（物理电子学专业论文）光声层析成像及组织光学参数对其影响.pdf

中文摘要 在生物医学领域中 激光的应用开辟了生命科学研究的新途径 而且 为临 床诊断提供的新的研究手段 尤其是在医学成像领域中 激光更是起着举足轻重 的作用 是医学成像中不可或缺的部分 在医学成像中 光学相干层析成像和光 声层析成像是以激光为光源的两种重要的成像方法 研究生物组织中的光学参数 如何影响激光在组织中传输也就成了提高这两种成像质量的必不可少的手段 本 文以提高光声层析成像的质量为目的 对此进行了研究 并在文牵的最后 做了 部分的光声层析成像工作 在第4 l 章中首先回颥了光声技术的发展历史 详细介绍了从发现光声技术以 来 其发展的进程 总结了光声技术的特点 并重点介绍了出光声层析成像技术 以外的应用 其中 血氧的测量以及实时的检测是光声技术应用中重要的组成部 分 在第2 章 通过对现阶段光声成像技术的总结 将现阶段的光声成像技术按 照超声信号的拾取类型分为3 种类型 前向探铡 后向探测 和侧向探测 并曩 详细评述的三种类型的光声成像的优缺点 并对现阶段的成像技术所存在的问题 进行了总结 在第3 章中 主要是蒙特卡罗技术的介绍 为了与实验的结果进行对比 更 好的分析实验结果 我们对实验进行的过程进行了蒙特卡罗模拟 该章中 首先 评述了国内外蒙特卡罗方法在维织光学中的研究橛况 然后重点分析了蒙特卡罗 方法研究光学方法的思路并且说明了采用这一方法研究生物组织中光传输的必 要性 以及随着计算机技术的发展 采用这一方法的简便性和可行性 在第4 章中 系统的分析了生物组织中吸收系数 散射系数对光传输的影响 并以此为基础 详细的分析了这2 个参数是如何影响光声层析成像中图像的对比 度 分辨虑 以及成像深度 最后一章中 对光声层析成像做了初步的研究 基本可以再现出组织模型的 形状 关键词 光声成像 蒙特卡罗 吸收系数 散射系数 成像影响 a b s t r a c t n o v e la n dp r o m i s i n gd e v e l o p m e n t si nc l i n i c a lt h e r a p i e sa n dd i a g n o s i sh a v eb e e n s e e ni nt h eb i o m e d i c i n ed u et ot h ei n v e n t i o no fl a s e r e s p e c i a l l yi nt h ed o m a i no f b i o m e d i c a li m a g i n gw h e r et h el a s e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e o p t i c a lc o h e r e n c e t o m o g r a p h ya n do p t o a c o u s t i ct o m o g r a p h ya r et w oo ft h em o s ti m p o r t a n ti m a g i n g m o d a l i t i e sr e c e n t l yd e v e l o p e di nm e d i c a l i m a g i n g s o i no r d e rt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft o m o g r a p h y t h eu n d e r s t a n d i n go ft h ei n f l u e n c eo fl a s e rt r a n s m i t t i n g t h r o u g ht h eb i o l o g i ct i s s u eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft o m o g r a p h i ci m a g i n gb e c o m e st h e m a i ni n s m m a e n t t h ea i mo ft h i st h e s i si st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e o p t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y if i r s ts t u d i e dh o wl a s e rl i g h tp r o p a g a t i n gi nb i o t i s s u e a n dt h e n ip r o v i d e ds o m ed e t a i l e dd e t a i l e dr e s e a r c ho no p t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y b o t he x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y i nc h a p t e ro n e t h eh i s t o r yo f o p t o a c o