光声分析方法在骨质定性和定量评估中的研究
发布时间：2020-08-11 17:48
【摘要】：本文工作的主要目标是研制一个新的高灵敏度的骨质定性和定量评估检测平台。提出了采用四种光声量化技术用于对骨质健康相关的物理、化学特性的全面评估。首次提出了采用光声成像(Photoacoustic imaging, PAI)方法用于骨质评估的可行性。研究了光和声在骨质中的传播情况,并用临床相关骨质模型验证了光声成像方法在骨质定量评估中的可行性。首次提出了采用新兴的光声功率谱分析(Photoacoustic spectrum analysis, PASA)方法来对骨质微结构评估,并验证了其对骨质微结构的表征能力。文中进行了理论模拟和实验测量验证,分析来自于骨骼的关键信号频谱特征,用线性回归方法拟合频谱,得到光声谱的量化参数-斜率。该参数对生物组织的非均匀性很敏感,能够反应微米量级的孔状骨松质的光吸收部分组织的微结构特征。另外,该参数不受光能流密度影响,因此能够更好的评估骨质微结构特征。首次提出了将热光声(Thermal photoacoustic, TPA)测量方法用于骨质评估。不同于传统的专注于研究信号的绝对强度的光声方法,该方法通过量化随温度变化的光声信号的斜率来评估组织特性Gruneisen参数(与组织样品的化学和分子属性相关)。它对组织的化学组成很敏感,可以用于评估骨矿物质密度(Bone mineral Density, BMD)。在TPA中,取代了对很难量化的绝对信号强度的测量,TPA关注于光声信号相对强度相对于温度的变化的反应。通过基于差异的测量,可以有效避免设备和样品中一些不相关变量对测量精度的影响,将光声测量精度进一步提高。首次提出了将新兴的光声物理化学谱(Physio-chemical spectrogram, PCS)分析方法应用于骨质诊断。不同于其它的骨质疏松检测技术,该方将骨微结构形态特征和化学成分信息集于一个二维图谱。通过1)对目标组织在宽带波长范围进行光声扫描检测,该宽带波长范围包含有与骨质疏松相关的化学物质吸收峰;2)将光声信号转换到频域；3)将频域信息按波长排列。虽然在这幅图里没有直接提供基于光或者声对比度的成像结果,但这幅图中提供的关于生物组织的物理和化学属性足以用于骨质测量。这个集成的量化光声平台可以同时评估骨量、骨微结构和骨内的化学成分的变化,并且不涉及到活检和电离辐射。由于量化光声分析方法是无辐射、无创,并且在软组织和骨质内都有很好的穿透,不仅关注骨内无机矿物质的变化,更能评估化学成分的改变,因此它在临床应用转化上有其特有的优势。除此之外,首次提出了将聚苯乙烯微环(Micro-ring)-超宽带-声传感器用于光声的量化分析中,并验证了它对微米量级生物结构的大小、形状变化的检测能力。实验验证了micro-ring的引入,极大提高了PASA技术对生物组织微结构的变化的检测灵敏度(如红细胞形状或大小的改变)。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;O426.3
【图文】：
密度和微结构的可能性（Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１２，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１４，逡逑Ｘｕ，邋Ｍｅｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１４，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ，邋Ｙａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５）。在邋Ｘｕｅｄｉｎｇ邋Ｗａｎｇ邋研究组关于逡逑动物和人类大脑和关节（如图１－１）的研究中，可得到来自于骨骼的很强光声信号，包逡逑括头骨和指骨（Ｗａｎｇ，饥ａｍｂｅｒｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，邋Ｘｉｅ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，逡逑Ｃｈａｍｂｅｒ邋ｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００７，邋Ｂｏｕｃｈａｒｄ，邋Ａｎｗａｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００９，邋Ｒａｊ邋ｉ邋ａｎ，邋Ｇｉｒｉｓｈ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑２０１２，邋Ｒａｊｉａｎ，化ａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０口）。但大部分基于光声的骨质检测主要关法于骨内的逡逑化学成分或者物理属性的变化，很少能够量化骨微结构的改变。虽然这些研巧成果逡逑大多只是定性分析，但它证明了在骨质评估中，光声技术相比于传统超声技术的潜逡逑在优势：光所诱发的压力波是直接从不同层产生的，可切关注于感兴趣区域逡逑（ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋１化ｅｒｅｓｔ，邋Ｒ０Ｉ）－－骨松质，而减少来自于骨密质的影响。逡逑：‘暖~柌″义蠠a~|灥逡逑０逦２逦Ｓ逦８逡逑Ａ邋焌逦_灠眩斟迕冢停Γ殄慰阱义先Υ叔义稀！觯蕖觥觯础保丁桑桑桑А觯停椋颍椋椋丁驽义贤迹保保厥械墓馍上窠峁义希跺义
本文编号：2789369
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;O426.3
【图文】：
密度和微结构的可能性（Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１２，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１４，逡逑Ｘｕ，邋Ｍｅｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１４，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ，邋Ｙａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５）。在邋Ｘｕｅｄｉｎｇ邋Ｗａｎｇ邋研究组关于逡逑动物和人类大脑和关节（如图１－１）的研究中，可得到来自于骨骼的很强光声信号，包逡逑括头骨和指骨（Ｗａｎｇ，饥ａｍｂｅｒｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，邋Ｘｉｅ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，逡逑Ｃｈａｍｂｅｒ邋ｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００７，邋Ｂｏｕｃｈａｒｄ，邋Ａｎｗａｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００９，邋Ｒａｊ邋ｉ邋ａｎ，邋Ｇｉｒｉｓｈ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑２０１２，邋Ｒａｊｉａｎ，化ａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０口）。但大部分基于光声的骨质检测主要关法于骨内的逡逑化学成分或者物理属性的变化，很少能够量化骨微结构的改变。虽然这些研巧成果逡逑大多只是定性分析，但它证明了在骨质评估中，光声技术相比于传统超声技术的潜逡逑在优势：光所诱发的压力波是直接从不同层产生的，可切关注于感兴趣区域逡逑（ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋１化ｅｒｅｓｔ，邋Ｒ０Ｉ）－－骨松质，而减少来自于骨密质的影响。逡逑：‘暖~柌″义蠠a~|灥逡逑０逦２逦Ｓ逦８逡逑Ａ邋焌逦_灠眩斟迕冢停Γ殄慰阱义先Υ叔义稀！觯蕖觥觯础保丁桑桑桑А觯停椋颍椋椋丁驽义贤迹保保厥械墓馍上窠峁义希跺义
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