光透明技術在生物光學成像深度拓展及對比增強中的應用研究.pdf

1、生物光學成像技術具有無創(chuàng)、高分辨，高對比度及快速等特點，可實現(xiàn)微米或亞微米量級高分辨的生物組織的微結構及功能成像，在疾病檢測及臨床應用研究中呈現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而，由于大多數(shù)生物組織所具有的渾濁、高散射特性，嚴重限制了光在組織中的穿透深度，使得多種光學成像技術無法實現(xiàn)對組織更深層的結構進行成像。因此，本文的研究目的是以譜域光學相干層析成像(Spectral-domain OCT，SD-OCT)及光聲顯微成像技術(Photoacous

2、tic microscopy，PAM)為例，利用組織光透明技術(Tissue optical clearing，TOC)，研究提高生物光學成像探測深度的方法，提升光學成像技術探測組織深層的形態(tài)結構與功能特征的能力，以提供更加豐富有價值的組織圖像及參數(shù)信息用于對醫(yī)學疾病的診斷與治療。針對以上研究目的，本研究利用TOC技術及超聲波與光學透明劑(Optical clearing agents，OCAs)相結合的方法，提升了兩種光學成像方法的成

3、像深度，實現(xiàn)更深層的高對比度的組織結構成像，并定性定量分析了由 OCAs所引起的組織光學特性參數(shù)的變化，討論了OCAs劑量對成像效果及光穿透深度的影響。本論文的主要研究內(nèi)容和結果如下：
　　首先，針對OCT在生物組織成像中，由于受到組織高散射的影響而導致成像深度淺、圖像對比度低等問題，基于TOC技術，選取OCAs葡萄糖作用于人的離體的正常與結腸癌組織，成功實現(xiàn)OCT對葡萄糖在兩種組織中的整個擴散過程實時動態(tài)監(jiān)控。并深入分析了OCT

4、信號強度、葡萄糖滲透系數(shù)(Permeability coefficients，PC)、葡萄糖在兩種組織內(nèi)所引起光衰減系數(shù)(Attenuation coefficients，AC)等參數(shù)變化規(guī)律及測量結果。研究結果表明葡萄糖對提高OCT在對正常和癌變的結腸組織成像中圖像的對比度、成像深度有效性和實用性。同時，通過定性定量評價與分析，發(fā)現(xiàn)葡萄糖在癌變結腸組織中PC是正常結腸組織的1.65倍，光的AC最大值及最小值分別是正常結腸組織的2.44

5、和1.18倍。進而提出通過計算與比較由OCAs在不同組織中引起的組織特性參數(shù)的差異，可用來提高OCT對正常和病變組織的識別能力，這對拓寬OCT的應用具有重要的應用價值。
　　其次，為了進一步提高OCAs在組織中的滲透速率及光透明效果(Optical clearing effects，OCE)，進而促使光在組織中的穿透更深，在上一研究基礎上，提出采用超聲波協(xié)同葡萄糖策略，加快葡萄糖在正常和癌變結腸組織中的滲透，并實現(xiàn)OCT對葡萄糖在

6、組織中整個滲透過程的實時動態(tài)監(jiān)測。深入研究了由超聲波導入所引起的葡萄糖PC、OCE、OCT信號強度及1/e光穿透深度等參數(shù)變化及計算結果。研究結果表明經(jīng)超聲協(xié)同，葡萄糖在兩種組織中的PC分別被提高了約1.87和2.14倍，OCT信號強度被提高了約12.5％和10.8%，1/e光穿透深度被提高了約1.28和1.27倍。并證明超聲協(xié)同葡萄糖策略可作為一種促進OCAs擴散，進一步增強光在組織中穿透深度的有效方法，為進一步拓展OCT成像能力提供

7、新的思路與和理論依據(jù)。
　　最后，為了深入了解OCAs濃度及作用時間對OCE、PAM信號幅值、圖像對比度及光的穿透深度等特征的影響，利用覆蓋于皮膚組織下的仿體誘發(fā)光聲信號，實現(xiàn)了PAM對經(jīng)不同濃度甘油處理后的皮膚組織下仿體圖像的變化進行了實時動態(tài)監(jiān)控。定性定量評價與分析了濃度對OCE、成像質(zhì)量及光聲信號幅值等特征之間的影響與的變化規(guī)律。研究結果不僅表明甘油對增強PAM成像深度及信號強度有效性，還證明甘油濃度與增強OCE、提高PAM

8、成像能力之間存在緊密的相關性，其中60%甘油OCE最好、40%次之、20%最差，但相對于后兩組，60%甘油組取得最佳組織OCE所需的時間卻最長，并發(fā)現(xiàn)組織OCE并非隨甘油作用時間的延長而呈現(xiàn)線性增加的趨勢。此研究結果對更有效的利用OCAs增加組織OCE，進而提高光學成像技術的成像能力具有重要的指導意義。
　　本論文重點對TOC技術在OCT與PAM成像深度拓展及圖像對比增強中的應用進行了深入的研究。并定性評價了TOC技術對提升此兩種