u s t i ct e c h n i q u ei sr e v i e w e d t h em e r i to f o p t o a c o u s t i ct e c h n i q u ei sd i s c u s s e d t h e nt h ea p p l i c a t i o n so f o p t o a c o u s t i ct e c h n i q u e h a v eb e e ni n t r o d u c e d a m o n gt h ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p e ds of a r t h en o n i n v a s i v e m o n i t o r i n go f b l o o do x y g e n a t i o nh a sp l a c e di t s e l f a ni m p o r t a n tp o s i t i o n b a s eo nt h ed e t e c t i o nm o d eo fu l t r a s o n i c w a v e c h a p t e rt w od i s c u s s e dt h e c u r r e n tm o d e l si no p t o a c o u s t i ct o m o g r a p h yt h a tc 髓b ec l a s s i f i e di n t ot h r e em a i n c a t e g o r i e s i e f o r w a r dm o d e l b a c k w a r dm o d e la n ds i d e w a r dm o d e l a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sf o re a c hm o d e la r ed e t a i l e d a tl a s t t h ep r o b l e m si nt h e c u r r e n tt o m o g r a p h yt e c h n i q u ea r cs u m m a r i z e d c h a p t e rt h r e ei sc o n c e r n e dw i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o n i no r d e rt oo b t a i nt h e b e t t e ra n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni sd o n e t h eh i s t o r y o fm o n t ec a r l os i m u l a t i o ni sr e v i e w e d t h en e c e s s a r ya p p l i c a t i o no fm o n t ec a r l o s i m u l a t i o ni nt i s s u eo p t i c si ss h o w n a n dt h et h e o r yo fm o n t ec a r l o s i m u l a t i o ni s i n t r o d u c e d a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u e t h em o n t ec a r l o s i m u l a t i o ns h o w si t sg r e a tp o t e n t i a l i nc h a p t e rf o u r w es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fa b s o r p t i o na n d s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t so ft i s s u eo nt h eo p t o a c o u s t i ci m a g i n gd e p t ha n dc o n t r a s t i n a d d i t i o n w ea l s oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fs p r e a d i n gp h o t o nd i f f u s i o ni nt h et i s s u e o ni t ss e c t i o n i n gc a p a b i l i t y i nt h ee x p e r i m e n t s t i s s u ep h a n t o m sw e r ec o n s t r u c t e dw i t h ar a n g eo fo p t i c a lp r o p e r t i e s w eu s e dt h ei n t r a l i l i ds o l u t i o