（光学专业论文）基于扫描光声成像技术的组织光学性质及血糖检测.pdf

福建师范火学谢文明硕士学位论文 l i 摘要 愀姗 。- l l l - - - - - l - l - _ _ l 一- l - 一 a b s t r a c t p h o t o a c o u s t i e t e c h n i q u e ( p a t ) w h i c hc o m b i n e st h e o p t i c a l w i 吐lu l t r a s o i l i c t e c h n i q u eh a sap o t e n t i a lt om a pt h eh i g ho p t i c a l - c o n t r a s ta n du l t r a s o n i cs p a t i a lr e s o l u t i o n i m a g ei nb i o l o g i c a lt i s s u e w ec a ng e tt h ei m a g e sw h i c hh a v eu n i q u ea c i v 衲g e s 、析也 v a r i e t yo fs c a l e s ，d i f f e r e n tm o d ef o rr e q u i r e m e n to fb i o m e d i c i n e 也e r a p yb y p a t p h o t o a c o u s t i cs i g n a le x c i t e d b yt h ep u l s el a s e ri n c l u d em a n yi n f o r m a t i o na b o u tb i o i o g i c a l t i s s u e w ec a no b t a i nt h e b i o l o g i c a lt i s s u e so p t i c a lp a r a m e t e r s b ya n a l y z i n gt h e p h o t o a c o u s t i cs i 孕l a lf r o ma m p l i t u d et os h a p e s oi tc o u l do f f e rs o m et i s s u ei i 曲加a t i o n a n dr e f e r e n c ed o s e sf o rl a s e r s u r g e r yi nc l i n i c a l i nt h et h e s i s ，w ep r e s e n tan e w a p p r o a c hw h i c haf o c u s e du l t r a s o u n dt r a n s d u c e rs c a n sa l o n gt h e a x i a ld i r e c t i o nt o m e a s u r e m e n to ft i s s u e s p a r a m e t e r s a n d ，t h ep r e l i m i n a r ys t u d yo ft h em e t h o df o rt h e g l u c o s ec o n c e n t r a t i o ni si n v e s t i g a t e d t h e m a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i ne x o r d i u m ，t h ed e v e l o p m e n t so fp h o t a c o u s t i ct e c h n i q u ew a s r e v i e w e d ，i n c l u d i n g h i s t o r y , m a i nt a s k sa n ds c o p e a n dt h ef o r e i g na n di n t e m a ls t u d yg r o u p sw e r ei m r o d u c e d i nc h a p t e ro n e ，w eg e tt h es o l u t i o no ft h ep a s i g n a lp r o p a g a t i o nw a v ee q u a t i o nb y f o u r i e rt r a n s f o r m m e a n w h i l e ，w ed i s c u s s e dt h es o l u t i o na n ds i m u l a t e dt h e p m i l l eo f p h o t o