技术效果的举例说明。如图2所示，大鼠肝脏肝静脉系统与门静脉系统造影成像流程32如下：首先进行大鼠肝脏的去细胞透明化，由于以选择的成像面为基准肝静脉系统的平均深度比门静脉的平均深度深，则造影的顺序为肝静脉系统先造影门静脉系统后造影；一共需要造影成像的管道系统数量为2，则准备含有5%和100%两种浓度的梯度含大豆油油墨光声造影剂组，并利用5%浓度含大豆油油墨光声造影剂对肝静脉系统造影，利用100%浓度含大豆油油墨光声造影剂对门静脉系统造影；进行首轮次造影成像（肝静脉造影成像）35，对肝静脉进行5%浓度含大豆油油墨光声造影剂的造影和成像，获得增强后的肝静脉二维成像数据33与三维重建图34，接着进行第二造影成像轮次（门静脉造影成像）38，获得第二组成像数据，过滤第二组成像数据中光声信号强度值小于等于首轮成像数据原始数据中最大光声强度值的成像数据，得到门静脉的二维成像数据36与三维重建图38，至此完成大鼠肝脏肝静脉系统与门静脉系统的完整二维、三维成像以及两套管道系统在空间上的成像数据分离。

本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。