nt oc o n t r o lt h es c a r e d n g p r o p e r t i e s a n dt h ei m o c y n a n eg r e e nt oc o n t r o lt h ea b s o r p t i o np r o p e r t yo ft h e p h a n t o m l a s tc h a p t e rg i v e st h er e s u l t so no p t o a c o u s t i et o m o g r a p h yo fap u r p o s eb u i l th i g h s c a t t e r i n gp h a n t o m d e m o n s t r a t i n gt h a tt h es y s t e mc o n s t r u c t e di nt h i sw o r ki sf e a s i b l e i ni m a g i n gt h eb i o l o g i c a lt i s s u e s k e yw o r d s o p t o a c o u s t i ct o m o g r a p h y m o n t ec a r l os i m u l a t i o n a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t s c a t t e r i n gc o e m c i e m i m a g i n gp e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中刁 包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 弛撼 签字日期 瑚f 年 即 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基注盘壁有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 刭蓖友 导师签名 签字日期 2 僻f月 日签字日期 2 h 泣年 月汐e l 天津大学硕士学位论文光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 第一章光声技术简介 1 1 光声技术的发展历史 光声效应最初的含义是指物质吸收调制光能而激发出声波的效应 人们通过 检测声波就可以对物质的光学 热学 力学等各种特性进行检测 但是 近年来 随着光声检测技术的深入发展 光声效应的含义也得到了拓展 激发源已由光波 包括激光 电磁波 x 射线 微波扩展到电子束 离子束 同步加速器辐射 等 探测器也由传声器扩展到压电传感器 热试电攘测器以及光敏传感器等 早在1 8 8 0 年 b e l l 1 首先在固体中观察到光声转换现象 并在给美国科学进 展协会的报告中描述了有关实验结果 称这种光声转换的物理现象为光声效应 光声技术就是在物质的光声效应基础上发展起来的 继发现固体光声效应之后 b e l l 及其同事以及著名的科学家t y n d a l l r 6 n e t g e n 等在1 8 8 1 年各自独立的进行 了气体和液体的光声实验 他们都观察到了同样的结果 虽然光声效应的发现已经有1 0 0 多年的历史了 但是在很长的一段时间内 人们对光声效应的研究基本上处于停滞状态 赢到2 0 世纪4 0 年代 苏联学者 v e i n g e r o v 才开始利用光声效应对混合气体不同气体含量进行成分分析的研究 1 9 4 6 年苏联学者f i o r d i k 提出利用光声技术测量气体振动驰豫速率的方法 以后 各国学者陆续报道了有关气体光声效应的理论研究情况 到了7 0 年代 由于声 电弱检测技术不断发展 加之高灵敏的微音器和压电陶瓷的出现以及强光源氙灯 和各种激光器的相继问世 光声技术才得以迅速发展 1 9 6 8 年 k e r r 和a t w o o d 首次报道了衬用激光光声光谱法测量气体的弱吸收 单色性好 强度高的激光光源得以首次在光声谱溅量中应用 1 9 7 1 年 k r e u z e r 从理论上分析了利用染料激光光源和高灵敏度传声器的光声技术的检测限 还利 用自旋反转拉曼激光光源证明了光声谱技术能灵敏的测定汽车废气中n o 的含 量 1 9 7 3 年 美国b e l l 实验室的r o b i n 等人受到k r e u z e r 工作的启示 将商功率 氙灯作为光源 并与单色仪连用 测定了从紫外光可见光范围内的气体和固体的 吸收光谱 同年 b e l l 实验室的r o s e n c w a i g 以及在1 9 7 6 年在英国帝国理工学院 化学系的a d a m s 和k i r k b r i g h t 等人先后使用了大功率氙灯 高灵敏度传声器 特 殊结构的光声池及检测微弱电信号的锁向放大器等所组成的一套固体光声实验 第一章光声技术简介 装置 对凝聚态物质的光声效应进行了全面而深入的研究 对大量不透明液体 粉末 及生物样品进行了测量 获得了一系列常规分析方法不易获得的实验结果 充分显示出光声技术的优越性 近几年来 各国科学家对光声技术进行了更加广泛的研究 并按试样的几何 