a c o u s t i cp r e s s u r ea td i f f e r e n tt i m eb yp r o g r a m a n dt h ec l a s s i c a l s y s t e m sf o r p h o t o a c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o na r ea l s od e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r i n c h a p t e rt w o ，w ed e s c r i b et h ep r e s e n t p h o t o a c o u s t i cs y s t e m sw h i c hw e r e i n t r o d u c e dt om e a s u r i n gt h eo p t i c a lp a r a m e t e r so f b i o l o g i c a lt i s s u e sa n di t sm e c h 撕s m b a s e dt h ed i f f u s et h e o r y s o m en e c e s s a r yd i s c u s s i o nw a s p r e s e n t e d i nc h a p t e rt h r e e ，an o v e ls i d es c a n n i n gp h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u ew a s e m p l o y e dt o m e a s u r i n gt h eo p t i c a lp a r a m e t e r so fb i o l o g i c a lt i s s u e t h er e s u l to b t a i n e db y 1 e t e c h n i q u ew a sc o m p a r e dt ot h er e s u l ts i m u l a t e db ym o n t e c a r l op r o g r a m i ts h o w s s t r i k i n gs i m i l a r i t y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ec a p a b i l i t yo ft h ep at e c h n i q u ef o ru s e i nm e a s u r i n gt h eo p t i c a lp a r a m e t e r so f b i o l o g i c a lt i s s u e i nc h a p t e rf o u r , t h ee f f e c to fg l u c o s ec o n c e n t r a t i o na saf a c t o rr e d u c i n g o p t i c a l i i i 福建师范大学谢文明硕士学位论文 r e d u c e ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tw a si n v e s t i g a t e db yt h es i d es c a n n i n gp h o t o a c o u s t i c t e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t a lp r e l i m i n a r yr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i mt h ec o n c l u s i o nd r e w b yo t h e rg r o u p sf a i r l yg o o d i td e m o n s t r a t e dt h a tt h en o v e lm e t h o di sc a p a b l eo f d e t e c t i o n i n c r e a s i n gg l u c o s ec o n c e n t r a t i o nb yt h eo p t i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：s c a n n i n gp h o t o a c o u s t i ct e c h n i q u e ，t i s s u eo p t i c ，o p t i c a l p a r a m e t e r ， g l u c o s e i v 之 q 中文文摘 中文文摘 光声成像技术作为一种结合光学成像与超声成像技术于一体，并具两者优点于 一身的新成像技术，具有成像高对比、深度深、分辨率高，并能实现非接触、多尺 度、多模式的成像特点。