光透明技術(shù)在生物光學(xué)成像深度拓展及對(duì)比增強(qiáng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、生物光學(xué)成像技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、高分辨，高對(duì)比度及快速等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)微米或亞微米量級(jí)高分辨的生物組織的微結(jié)構(gòu)及功能成像，在疾病檢測(cè)及臨床應(yīng)用研究中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)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(yán)重限制了光在組織中的穿透深度，使得多種光學(xué)成像技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)組織更深層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。因此，本文的研究目的是以譜域光學(xué)相干層析成像(Spectral-domain OCT，SD-OCT)及光聲顯微成像技術(shù)(Photoacous

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

3、像深度，實(shí)現(xiàn)更深層的高對(duì)比度的組織結(jié)構(gòu)成像，并定性定量分析了由 OCAs所引起的組織光學(xué)特性參數(shù)的變化，討論了OCAs劑量對(duì)成像效果及光穿透深度的影響。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　首先，針對(duì)OCT在生物組織成像中，由于受到組織高散射的影響而導(dǎo)致成像深度淺、圖像對(duì)比度低等問(wèn)題，基于TOC技術(shù)，選取OCAs葡萄糖作用于人的離體的正常與結(jié)腸癌組織，成功實(shí)現(xiàn)OCT對(duì)葡萄糖在兩種組織中的整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。并深入分析了OCT

4、信號(hào)強(qiáng)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(cè)量結(jié)果。研究結(jié)果表明葡萄糖對(duì)提高OCT在對(duì)正常和癌變的結(jié)腸組織成像中圖像的對(duì)比度、成像深度有效性和實(shí)用性。同時(shí)，通過(guò)定性定量評(píng)價(jià)與分析，發(fā)現(xiàn)葡萄糖在癌變結(jié)腸組織中PC是正常結(jié)腸組織的1.65倍，光的AC最大值及最小值分別是正常結(jié)腸組織的2.44

5、和1.18倍。進(jìn)而提出通過(guò)計(jì)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(lái)提高OCT對(duì)正常和病變組織的識(shí)別能力，這對(duì)拓寬OCT的應(yīng)用具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　其次，為了進(jìn)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(jìn)而促使光在組織中的穿透更深，在上一研究基礎(chǔ)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(jié)腸組織中的滲透，并實(shí)現(xiàn)OCT對(duì)葡萄糖在

6、組織中整個(gè)滲透過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。深入研究了由超聲波導(dǎo)入所引起的葡萄糖PC、OCE、OCT信號(hào)強(qiáng)度及1/e光穿透深度等參數(shù)變化及計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)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(hào)強(qiáng)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(jìn)OCAs擴(kuò)散，進(jìn)一步增強(qiáng)光在組織中穿透深度的有效方法，為進(jìn)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(shí)間對(duì)OCE、PAM信號(hào)幅值、圖像對(duì)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(hào)，實(shí)現(xiàn)了PAM對(duì)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(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。定性定量評(píng)價(jià)與分析了濃度對(duì)OCE、成像質(zhì)量及光聲信號(hào)幅值等特征之間的影響與的變化規(guī)律。研究結(jié)果不僅表明甘油對(duì)增強(qiáng)PAM成像深度及信號(hào)強(qiáng)度有效性，還證明甘油濃度與增強(qiáng)OCE、提高PAM

8、成像能力之間存在緊密的相關(guān)性，其中60%甘油OCE最好、40%次之、20%最差，但相對(duì)于后兩組，60%甘油組取得最佳組織OCE所需的時(shí)間卻最長(zhǎng)，并發(fā)現(xiàn)組織OCE并非隨甘油作用時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。此研究結(jié)果對(duì)更有效的利用OCAs增加組織OCE，進(jìn)而提高光學(xué)成像技術(shù)的成像能力具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本論文重點(diǎn)對(duì)TOC技術(shù)在OCT與PAM成像深度拓展及圖像對(duì)比增強(qiáng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。并定性評(píng)價(jià)了TOC技術(shù)對(duì)提升此兩種