形状和被研究的对象 分别建立和完善了气体传声器光声系统和压点光声系统 所使用的光源也得到进一步的发展 有高压氙灯 连续可调激光器和脉冲激光器 等 光声研究至今已发展成为 i 1 独立的学科分支 即光声学 又被称作热波物 理学 概括起来说 光声学和光声技术的发展大概可以分为以下4 个阶段 1 1 9 世纪8 0 年代是光声效应的发现阶段 也是光声技术发展的初始阶段 2 2 0 世纪4 0 年代 光声效应 光声技术初步应用于气体分析 3 2 0 世纪7 0 年代是光声技术开始蓬勃发展阶段 建立了一维固体光声理论 出现了商品仪器 扩大了研究领域 初步确立了光声学和光声技术的地位 4 2 0 世纪8 0 年代 固体光声理论更加完善 光声技术本身又派生出基于无 辐射去激发机理的几种新的分析方法 应用不断扩大 特别是热波成像技术有了 较大的发展 在当代高技术领域中的集成电路 光纤 太阳能电池以及功能薄膜 的无损检测方面显示了诱人的前景 随着国际上光声学的发展 我国科学工作者早在1 9 7 7 年也开展了光声技术 的应用的研究 北京大学用光声技术开展了大气污染的检测工作 中国科学院长 春应用化学所自1 9 7 8 年以来研制了两种用于气体和固体检测的光声谱仪 从 1 9 7 9 年以来 中国科学院上海硅酸盐研究所 同济大学 南京大学 南开大学 苏州大学 浙江大学 武汉大学 中国科学院福建物质结构研究所等二十多个单 位 相继展开了光声技术应用研究 研究对象包括半导体材料 无极极性材料 结构材料 有机物质 金属 生物制品 医疗诊断等 中国科学院上海硅酸盐研 究所和南京大学还开展了扫描电子显微镜和扫描光声显微镜的研制工作 为热波 检测技术在我国的应用开辟了一条新的途径 另外 同济大学利用光声技术研究 了薄膜试样的导温系数 苏州大学测定了所有稀土元素的光声谱和能级 中国科 学院上海硅酸盐研究所利用光声谱研究了某些血液病的机理并测定了极性介质 的相变 南开大学开展了量子效率测量的工作 近些年来 光声学和光声投术在 我国的发展是迅速的 应用面正在不断的扩大 其前景也是令人鼓舞的 1 2 光声技术的特点 光声学和光声技术的应用发展如此迅速的原因是由它自身的特点所决定的 天津大学硕士学位论文 光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 这些特点主要如下 1 光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于 光声检测的光声信号直接取 决于物质吸收光能的大小 正因为这样 所以反射光 散射光等对光声检 测的干扰就很小 对弱吸收试样则可增大入射光功率 从而提高检测的信 噪比 因此 它可以成功地用来检测各种试样 透明地或不透明地固体 液体 气体 粉末 胶体 晶体或非晶体等物质地吸收或吸收光谱 同时 它也是唯一可用来检测试样剖面吸收光谱的方法 2 在光声检测中 试样本身既是被研究地对象 又是吸收电磁辐射的检测器 因此 可以在一个很宽的光学和电磁学波长范围内进行研究而不比改变检 测系统 最低检测主要取决于光源强度 检测器和接受放大器的灵敏度以 及窗口材料的吸收 3 光声信号是物质分子在吸收强度调制的外界入射能量后 由受激态通过非 辐射过程跃迁到低能态时所产生的 因此 它与物质受激后的辐射过程 光化学过程等是互补的 所以光声效应本身又是一种研究物质荧光 光电 和光化学现象的极其灵敏和十分有效的方法 光声效应不仅像光谱方法那样可用来测定物质的吸收谱 而且还可用来研究 驰豫过程 辐射过程的量子效率以及用于测定物质的热学性质 弹性性质 薄膜 厚度和对不透明材料亚表面热波成像等各种非光谱的研究等 1 3 光声技术的应用 1 3 1 光声技术在癌症检测中的应用 随着今年来光声技术的发展 光声技术在癌症诊断中有重要的应用 郭周义 等采用氙灯做光源的双光束光声谱装置 对人体内的癌变组织进行了研究 在波长3 8 0 纳米到 8 0 纳米的范围内以5 0 纳米 分 钟的速度记录了人体内四 种组织的全血光声谱 对正 常组织和癌变组织分别进 行测量时 实验条件相同实 验结果如下 1 人体胃内壁正常组 织和癌变组织的光声谱 i 厂 正帕衄 墙锺飙 k 以 l o4 8 0m 5 7 04110 806 n t 曲 藏妊 h 图1 胃部组织离体样本光声谱图 牵壤置壤诗肆 天津大学硕士学位论文 光声层折成像技术及组织光学参数对其影响 这些特点主要如下 1 光声检测与通常的光谱技术的丰要区别在于 光声检测的光声信号直接取 决于物质吸收光能的大小 正因为这样 所以反射光 散射光等对光声检 测的干扰就很小 对弱吸收试样则可增大入射光功率 从而提高检测的信 噪比 因此 它可以成功地用来检测各种试样 透明地或不透明地固体 液体 气体 粉末 胶体 晶体或非晶体等物质地吸收或吸收光谱 同f 寸 它也是唯一可用来检测试样剖面吸收光谱的方法 2 在光声检测中 试样本身既是被研究地对象 又是吸收电磁辐射的检测器 因此 可以在一个很宽的光学和电磁学波长范围内进行研究而不比改变检 测系统 最低检测主要取决于光源强度 检测器和接受放大器的灵敏度以 及窗口材料的吸收 3 光声信号是物质分子在吸收强度调制的外界入射能量后 由受激态通过非 辐射过程跃迁到低能态时所产生的 因此 它与物质受激后的辐射过程 光化学过程等是互补的 所以光声效应本身又是一种研究物质荧光 