由于该项技术是以光声效应为基础，其检测到的光声信号 携带有大量的组织体光学信息。因此，通过对这光声信号的解读是可以获取现今激 光临床应用上所需的组织体光学参数，为临床激光辐照剂量的确定提供准确的参考 信息。本论文在聚焦换能器的扫描光声成像技术的基础上提出了以侧向扫描方式实 现组织体光学参数的方法，初步论证了该方法的可行性，并探索将这一方法应用于 血糖浓度变化对组织光学参数的影响问题上。为这一目标，本论文主要展开了以下 。几个方面的工作： 在绪论部分概述了光声发展的历史，将光声成像与现今临床应用的各种成像方 式以及光学成像方式进行了简单的对比，突出了光声成像技术的优势所在；其次， 明确了光声成像的研究对象与研究的内容，并介绍了当前大多数研究者们在提高成 像分辨率及快速成像问题上所关注的几个影响因素以及对这些影响因素研究进展情 况，注意到当前各小组对组织光学参数与光声信号之间的本质关系研究甚少。接着 介绍了当前光声技术在应用领域的研究情况以及国内外一些研究小组的研究动态。 最后，提出了本论文的选题依据与意义。 在第一章回顾了光声的形成与传输，并在k 空间理论的基础上以验证性的方式 重新利用三维空间傅里叶变换对光声传输的波动方法进行求解，分析了解的意义， 并利用所得解来编写程序，实现了不同时刻光声信号的传输过程模拟。最后，简单 介绍了当前用于光声信号检测中的几种不同的检测路线。 在第二章中重点介绍了现今将光声成像技术应用于组织光学参数测定的各研究 小组所使用的原理与方法。首先，通过激光医学临床应用对组织光学参数测定的需 求从而提出的无接触、无损伤检测光学参数问题，以及光声成像技术的优势；而后， 通过应用本课题组所提的组织光学模型的解对光声信号携带组织光学信息的方式进 行了分析。最后、在对组织光学模型解结合第一章的光声原理对各种现有检测方式 的分析并做了一些必要的讨论。 v 福建师范大学谢文明硕士学位论文 在第三章论文主要是在前两部分的工作基础上进一步提出一种基于聚焦超声换 能器侧向扫描的方式实现生物组织光学参数测量的方法。在本章中首先，介绍了光 声成像技术的优势所在，并提出了基于聚焦式超声换能器的侧向扫描光声技术，其 次从组织光学的漫射理论解的情况下进一步论证了该方法的可行性以及一些前人的 一些研究成果。在实验部分制作了强散射弱吸收的组织光学模型，并调校了该系统， 成功实现了组织光学各参数的测定。最后，为了验证所测结果与准确性还通过将所 得参数建立m o n t e c a r l o 模型进行光分布模拟，并将模拟结果与所测光分布进行比 较，两者结果相当吻合。说明了该方法在组织光学参数测定上是可行的。 在第四章中首先介绍了当前血糖检测在糖尿病检测与疾病控制的重要性，以及 当前应用于血糖检测的一些常用方法与光声成像技术在这一方面上的应用。并提出 运用基于聚焦式换能器侧向扫描的组织光学参数测定方法实现血糖与光学参数之间 关系的研究工作，在实验部分制作了血糖变化的组织模型，并实现了样品中光分布 的检测，而且通过计算还获取了血糖浓度增加而有效衰减系数减小的结果。这一结 果与此前的一些小组的研究结论相吻合，论证了该方法在参数测定方面是行之有效 的。也进一步扩展了侧向扫描测定组织光学参数方法的应用 第五章回顾并总结了本论文的主要工作，阐述了当前这项工作的不足以及在哪 些方面还需进一步改进等问题，同时也对将来的工作进行了展望。 总之，本文首先从组织光学与光声原理入手分析了光声信号中幅值与光分布之 间的关系；其次，进一步对当前光声成像技术应用于光学参数检测的技术路线进行 了总结与讨论；最后，提出了基于聚焦式换能器的侧向扫描光声成像为技术为路线， 初步探寻其在组织光学参数检测上的应用以及其在医学诊断应用方面的前景，如、 血糖检测等等。初步的研究结果表明，该技术在这些领域的应用是具有发展潜力的， 是值得进一步深入探索的技术。 v i ：i 目录 目录 中文摘要 i a b s t r a c t i l l 中文文摘。v 目j i v i i 绪论1 1 引言 2 光声成像概况2 3 光声成像研究的内容与对象。3 4 光声成像技术的应用6 5 国内外的光声成像技术的发展。9 6 本文先题的依据与意义以及主要工作。1 0 第一章光声原理及方法。1 3 1 弓i 言1 3 2 光声信号产生与传输。1 4 3 光声信号检测的技术路线 4 本章小结2 2 第二章光声技术测定组织光学参数方法2 5 1 弓f 言2 5 2 组织光学理论。2 5 3 光声测定组织光学参数的方法。2 7 4 本章小结。3 2 第三章利用扫描光声技术测量组织光学参数。