多光谱高分辨光声显微成像方法与实验研究

发布时间：2020-07-09 14:20

【摘要】：光声成像作为一种兼具光学高对比度和超声大探测深度的新兴成像方法,获得了空前的快速发展。依靠生物组织丰富的内源性对比剂,如红细胞内血红蛋白、黑色素瘤细胞中黑色素、细胞核内DNA/RNA、髓鞘脂质等,可以实现高对比度的结构信息成像,在神经学、眼科、血管生物学和皮肤学等领域显示出潜在应用价值;同时,借助外源性对比剂,即分子探针,如有机染料、纳米粒子和荧光蛋白等,能够可视化特定的细胞功能和分子过程,进行高灵敏度分子成像,弥补组织内源性对比剂在疾病诊断或生物过程示踪中特异性不足的问题,例如癌症监测;多光谱光声成像则可以利用不同物质成分在不同波长激光下的吸收差异,特异性识别组织成分,进而获取生物组织除结构信息外的功能信息,如血氧饱和度。传统的光声显微成像技术较少实现上述结构、分子和功能成像的融合。鉴于此,开展多光谱高分辨光声显微成像技术研究,将有利于实现组织结构信息、多参量光声分子和功能信息的全面获取,拓展光声显微成像的应用范围。从上述背景出发,本文利用光学参量振荡激光器和半导体激光器双激发光源的方案,设计和搭建了多光谱高分辨光声显微成像系统,内容包括光学激发、超声探测、数据采集和运动扫描部分主要元器件的选型和搭建,并且对成像系统探头的关键部分进行结构设计,优化了光声共轴共焦调节性能,提高系统的超声探测效率和成像灵敏度;同时,基于LabVIEW的虚拟仪器技术实现运动控制、数据采集、存储和图像显示的多功能并行;最后,通过仿体和活体实验验证了系统可靠的成像性能。基于搭建的多光谱高分辨光声显微成像系统,分别开展了光声结构、分子与功能成像相关的实验研究。第一,利用血红蛋白作为内源性对比剂,对肿瘤血管生成及抗血管治疗过程中的血管正常化过程进行了连续无标记监测,结合三维Hessian矩阵血管形态提取算法,对肿瘤血管结构信息完成了高分辨光声定量成像;第二,利用高光声灵敏度近红外二区(NIR II)共轭聚合物纳米分子探针作为外源性对比剂,实现了大穿透深度在体肿瘤和脑血管光声分子成像,同时,利用双波长激光完成了在体血氧饱和度测量的光声功能成像研究。多光谱高分辨光声显微成像技术在生物结构、分子和功能成像研究中体现出重要价值,为生命科学基础研究中肿瘤等疾病机制的揭示提供了新的途径。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R310;TP391.41
【图文】：

示意图,光声,成像原理,示意图

利用光声光谱技术还可以高特异性地获取组织血氧饱和度、氧代谢率等功能信息，进行光声功能成像。图1-1 光声成像原理示意图Fig.1-1 Principle diagram of photoacoustic imaging

光声,成像,代表性

第一章绪论3光声成像代表性结果，如图1-2所示。其中，1-2（a）为从黑素体、红细胞、神经到人体乳腺的多尺度光声成像；1-2（b）为光声分子成像，分别为金纳米探针标记的小鼠黑色素瘤及小分子染料标记的小鼠脑胶质瘤成像结果；图1-2（c）为高分辨经颅光声脑功能成像[6,8]。图1-2 光声成像代表性结果[6,8]Fig.1-2 Representative results of photoacoustic imaging[6,8]目前，国内外针对光声成像技术开展的研究可以分为以下三个方向：光声显微成像（Photoacoustic Microscopy，PAM）、光声计算层析成像（Photoacoustic ComputedTomography，PACT）、光声内窥成像（Photoacoustic Endoscopy，PAE），每个研究方向又衍生出不同的研究分支

光声,成像系统,典型结构,形式

广州大学硕士学位论文4图1-3 光声成像系统典型结构形式[9]Fig.1-3 Representative implementations of photoacoustic imaging system[9]光声显微成像（PAM）是一种聚焦型扫描成像技术，使用聚焦的激光作为光声信号激励光源，聚焦的单阵元超声换能器可实现不同深度光声信号的探测，结合探头沿组织表面的二维扫描，可重建出组织的三维信息。根据激发光和超声探测聚焦方式的不同，可以将光声显微成像（PAM）分为光学分辨率光声显微成像（Optical-Resolution PAM，OR-PAM）和声学分辨率光声显微成像（Acoustic-Resolution PAM，AR-PAM）[11]，二者聚焦方式对比如图1-4所示。其中，OR-PAM的光学聚焦比声学聚焦更加紧密

【参考文献】