光电 和光化学现象的极其灵敏和十分有效的方法 光声效应不仅像光谱方法那样可用来测定物质的吸收谱 而且还可用来研究 驰豫过程 辐射过程的量子效率以及用于测定物旗的热学性质 弹性性质 薄膜 厚度和对不透明材料亚表面热设成像等各种非光谱的研究等 1 3 光声技术的应用 1 3 1 光声技术在癌症检测中的应用 随着今年来光声技术的发展 光声技术在癌症诊断中有重要的应用 b 周义 等采用氙灯做光源的双光束光声谱装置 对人体内的癌变组织进行了研究 在波长3 8 0 纳米到 8 0 纳米的范围内以5 0 纳米 分 钟的速度记录了入体内四 种组织的全血光声谱 对正 常组织和癌变组织分别进 行测量时 实验条件相同实 验结果如下 1 人体胃内壁正常组 织和癌变组织的光声谱 织和癌变组织的光声谱 m 榔 k 珊 蛳5 脚t 叫 口据a铀06 n7 曲 甚长 撙 图1 胃部组织离体样本光声诺罔 袅 第一章光声技术简介 2 人体子宫内壁癌变组织和正常组织的光声光谱 八 照常囊颤 八 矗蛐 卅 帆 l 一 麓长巾 图i 2 子宫组织样品离体图 人体肺癌变组织和正常组织光声光谱 n 弋 髓扳 坷 沅 一 图1 3 肺癌组织离体样品光声谱 人体乳腺癌变组织和正常组织的光声光谱 芷t 辅 麓鲰 厂 厂 叫 一一 麓长 n 埔 图卜4 乳腺癌组织离体样本 将以上结果中正常组织中的光声光谱与正常人全血光声谱相比较 正常组织 4 夸啦t取墨 妒攀氍柱蕾霉 天津大学硕士学位论文 光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 的吸收峰与血液吸收峰相对应 由此可以得出这样的结论 机体组织对光的吸收 与血液对光的吸收有关 比较癌变组织与正常组织的光声谱 不难看出 四种痛 变组织都在6 3 0 纳米左右出现了正常组织没有的吸收谱带 可以认为这一吸收谱 带是反应癌变组织所特有的分子结构的特征谱带 同时癌变组织在近红外区比j e 常组织有更大的吸收 光声谱技术可以为癌症的诊断和治疗提供可靠的光学资 料 若选择波长在癌细胞的特征吸收峰6 3 0 纳米左右的激光束 直接对癌细胞进 行照射 能有选择的杀死癌细胞 避免或减少正常细胞的损伤 1 3 2 光声技术在白血病早期诊断中的应用 人们已知 血红蛋白单体结构系由两条瑾链和两条卢链组成 每条口链和芦 链又都与一个血红素原的辅基相结合 它具有三个吸收峰 郎4 0 0 纳米附近的 s o r e t 吸收带 又称7 带 5 5 0 6 1 0 纳米的a 吸收带以及5 2 0 5 5 0 h m 的 吸收 带 但是由于在血浆和红细胞中存在着其他的蛋白质和一些类腊化合物 会产生 强烈的光散射 不能获得满意的吸收光谱 因此 必须先从全血中萃取分离血红 蛋白 然后从血红蛋白水溶液中获得它的吸收光谱 若采用光声技术 则只需将 样品涂布以后 在空气中干燥几分钟即可进行分析 殷庆瑞等应用o a s 4 0 0 型光声光谱仅研究了血液病患者的全血样品的光声吸 收光谱图 自m 瘸患者的全血光声谱中的a 吸收带和口吸收带信号强度比正常人 的全盘光声谱中的信号强度低很多 甚至有的病例中吸收峰已经不能分辨 p o u i e t 等报道了用光声光谱技术研究人血中血红礞白和载氟血红蛋白的光声光谱 并研 究了人血的氧化作用和沉降速率等问题 郭周义等用光声光谱法对正常 白赢病缓解 急性淋巴细胞白血病等不同类 型的多例血氧的全血谱的三个吸收峰进行了对比 并通过全血涂片染瑞士蓝的方 法 观察了血样中自细胞含量变化在图谱上的反映 图1 5 给出了三种不同类型 白血病人及正常人的全血谱 图卜6 给出急性游巴细胞白血病人不同病情程度的 三个全血谱 发现白血病人的全血谱与正常人的全学谱有显著差别 结合临床分 析讨论了白血病全学谱与病情程度的关系 从以上的实验结果中可以看到 光声技术对于分析血液中红细胞对光吸收的 变化比较灵敏 从光声谱的机理上也容易得到解释 因为无论是人工致敏过的红 细胞或者是因为病变在其表面而形成的膜都会直接地影响到红细胞本身对入设 光能量的吸收 使光声信号强度有明显变化 这种光声技术有可能在红细胞膜表 面分析以及在血液研究学中的到进一步的应用 第一章光声技术简介 盘长l 红 生长 图卜5 不同类型的全血谱图卜6 急淋全血谱 1 3 3 光声技术在生物组织中的应用 应用光声技术可以直接研究人和动物的皮肤 肌肉 脏器等软组织 和骨头 牙齿等硬组织 利用常规光谱技术地难点就在于皮肤表层存在强烈地光反射和样 品解剖的时候存在的一些问题 但利用光声技术就可以获得完整的皮肤吸收光 谱 人体组织发生病变时 测定病变前后的光声谱可以提供有价值的信息 有可 能获得正常组织和病变组织的物理和化学特征 因此 测定光声谱的仪器有可能 成为早期诊断疾病的有用工具 g i e s e 等利用光声法研究具有吸收能力娥药物渗透皮肤的扩散作用 并报道 了用防晒油剂涂在人体皮肤进行光声测量 从而确定防晒的功能 r o s e n e w a i g 等曾利用光声谱研究矽肺的成因 矽肺对人体危害众所周知 有 人对大白鼠的肺脏器官进行了光声谱测量 在乙醚麻醉下 用气管注入染尘法每 目定时向大白鼠气喷洒一定剂量的金剐砂或白刚玉粉 玻璃纤维等粉状物质 粒 度大小平均为数微米 从结果中看到 无论注入哪种染尘 肺组织中都存在着 一种物质 其吸收峰均位于3 5 0 4 2 0 纳米之间 而此光谱特征峰又j 