3 3 1 弓i 言3 3 - 2 理论分析。3 4 - 3 实验装置与模拟。3 6 4 实验结果与讨论。- 3 7 5 本章小结。4 0 v i i 众；：-。 福建师范大学谢文明硕士学位论文 第四章扫描光声法检测血糖浓度变化4 1 1 弓l 言4 1 2 实验装置与样品4 2 3 实验结果与讨论4 3 4 本章小结4 5 第五章结论4 7 附录1 4 9 参考文献5 3 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果6 3 至贮谢。6 5 个人简历6 7 v i i i 耖， 绪论 1 引言 绪论 医学影像技术一直来是人们对疾病诊断与监测的重要手段，它是指为了医疗或 医学研究，以非侵入的方式获取人体或人体某部份内部组织影像的技术，是一种通 过检测到的影像信号反演活体组织特性的逆问题的推论演算【l 】。1 8 9 5 年德国物理 学家伦琴首先发现了x 射线，并成功获得第一张人体手骨影像，开启了的医学影像 技术崭新一页。进入2 0 世纪，随着计算机、电子信息技术、激光器的飞速发展以及 核磁的发现，这些技术推动着医学影像技术向着高精度、超深度、高灵敏度、快速 。，成像的高层次方向发展。现今成像技术已经商业化并用于临床医学上的影像方式， 主要可分为光学成像方式与非光学成像方式。其中非光学成像方式中有三大主流成 像技术：超声影像、p e t c t 、核磁共振成像，其成像分辨率主要在亚毫米以上量级； 光学成像方式有：o c t 、共聚焦显微成像等，它们的成像分辨高( 微米到纳米量级) ， 且还独具高对比的功能像，这是非光学方式所无法实现的。 虽然这些成像方式都已商业化运作并用于临床，但不可否认它们依旧存在着本 身难以逾越的问题：如光学成像方式中o c t ，共聚焦等成像技术虽然能够在分子与 细胞水平上成像，且具有很高的分辨率，但却因它们主要是接收组织体中传输的弹 道光与准弹道光进行成像，所以必然受生物组织对光高散射的性质所限制，致使其 成像的深度只能在l m m 左右；而非光学成像如b 超则是利用组织体的不同声阻抗 产生的反射波进行成像，具有较高的分辨率，但对比度不高；c t 则是利用组织的 机械属性不同，如：密度等进行成像，虽然成像深度深，一旦遇到物体的机械属性 与周围组织体相近，如：癌细胞等，则无法形成高对比度的像，同时它又具有强电 离性，对人体有着潜在的危险；m r i 是利用磁共振原理，也具有高对比度与成像深 度深，但因其是在强磁场作用下，故而对于一部分在体内安装有金属支架的患者如 有心脏起搏器，血导管等患者则不能使用，而且价格昂贵难以方便使用。总而言之， 光学方法成像虽然具有成像分辨高，具高对比特性，能成功能像，但成像深度很难 突破软组织的光穿透限制( - l m m ) ；而非光学方法成像虽然在成像深度方面有优势， ：彗 铁，一 福建师范大学谢文明硕士学位论文 但分辨率不够，同时由于它们是依据组织体的物理属性成像，导致它们只能成形体 像而无法成功能像，而且还有部分成像方式对人体存在潜在的危险。因此，在成像 问题上对毫米到微米之间的分辨率成像存在着一个空白，寻求一种既拥有成像深度 深，又能成功能像，而且还具高分辨本领，同时还能在其它成像分辨率空白的空间 ( 毫米到微米之间) 按不同要求、不同精度并能以实时非侵入方式成像的新成像方 式成为人们追求的目标。 在近二十年来，光声成像技术的不断发展与研究表明【2 - 5 1 ：该项技术结合了光 学与声学两方面的特性，成像深度深、分辨率高。它继承了光学检测的无损性、高 对比性。与超声影像，c t 等成像技术对比，它成像分辨高、且能很好的对研究对象 成功能像，也继承了超声的低衰减、高穿透等特性，使得在成像深度方面比现有的 o c t 以及共聚焦显微等纯光学成像方式来得深，能达到c m 嘲。此外，它还能通过对 不同入射波长、不同带宽探测器的选择实现不同精度、不同深度、不同对象的实时 成像【_ 7 1 。它能够很好的解决上文所提各种成像的限制，实现人们对成像深度与分辨 率的要求。因此，光声成像研究在近几年发展极为迅速，并成为一个十分热门的研 究领域。 2 光声成像概况 光声效应( p h o t o a c o u s t i ce f f e c t ) 一词最早出现于1 8 8 0 年b e l l 8 】向美国科学进 展协会报告中。该报告描述了光与固体相互作用产生的光声转换现象，从而将这种 现象称之为光声效应。次年b e l l 和他的小组们又发现了在液体与气体中也同样具有 的光声转换现象，从而拉开了光与声之间相互转换的研究序幕。然而在很长一段时 间内，由于受当时科技的发展与人们的认知水平限制，人们还很难解释这种光声转 换的现象，因此这一技术在长达一个多世纪的时间内没有取得重大的突破，而且几 乎销声匿迹。直到二十世纪4 0 年代，前苏联学者v e i n g e r o v 嘲利用了该项技术成功 的对混合气体中不同气体的成份进行分析。