除好与血红 蛋白的吸收带相同 因此 可能是由于这些粉尘颗粒造成了红细胞溶血 释放出 来的血红蛋白吸附在颗粒表面 使光声谱显示出血红蛋白的吸收带 h e f n e r 和 p o r t s 也研究了粉尘的溶血作用和它在体内导致纤维化之间的关系 实验结果表 明 溶血指数大的粉尘 在体内导致纤维化的能力越强 光声谱峰值高 表明其 溶血指数大 释放出来的血红蛋白多 就有更多的粉尘颗粒吸附着血红蛋白 这 样的粉尘颗粒毒性较大 因此 注入粉尘剂量越多 光声谱峰值就越高 臣噬细 胞发生增生就越明显 6 天津大学硕士学位论文光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 1 9 7 7 年r o s e n c w a i g 用光声法研究了初生态白鼠的未触动的半透明角膜层 在2 2 0 4 5 0 纳米范围内获得了清晰的光声谱 并研究了角膜层的化学变化和水 化作用的影响 初生态白鼠的角膜层在最初6 0 小时的成熟周期中有显著的光谱 变化 这种变化可解释为在该周期中 角膜基质为了适应外界环境的变化而发生 的 其中包括了角蛋白分子结构的变化 由此可知 光声法亦可研究动物的视网 膜组织 1 9 8 7 年c r o s s 分别采用由三种激光波长 2 4 8 3 0 8 5 3 2 纳米 的激光器构 成的纳秒脉冲光声法来研究正常人和患有动脉周样硬化患者的血管组织部分切 除手术的情况 并测量出切除血管组织的最低能量域值 1 3 4 采用光声技术的血氧无创检测 1 3 4 1 血氧无创检测简介 对于脑 心脏 肝脏和其他人体组织中的血样的连续无创检测 目前还没有 能够达到临床应用的水平 但是这项技术的应用在i i 偌床上有重大意义 如很多危 及生命的疾病中的应用 比如严重的脑外伤 败血症 脑震荡等 对于那些带有脑外伤的严重疾病 目前的医疗条件下 大多采用的有创的组 织血氧检测和脑组织血氧检测 丽脑部血氧的无创检测将是在医学和生物学上的 巨大进步 它可以为物理治疗打下坚实的基础 尽管 目前在无创检测的应用上 取得了一定的进展 但是还没有一个系统能够实验对脑赢氧的精确的无剖检测 目前 大多数对于脑血氧的无创检测的尝试使用的都是红外光谱 由于在血 液中氧和血红蛋白和还原血红蛋白的吸收系数不一样 所以就可以以这一差异为 基础 对脑血氧的连续无创检测进行发展 但是 组织对光存在吸收和散射 这 就必然会影响测量的深度和精度 从而限定了这以手段的发展 目前 近红外光 谱对于脑血氧的无创检测还不能给出可靠的定量结果 至少在评估脑部不同组织 的血色素饱和度的时候 用这种方法不能区分静脉血和动脉搬 另外 在估算组 织中的散射光予的光程的时候存在一定的困难 也就必然同样会限定近红外光谱 的血氧无创检测的发展 但是这种方法应该有一定的前景 可以获得更进一步的 准确的定量的信号 利用组织中的氧和血红蛋白和还原血红蛋白在近红外光谱的吸收系数的差 异性 有一种可以精确的定量的测量血氧的方法 这一方法以组织中的光声现象 为基础 在组织中 短激光脉冲可以使组织中的吸收体产生超声波 可以采用一 个探测器探测产生的超生波 信号的时闻分辨就决定了信号源的深度 与光波相 比 超声波在组织中的吸收和散射都小的多 所以可以很容易的对超声波信号进 第一章光声技术简介 行探测 对于探测到的超生信号的时间特性以及振幅的分析就可以得到关于维织 的特性 分辨率可以达到弧毫米量级 这种技术的高分辨率可以对血管和局部组 织中的血氧进行精确的测量 在人头骨正中央的下方 有一条中心静脉 它为脑组织的血氧无创检测提供 了很好的基础 人在受到脑外伤以后 在血液循环的过程中 会导致脑部血氧含 量的降低 丽脑部血样含量的降低会导致残疾和死亡 1 3 4 2 理论背景 光能量在介质媒体中被吸收以后 介质会产成热驰豫 同时伴随着介质温度 的升高 由于介质温度升离会导致介质内部热膨胀 热膨胀使介质内部产生应力 的变化 便会产生超生波 再不考虑光散射的情况下 当一个通量为只的短脉 冲激光照射到介质上的时候 介质内部的压力会产生变化 p z 咯2 c p u f r f z f 矗e x p u a z 其中 p c 9 2 c 是介质的热膨胀 系数c c m s 是声音在介质中的传播速度 c j g c l 是常匿下的热容 f f z l l j c m 2 1 是光脉冲的通量 c m 1 是介质的吸收系数 方程中的光声的压力 单位可以用j c m 3 方程中的表达式 加 2 c 无量纲 光在介质中传播的时候 呈指数衰减 表示为e x v 一 z 由于在介质中 压力受到限制 所以压力的驰豫就可以忽略 这一过程的产 生可以利用纳秒激光器 光声压力的振幅与g r u n e i s e n 参数 频率 吸收系数成比 例 然而 压力的空间分布与吸收系数有关系 由于z 和r 可以通过简单的方程 z c t 来表示 所以激光产生的压力分布p f z l 可以由一个宽带的超声信号探测 器来探测 表示为p z f u o e 印 一u o c t 子是 通过记录和计算超生波的时 间图像 我们就可以得到光吸收介质的吸收参数 在近红外波段 大多数组织都是光的强散射介质 而光在组织中的传输主要 受三个参数的影响 吸收系数 散射系数 和有效衰减系数 而有效衰减 系数与吸收系数 散射系数还有各项异性因子g 有关 由于 切 3 屹l 屹 虬 1 g 旷 其中峨 1 一g 是简化的散射系数吣 光在组织中的 穿透深度定义为l 心 而在近红外波段 光在组织中的吸收系数和简化的散射 系数都报小 所以 与其他波段的波谱相比较 近红外波段的光在组织中的穿透 深度比较深 所以近红外光在组织中血氧测量中的应用就可以保证足够的穿透深 度 1 3 4 3 实验相关 r i n a t 0 e s e n a l i e v 等人试验中采用的光声系统包含四部分 1 用来产生纳 天津大学硕二b 学位论文 光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 秒脉冲的激光器 2 包含传送头的光纤和探测超生信号的压电探测器 3 放 大信号的电子系统 信号的记录装置是一台计算机 实验中模拟组织模型对羊啦 氧的含量进行了检测 实验结果中 随着血氧含量的变化 检测到的光声信号就有所不同 如图 l 7 所示 不同的血氧含量 其光声信号有很大的差别 图卜8 显示的是光声信 号的幅度与血氧含量的关系 可以看出 随着血氧含量的增加 光声信号的幅度 基本上也是呈线性增加的 纯动脉血 血氧含量为9 2 6 的样品 其光声信 号的幅度基本上是纯静脉 l 衄 血氧含量为6 8 6 的光声信号幅度1 6 倍 而 大量失血后的血液样品 血氧含量为2 3 9 的光声信号幅度仅为纯静脉血的 1 5 d i 懒f i o mt r j m s d u c e r r a m 6 577 588 s 99 51 01 0 s 4 r 4 4 85 25 666 4 6 8 t i m e 图卜7 不同血氧含量情况下的光声信号 舱 o 辛 3 2 i 一 邑lb鑫ls冀锈蓥曼 曼1c10 第一章光声技术简介 b l o o do x y g 蝴t i o n 惭 图1 8 光声信号的幅度与血氧含量的关系 由于我们已经知道声波在血液中的传输速度为1 5 r a m u s 通过将时间差剐 变成空间差别 可以得到不同血氧含量下的血液的衰减系数 纯动脉血的衰减系 数为4 2 c m 1 纯静脉血的为3 5 c m 1 大量失血后采集的血液样品的衰减系数为 1 8 c m 1 每次泵入空气的实验结果如图l 一9 所示 可以看出 每次的空气泵入都会导 致光声谱的形状和幅度发生很大的改变 从图卜1 0 看出 光声信号的幅度从原 来的纯静脉血时的2 7 5 m v 到经过5 次空气泵入后光声信号幅度变为5 1 0 m y 与 前个实验的纯动脉血的光声信号幅度相当 图卜9 泵入空气对血氧含量的影响 置v一鹰岛锈 菅客l 艿 天津大学硕士学位论文 光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 5 图卜1 0 泵入空气次数与光声信号强度的关系 由以上的实验中我们可以看到 光声成像在血氧的无刨检测中有重要的应 用 能够测得组织中血氧的准确含量 能够成为今后医学诊断中的重要手段 一 色 时弓量墨矗暑 一盏骚灞o 访o 苞o 天津大学硕士学位论文 光声层析成像及组织光学参数对其影响 第二章光声层析成像韵类型 2 1 影晌光声层析成像的因素 光声层析成像技术结合了光学成像和声学成像的优点 与光相比 超声波在 组织中有更深的传播距离 所以 光声层析戚像可以实现类似超声成像技术达到 的深层组织成像 光声层析成像是以组织的光学吸收系数为基础的 所以又能得 到类似光学相干层析成像技术的分辨率 光声层析成像的过程中 当激光照射到 组织上后 会在组织中激发出超声波 光波激发的超声信号与组织的空间结构和 组织的光学性质有着密切的关系 所以 采用探测器对产生的超声信号进行采样 便可以用来对组织的光学特性进行重建而得到组织图像 不同时间采集到的超声 信号携带了不同深度处的组织信息 从而可以实现组织不同深度的成像 光声层 析成像中以下几个因素起着主要的作用 第一 超声波的频率 超声波会在组织中衰减 且衰减是超声波频率的函数 不同频率在组织中传播的距离也不同 距离越大 对更深层次缎织成像的可能性 越大 同时 光声层析成像中 成像的分辨率主要受到超声信号探测器的频率的 影响 第二 超声信号探测器的灵敏度 由于传输过程的衰减 组织深层的信号比 较微弱 探测器的灵敏度越高 探测到深层缀织内部更微弱的信号的可能性越高 a n d r e e vv g 等人在应用超声波和红外激光光源在进行乳腺癌的诊断时 1 对组织 的穿透深度可以达到几个厘米 空问分辨率可以达到毫米量级 在对皮肤和表皮 的血管进行成像的时候 穿透深度可以达到厘米量级 并且分辨率能够达到 1 0 0 爿肌左右 第三 光源的波长 在近红外波段 大多数组织都是光的强散射介质 而光 在组织中的传输主要受三个参数的影响 吸收系数 散射系数乩和各向异性系 数g 而有效衰减系数与前面的各项系数有关 即珥旷 弛 乩f 乩 朗 埘7 1 其中 g 是简化的散射系数乩 光在组织中的穿透深度可用有效光学距离表示 即 也 其中d 是组织的厚度 而在近红外波段 光在组织中的吸收系数和简化 的散射系数都很小 所以 与其他波段的波谱相比较 近红外波段的光在组织中 的穿透深度比较深 这样 也就能够从更深层的组织处激发出超声波 1 2 天津大学硕士学位论文 光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 2 2 光声层析成像的种类 