从此该技术又重新进入人们的视野，也 由此逐步开始被人们所广泛的关注与研究。但是一个新领域发展必然面临着这样或 是那样的困难，光声技术的发展也是如此。它的发展受到众多因素的制约，尤其受 d o ， 鼋 。i 噜 绪论 到光源、计算机、光电子技术等发展的因素所制约，是故在这一阶段光声技术还是 没能引起人们的更加广泛关注。 当1 9 6 0 年梅曼的第一台红宝石激光器问世后，由于激光强度的增强使得光声效 应能够被进一步增强，同时更灵敏的超声探测技术的发展，使得光声技术的发展得 以突飞猛进。1 9 6 8 年k e r r 和a t w o o d n 们首次利用了单色性好且强度高的激光器进行 弱吸收气体的光谱测量，揭开了光声光谱研究的新篇章。到7 0 与8 0 年代后一维因 体光声理论被提出并获得进一步完善，而且在此其间还有其它多种机制，如与吸收 有关的电致伸缩、热膨胀、气蚀等机制；与吸收无关的辐射压、布里渊散射等等机 制被提出。在应用领域方面也不断的不扩大，也从原来气体光声光谱等延伸到在生 物组织体的光声效应研究，但这一期间对组织体展开的研究更多关注的还是在光声 光谱方面的研究。当时间步入9 0 年代后，随着计算机发展的日新月异，光声效应在 ”生物医学上的应用也有了重大的突破，9 4 年k r u g e r 成功的利用脉冲激光激发的光 声信号并采用r a n d o n 变换反演出第一张组织体的光学吸收分布图，从而欣起了光声 成像研究的热潮。此后十几年来光声成像技术不断的被研究者们所完善与发展，现 如今其分辨本领已经能够达到光学分辨的分子成像水平( 几个| lm ) n 1 屹1 ，其应用 领域深入到医学诊断与治疗的方方面面。 光声成像研究的内容与对象 光声成像( p h o t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y ，p a t ) 指的是利用一束短脉冲激光辐照生 物组织体，光经组织体传输，在对某一特定光波长有吸收的吸收体中形成光能沉积， 导致吸收体发生热弹性膨胀，形成外传超声信号，并利用仪器接收此超声信号，通 过一系列的数据处理后反演得到光能吸收分布图。这一过程可细分为光源辐照，光 声转换，光声信号的传输，信号探测，反演成像等几个重要方面。现今人们对光声 问题的研究也主要集中于这几方面： 3 1 光源 早期光声信号激发源主要是采用对自然光进行斩光的方式实现光声的转化，由 福建师范大学谢文明硕士学位论文 于强度太弱导致形成的光声信号相对较弱，难以用于成像。此后，激光器的发明及 其技术的进一步发展与调q 技术的出现使得人们能够拥有高强度光源，实现了对微 小尺寸物体的激发形成外传光声信号。目前，各小组在光声成像中绝大多数都是采 用具有纳秒级脉冲周期的激光作为激发光源。同时需要注意的是激光作用于人体组 织时会受到组织体的强散射制约，使其有效穿透深度限制在5 0 - 7 0 m m 之间。因此， 光声成像很难获得超出这一区域的图像。为克服这种制约，现今有许多研究小组利 用对人体的高穿透特性的微波与射频作为激发光源进行成像，这类成像方式又被称 为热声成像( t h e r m o a c o u s t i ct o m o g r a p h y ，t a t ) 。它虽不受组织体散射影响却因波 长长、衍射太强也导致成像深度受限。因此寻找与选择一种对人体穿透深度更深且 无损的电磁波或其它激发源也就成为一个新的研究问题。同时要注意的是光声成像 的光源选择问题必须要满足热限制与压力限制两个条件，以及脉冲激光输出波形的 差异。在2 0 0 9 年a d is h e i n f e l d n 3 1 研究表明，不同脉冲波形的激光输出会对光声 信号产生影响，优化脉冲波形能够实现增强光声信号的信噪比，且通过优化激光器 输出的脉冲波形则可以在很小能量下获得光声信号，也就是说在相同能量下能获得 更强的光声信号。2 0 0 9 年j a m e sr m c l a u g h l a n 【1 4 j 采用聚焦超声与脉冲光作为激 发源，激发吸收体产生光声信号，使得能在小能量下获得高强度的光声信号，进一 步提高成像的深度。因此，当前人们在寻求成像更深的光源时所采用的方法较多的 是复合法，即把几种不同的致声源结合到一起来实现深度成像。 3 2 光声转换 光声转换效率在成像过程时分关键。但它除了受到成像对象自身的吸收系数， 比热容等因素的影响，还受到激光在组织体中光能流率分布的影响。而组织体中光 能流率分布却又受到组织体的吸收系数、散射系数、各向异性因子等等因素影响。 因此研究几者之间的关系也就至关重要。目前，人们解决这一问题的途径通常有两 种：其一、通过增强入射光( 但不能超过人体的皮肤阈值条件，或通过获得组织体 的光学参数进行光补偿实现增加；其二就是通过增强吸收的方法，该方法又可分为 两种方式n 5 - 1 8 】：一、增强内源性吸收，由于不同组织体对不同波长光的吸收不同， 因此可以选择对象的特异吸收波长来实现光声信号的增强；二、利用分子探针实现 f ， 乓 ? | 绪论 外源性吸收对比，此方法主要是源于一些对象虽在某些特定波长具强吸收但却因其 线度太小导致吸收能量不足无法形成强信号，因此，通过外源物质来增加吸收，促 进光声信号强度的增强，如，纳米金微粒与碳纳米管等。这种方法也使得光声成像 的分辨量级得以提升，达到分子与细胞量级的小物体分子标记成像，同时还能获得 特定对象的增强图像。 3 3 光声信号的传输 光声信号在组织体内的传输主要是要克服激发产生的光声信号在外传过程形成 的衍射、干涉、衰减、折射等问题，其中衰减问题又常是人们所关注的。这主要是 图像构成中高频成份决定着图像的细节，而低频则决定着整体结构。同时，由组织 。体内声信号衰减表达式= a j 中可以看出，频率f 越高的信号在传输过程衰减越 快，并且是按指数形式快速递增。因此，要获取高分辨的光声图像，就必须要尽可 能多的获取高频信号成份，但是要获得高分辨率信号时又只能靠牺牲成像深度来取 得，两者很难兼得。目前人们主要是采用算法来补偿高频的衰减以加深成像的深度 n 9 】 3 4 光声信号的探测 光信号的探测主要跟据接收信号的方式分为光学与非光学检测。非光学方法中 使用的换能器材料绝大多楼是由压电陶瓷p z t 和高分子压电材料聚偏氟乙烯p v d f 制成，但由于系统本身热噪声的引入以及受探测器自射孔径的限制使得采集到的光 声信号信噪比不高。目前，有些小组对这一问题的解决办法是采用虚拟点探测的方 法来提高信噪比或是通过减噪算法实现减少采集到的光声信号。而光学的方法虽不 受孔径与热噪声的影响由于光学方法灵敏因此它容易受外界环境的影响，对环境的 要求较高。 3 5 光声信号的反演 对于光声信号的反演获取图像的过程会因探测方式的不同而方法各异。现有成 福建师范大学谢文明硕士学位论文 像方式可分为扫描成像与计算机成像两种方式。扫描成像主要是能过聚焦式换能器 接收光声信号并通过扫描的方法直接成像，而无需能过复杂的算法进行演算，从而 大大节约了成像时间。而计算机成像主要是利用非聚焦式探头与光学检测方法获得 光声信号后利用各种成像算法进行反演成像，所以核心技术主要是在成像算法上， 常用的如：滤波反投影算法，迭代法，延迟求和算法、与频域成像算法进行计算机 反演成像。 以上这几个过程是光声技术的重要组成部分，从中我们可以看到，最本质、最 原始的光声成像问题来自于光声转换问题，就是光声信号与组织体内光吸收分布之 间的问题，换句话说，也就是光声信号与组织体各光学参数之间的关系，它是一切 光声技术的基础。目前，人们对光声成像方面的研究更多关注的是光源的优化选择、 吸收的增加、噪声的消除、算法的反演以及探测方式上的研究，以期能够达到提高 信噪、比获得更高的成像分辨率、更深的成像深度以及更快的成像速度，最终获得 精美图片等问题上。却对组织体内光分布对光声信号的影响本质研究不足，且往往 忽视了光声信号自身所携带的组织体的光学信息这一重要特点，仅片面地追求成像 分辨率与速度，最终照图说理。而对于光声量化检测问题上没有做出太多的关注。 因此，笔者认为只有从最基础的光声信号上挖掘所携带的组织体光学信息，从量化 的角度去辨析各种病因，才能令光声成像技术焕发出更强的生命力，才能从更本质 的基础上对问题做出更完美的解释；才能为目前在生物医学上极待解决的无损、准 确快速检测组织光学参数提供新的思路与方法。 光声成像技术的应用 光声成像技术是利用生物组织对不同波长光的吸收来进行成像，能够反映出不 同的光在组织体内的分布特异性。同时，相对于组织体而言，它对光的吸收又会因 组织体的结构功能以及组织体的存活周期、病变等原因发生变化，因此，组织体内 光吸收的分布与组织体的病理特征是紧密相关的。人们可以通过光声成像技术来反 映组织体不同阶段的光吸收分布展现组织体的所处状态，从中解读出研究对像的生 理与病理信息，为医学临床早期诊断提供重要的诊断依据。 目前，随着光声技术的探测方式以及成像方式的不断推陈出新以及人们对光声 1矿llll|ii- 呜 、 绪论 信号与组织体的各参数的进一步研究。其研究应用领域已经从早期的乳腺癌监测与 成像延伸到脑功能成像( 血氧含量、脑损伤) 、分子成像与基因表达；从食道胃的检 测到直肠成像；从p d t 治疗效果评测到组织光学参数的测定等方方面。 4 1 肿瘤的早期监测 肿瘤是严重危害人类健康的高死亡率疾病，快速生长的恶性肿瘤通常需要更多 的血液供应，伴随更多的微血管增生，血管的增生导致血色素增加使得病变组织对 激光的吸收显著增强。因此，基于光吸收的光声成像可以为肿瘤检测提供高对比度 的光吸收分布差异，得到具有医学临床诊断价值的肿瘤影像，这也是光声成像技术 最早关注的领域之一。