当激光照射到组织上的时候 被照射到的部分会吸收热量 产生热弹性压力 变化 于是产生瞬变的超声波 由于组织不同部位的吸收参数不同 所以组织能 量吸收的分布就不同 这样不同组织的信息就会被加载到超声波中 通过对超声 波进行检测 进而就可以了解组织的结构信息 光照射到吸收介质表面之前 通 常会经过透明介质 如水 空气 光纤等 超声波会在组织内部和光照射介质时 所经过的透明介质中传输 可以选择合适的材料来制作透明介质 或者将透明介 质的表面做得很光滑 就能够有效地减小各个耦合面处的超声波的散射和吸收 从而检测到更加准确的超声波 由于透明介质的引入 超声探测器的频率就可以 达到l o o m z 左右 也就可以在全光谱范围内对不同组织中的光学吸收分布进行 测量 1 由于组织中产生的超声波是向各个方向传播的 所以按照超声波采集方 式的不同 可以将光声成像分成三类 第一 前向探铡模型 第二 后向探测模 型 第三 侧向探测模型 2 2 1 前向探测模型的光声屡析成像 在前向探测模型中 超声信号探测器放在被探测物体的后表面上 可以直接 照射到探测器上 编码了组织内部信息的超声波被探测器采集到以后 经过处理 就可以还原出组织内部的结构信息 4 0 9 r ap o l y m e r 图2 1 采用法 珀干涉仪对信号采集的光声成像系统 第二章光声层析成像的类型 b e a r dp c 和m i l l st n 1 采用如图2 一l 所示的装置 探测器和照射光源放在模拟 瓶的异侧 与普通情况下的信号采集不同 采用法一珀干涉仪的信号采集系统用 超声波信号调制了另一束激光 影响了激光的光强分布 通过对光信号的探测来 还原组织模型的结构信息 实验中是对组织模拟液中的物体进行成像 采用前向探测模型 得到物体的 图像 如图2 2 所示旧 图2 2 模拟液以及成像的对比 该实验中 穿透深度可以达到lc m 左右 成像的轴向分辨率可以达到1 0 0 p m 量级 在光传输的方向上 超声信号的强度比其它方向上的超声信号要大的多 所以前向探测的优点就是探测器放置在光传输的方向上 就能够探测到更微弱的 超声信号 提高图像的对比度 但是前向探测的应用中 超声信号探测器要放在 组织的后表面上 超声信号传播的距离过长 同时不同组织的声阻抗不同 产生 的超声波衰减的比例不同 不利于图像重建 2 2 2 后向探测模型光声层析成像 在后向探测模型中 探测器和光源在组织的同一侧 一般情况下 将激光耦 合到光纤中 使光纤穿过探测器 在对有毖组织的成像中 由于组织结构的限制 天津大学硕士学位论文光声层析成像技术及组织光学参数对其影响 很难采用前向探测模型 后向探测模型也就成为唯一的选择 比如对皮肤的检测 m a g d a l e n acp i l a t o 1 等采用如图3 所示的双环结构的探测器 内环的内径和 外径分别为2 搠m 和2 3 m 聃 外环的内径和外径分别为3 5 珊m 和3 8 用朋 压电材 料p v d f 厚度9 j a m 探测器的上表层镀金 厚度5 0 a m 通过探测器的光纤直径是 6 0 0 m 在对人的手指部分进行成像的实验中 从图4 中可以清楚的分辨出指甲 内部不同的反射层 图2 3 双环的信号探测器同 5 p v d f 探测环 内环 置 2 o m m r o 2 3 m m 外环 墨 3 5 删 r 3 8 m m 豳2 4 手指的纵向扫描图片 同时 他们还使用该系统对老鼠腹部的血管进行了二维的平面成像 1 血管 放在组织模拟液中 在模拟液中的成像深度可以达n 5 c r a 可以看到 在采用后 向探测模型的时候既可以对组织的切面进行成像 还可以得n 维的平面成像 m u t s oy a m a z a k i 0 1 等人采用后向探测模型 对老鼠背部的烧伤进行了成像研究 可以根据重建的图像来区分不同类型的烧伤 后向探测中 探浏器的构造通常比较复杂 在图像重建的时候 通过将采集 到的信号与标准的信号进行卷积的方法 然后从中提取出不同层组织的信号 采 用这种信号处理方式的优点就是能够有很高的轴向分辨率 同时 对不同组织层 的图像重现效果较好 在深层组织的成像受到的浅层组织吸收影响较小 成像溃 晰 由于采用了阵列的探测器 所以在对组织的轴向切面进行成像时 可以充 分发挥阵列探测器的优点 而虽后向撵测模型在临床上能够应用的范围很广 更 容易实现临床应用 但是由于探测器结构的限制 目前的工艺还不能将阵列探测 器做的很小 所以图像的侧向分辨率较差 2 2 3 侧向探测模型的光声屡析成像 在侧向探测模型中 探测器在组织的侧面 侧向探测模型的优点是探测器的 设计不像后向探测模型中所使用的掇测器那样复杂 同时又可以应用在大部分后 第二 章光声层析成像的类型 向探测能够应用的场合 而且 在侧向探测模型中可以采用多个探测器同时对超 声信号进行探测 这样就可以大大的减少扫描的时间 x u e d i n gw a n g 1 等人采用 图5 所示装置 对老鼠的肾脏进行了成像 在采用侧向探测的实验中 将一束激光通过毛玻璃 对样品表面进行均匀的 照射 由于组织内不同类型的物质对光的吸收不一样 通过侧面的超声信号探测 器进行扫描后 信号经过放大 就可以实现组织吸收能量的图像重建 通过该实 验得到的图像与切片的结果吻合的很好 如图2 6 所示 3 图2 5 侧向模型的光声层析实验系统 图2 6a 老鼠肾脏的光声成像 b 相应