近年来有徐晓辉啪1提出了基于长焦区聚焦换能器的光声成 像系统实现对乳腺癌的早期检测；2 0 0 8 年m a n o ji tp r a m a n i k 乜玎提出了结合光声 与热声技术获得两种对比的图像用于乳腺癌的早期监测；2 0 0 9 年s e r g e ya e r m i l o v 2 3搭建了以6 4 元弧形阵列宽带宽探测器的光声超声成像系统实现对 0 5 m m 乳腺癌的检测；除此外，目前人们还将光声技术应用到癌扩散问题的研究上。 2 0 0 9 年d e v i nm c c o r m a c k 乜3 使用光声成像来监测前哨淋巴结，并检测到注入5 0 0 个黑色瘤胞与健康状态有明显的区别 4 2 血氧监测与脑功能成像 由于脑组织的光学吸收与血氧消耗以及脑生理状态等密切相关。光声成像可 以通过监视脑血氧的动力学变化，从而得到脑神经系统的动态信息和功能特征的各 项信息 2 4 。o 】。2 0 0 9 年y yp e t r o v 3 1 】首次利用光声技术非接触、连续、准确的监 测脑静脉血氧变化情况；2 0 0 9 年e r i c hw s t e i n 3 2 1 采用了光声显微的方法实现对鼠 脑皮层血管低含氧与高含氧的监测，说明它可以用于监测脑活动情况。 4 3 分子标记成像 这是将光声成像技术与分子标记成像技术相结合的光声分子标记成像技术。它 是通过把光声造影剂表面与标靶分子的特异性或配体相合，从而增强标靶分子的特 福建师范大学谢文明硕士学位论文 异性光声信号，并对之成像的过程。主要利用的是外源性吸收体的吸收增强( 如， 纳米金、碳纳米管等) 从而实现有针对性、高灵敏度、高选择性的光声分子量级成 像。这一研究最初始于在2 0 0 8 年n a t u r e 上d el az e r d a l 3 3 】利用单壁碳纳米管对癌早 期的监测分子成像。此后，这方面的研究工作不断的被拓展与应用【1 6 ，3 4 。9 】。其中， 2 0 1 0 年l e n g c h u nc h e n t 4 0 1 讨论过金纳米棒形状、镀膜与否对生物的兼容性、滞留时 间的长短、以及对比性的提高 4 4 组织参数测定与各种相关治疗参数监测 因光声信号强弱很大程度依赖于吸收体对光能的吸收以及光能的分布情况。当 吸收体的吸收系数或是光能分布发生变化时光声信号也将随之改变。基于研究者们 也就希望能从测得的光声压中推导出组织的各项光学参数与光分布以期能解决当前 医疗问题中的剂量问题。这方面工作早在1 9 9 6 年时a a o r a e v s k y t 4 1 ，4 2 就进行了这方 面的工作，此后又有多个工作者分别用不同的方式实现了一些相关的参数测量 4 3 4 4 1 ，从而进一步证实了光声信号确实与组织的各种光学参数以及光吸收是息息相关 的。正由于有这一些特点使得利用光声技术能够用于在治疗过程的各种状态的实时 监预1 j t 4 5 - 5 2 。 4 5 眼科学上的应用 眼睛是心灵的窗户，它是人体极为重要的组成部分。近年来，光声在眼科中的 应用也越来越引起人们的关注。2 0 0 7 年卢涛等【5 3 j 利用旋转扫描背投算法对离体的 猪眼进行成像的可行性进行了论证；2 0 1 0 年s o n gh u 掣5 4 】将光声显微技术应用于 眼科的血管造影，能对鼠眼虹膜下的毛细管中血细胞进行高分辨成像以及监测了其 血氧含量；2 0 1 0 年s h u l i a nj i a o 等【5 5 】人开发了一套光声眼成像系统实现了对视网膜 上的微血管以及视网膜色素上皮进行快速成像：2 0 1 0 年a d a md el az e r d a 5 6 】建立了 光声成像系统并实现对离体的猪眼睛和兔眼的视网膜( r e t i n a ) 、脉络膜( e h o r o i d s ) 、视 神经( o p t i cn e r v e ) 的成像。 除了以上几个方面的应用以外，光声现在应用范围的研究已经拓展到非常大的 绪论 一个空间如光声内窥、光声光谱、光声多谱勒测血流等等，限于篇幅不再做一一介 绍。 5 国内外的光声成像技术的发展 由于当今光声成像的发展迅速，研究小组众多。在这里只简要介绍一些国外小 组与国内小组的研究情况。国外，近一两年以来从事光声成像技术开发的小组成爆 发状态，从早先的美国、英国、俄罗斯等少数国家发展到现今的世界各国。其中美 国t e x a sa & m 大学的l i h o n gvw a n g 研究小组，最为突出，它开发了多套光声成像 系统，其中值得一提的是在2 0 0 5 年提出的光声显微系统，使得成像分辨率提升到几 个微米量级，以及2 0 0 9 年的光声内窥成像系统，其研究领域主要集中于脑功能成像、 血氧饱和度检测、癌的早期诊断与监测。此外还有英国伦敦大学的e c b e a r d 建立 的基于f a b r yp e r o t 干涉仪的光学检测光声信号的成像系统，近年在成像方面提出了 快速的k 空间光声模拟与反演算法、三维脑血管成像、多波长下色团分布的评估 等方面取得了突出的成绩【1 8 ，5 7 。6 1 1 。美国的o r a e v s y 早期利用时域分辨的光声技术实 现对组织体的光学参数检测技术，现今研发了手持阵列式超声头对乳腺组织进行了 光声成像，以及在分子量级的外源性标记成像，值的一提的是在2 0 0 9 年实现了针对 小动物的全体三维断层成像系统的开发【6 2 彤】。此外，还有其它许多成绩突出的研究 小组如h o e l e n 、p a l t a u f , k a r a b u t o v 等等许多研究小组，限于篇幅这里就不一一介绍 了。总之，现今国际上在光声成像上的发展主要致力于高分辨率、快速检测等新系 统的开发，以及将其应用领域逐步拓展到生物医学的方方面面，如：癌的早期诊断 监测、眼成像、子宫癌诊断、肾动力监测、血糖检测等等。 在国内，从事光声成像这一方向研究的主要有华南师范大学的邢达与唐志列研 究小组、福建师范大学的李晖研究小组、天津大学的王瑞康研究小组、南京大学的 刘晓峻研究小组、厦门大学的黄元庆研究小组。其中华南师范大学的邢达小组起步 较早，取得的成绩也非常突出，在系统的搭建方面主要有电控多元线阵扫描 6 6 , 6 7 】、 多元线阵的光声内窥【6 羽、光声与超声混合的多功能成【6 9 】像等多套光声成像系统； 同时在算法也对各小组常用的迭代算法与反投影算法进行了改进 7 0 - 7 2 ，在应用领域 涉及面也相对较广主要有脑功能成像、光动力疗效检测、血管内窥等等方面【4 6 ，7 3 ，7 4 1 。 福建师范大学谢文明硕士学位论文 福建师范大学的李晖研究小组虽起步较晚，却独辟蹊径建立了基于聚焦式探头的扫 描光声成像系统以及侧向扫描检测组织光学参数系统【2 0 7 5 1 ，目前主要从事于新成像 系统的开发以及乳腺癌的早期监测与成像、鲜红斑志的皮肤评估、血栓检测、组织 光学参数测定等等方面的研究工作 2 0 , 7 5 , 7 6 】。天津大学的王瑞康研究小组建立了针状 单探头旋转光声成像系统，并研究了光声信号中各频率成份对成像分辨的影响以及 通过小波变换与维纳滤波的方法提高成像对比度【7 7 1 ，并在国内率先实现了应用光声 技术对猪眼睛的成像1 5 引。南京大学的王晓峻研究小组提出了有限角度扫描的循环迭 代算法并进行了理论模拟【7 8 】。厦门大学的黄庆元小组则提出利用数字散斑技术来检 测光声信号的方法，并进行了理论论证【7 9 1 。 6 本文先题的依据与意义以及主要工作 也正如前文所述，光声成像技术的研究内容主要是研究外传光声信号与组织体 内光分布之间的关系从而达到反演组织体内光分布的目的，最终能过获取到的光分 布实现判断组织体或运动或新陈代谢或疾病等等原因引起的各种光学参数变化规律 实现疾病的早期监测与诊断信息。而当前，人们在进行光声成像研究上人们更多关 注的是光学成像分辨率与成像速度，而对成像技术中最本质的内含：实现人体所处 状态对光学参数改变规律，缺乏足够的重视；同时，对声信号最本源的问题：它如 何形成? 受何制约? 其形为何因吸收体元的几何形状有关? 与自身的光学参数以及 周围介质的光学参数之间有何关联? 等等缺乏更为深入的研究。这些基础的突破会 进一步丰富光与组织的相互作用的内含，其成果将影响着医学监测与诊断的方方面 面的进展。 此外，由于笔者所处的课题组早在1 9 8 9 年就已经开始展开了组织光学方面的研 究工作，有着长年积累的实力以及坚实的理论基础。并且在长期的研究与应用当中 发现要实现在活体组织上无损、快速、准确的进行光学参数的测定存在着相当大的 困难，但我们却始终孜孜不倦地寻求着各种解决的方法，并试图从理论与技术两个 方面寻求突破实现组织光学参数的检测。在早年就通过积分球技术、o c t 技术、光 纤球探头以及通过反射率测定实现组织体折射率的监测等等。同时，本小组已经于 ， 矿 绪论 0 6 年搭建了第一套聚焦式光声成像系统，并检测了该系统的各项性能，还论证了对 深层乳腺癌早期检测的可行性，并对周围组织光学参数变化引起柱状吸收体光声信 号展开了一系列的研究得到了外围光学参数的变化会引起吸收体光声信号频率产生 影响的结果。 当前随着激光技术在临床医学应用中的广泛开展，如何依据患者的个体差异， 实时检测、调整、量化、优化激光治疗的剂量问题却时刻困扰着人们。它也成为光 动力疗法、光子嫩肤、光消融等等治疗进一步发展的瓶颈 s o - s 2 。而且在众多疾病当 中，糖尿病又是一种多病因引起的人体代谢紊乱。它最大的特点是隐匿、无症状不 易被发现，并且在确症之前许多并发症就已经开始，并已经成为继肿瘤、心脑血管 疾病之后，威胁人类健康的第三大杀手。现如今，如何才能实现快速、方便、易行、 准确的血糖浓度检测实现早期诊断? 这一问题在糖尿病的控制与治疗上起到至关重 “”要的作用，是人们在