聚焦光聲成像技術(shù)及在血栓無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用.pdf

1、基于檢測(cè)超聲信號(hào)的光聲成像技術(shù)有效結(jié)合光學(xué)和超聲這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，一方面，與純光學(xué)成像技術(shù)相比在成像深度與空間分辨率上更占優(yōu)勢(shì)；另一方面，因?yàn)楣饴暭夹g(shù)的圖像對(duì)比度來(lái)源于組織體光吸收的差異，彌補(bǔ)了純超聲成像技術(shù)在對(duì)比度和功能成像方面的不足，因而光聲技術(shù)是一種有前景的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。采用聚焦掃描技術(shù)路線的光聲成像系統(tǒng)，其換能器聚焦區(qū)的靈敏度顯著高于非聚焦區(qū)，換能器在某一個(gè)位置所探測(cè)到的時(shí)域信號(hào)反映聚焦區(qū)軸線方向上的光吸收分布。另外，采取該技術(shù)

2、路線還能有效減少聚焦區(qū)外光聲信號(hào)的影響，提高定位吸收體的準(zhǔn)確性。本論文用基于聚焦換能器的光聲系統(tǒng)，研究介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)變化對(duì)光聲信號(hào)的時(shí)域信號(hào)和頻譜的影響，并探尋聚焦光聲在血栓檢測(cè)方面的可行性。 在緒論部分首先簡(jiǎn)要介紹光聲成像技術(shù)的基本原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了有代表性的幾套成像系統(tǒng)的探測(cè)原理和技術(shù)特點(diǎn)。接著重點(diǎn)闡述目前該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用，包括乳腺癌早期檢測(cè)、腫瘤新血管生成監(jiān)測(cè)和微血管網(wǎng)成像、腦成像和腦功能監(jiān)測(cè)、皮膚病變?cè)u(píng)

3、估和治療監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用。最后展望光聲成像技術(shù)應(yīng)用前景。 在第一章中，主要闡述以熱彈性機(jī)制下光聲效應(yīng)為物理基礎(chǔ)的聚焦光聲技術(shù)理論基礎(chǔ)。本章首先通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到滿足熱限制和壓力限制條件下壓力波動(dòng)方程，并通過(guò)格林函數(shù)對(duì)波動(dòng)方程進(jìn)行求解。接著分別討論球狀、柱狀、及層狀吸收體產(chǎn)生的超聲壓力波分布表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上說(shuō)明采用聚焦掃描技術(shù)路線的光聲成像原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 在第二章中，首先闡述聚焦光聲成像原理和技術(shù)特點(diǎn)，基于聚焦換能器的

4、光聲系統(tǒng)能夠有效減少聚焦區(qū)外光聲信號(hào)干擾，獲得聚焦區(qū)內(nèi)光能量沉積分布。接著詳細(xì)介紹本實(shí)驗(yàn)室所搭建的聚焦光聲系統(tǒng)裝置硬件構(gòu)成和控制，該系統(tǒng)主要是由激光系統(tǒng)、探測(cè)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)三部分共同組成。最后分析影響聚焦光聲系統(tǒng)分辨率的因素，并給出該系統(tǒng)在模擬樣品上測(cè)試的結(jié)果，縱向分辨為0.3mm，橫向分辨為2 mm。 第三章中，首先指出目前光聲成像技術(shù)研究中對(duì)短脈沖激光輻照組織體時(shí)在組織體內(nèi)形成的光分布、光能量沉積及光聲信號(hào)的影響因

5、素等基礎(chǔ)性問(wèn)題重視程度不夠。而理清光源參數(shù)、組織光學(xué)性質(zhì)、超聲傳輸特性、探測(cè)器的響應(yīng)與光聲信號(hào)之間的具體聯(lián)系是改善成像效果的基礎(chǔ)。接著，作者用聚焦光聲系統(tǒng)研究埋有柱狀吸收體的模擬樣品光聲時(shí)域信號(hào)與頻譜特征。具體實(shí)驗(yàn)包括，研究模擬介質(zhì)中周圍介質(zhì)散射變化對(duì)柱狀吸收體光聲信號(hào)的影響以及柱狀吸收體本身散射性質(zhì)對(duì)光聲信號(hào)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明柱狀吸收體光聲信號(hào)幅值隨周圍介質(zhì)散射增大呈指數(shù)衰減，頻率加權(quán)平均值則隨散射增大呈二階指數(shù)衰減，且低頻部分的權(quán)

6、重隨之增加；當(dāng)吸收體尺寸在毫米量級(jí)，柱狀吸收體本身散射改變，光聲信號(hào)的幅度和光聲頻率加權(quán)平均值、頻譜只存在細(xì)微波動(dòng)，基本上可以看成是維持不變。出現(xiàn)此結(jié)果的主要原因在于吸收體的尺寸很小，吸收體散射的小幅度改變對(duì)于整個(gè)模擬樣品的光分布影響十分有限，因而光聲信號(hào)只有微小波動(dòng)。但是需要特別指出的是，此結(jié)論在大尺寸的吸收體情況下并不一定有參考意義。 在第四章中，首先指出目前臨床所采用的血栓診斷手段不能準(zhǔn)確判斷血栓栓子的發(fā)展階段，無(wú)法區(qū)分急

7、性和慢性形成的栓子。而在臨床治療上，對(duì)血栓進(jìn)行分期，并采取針對(duì)性的治療方案是有效阻止血液繼續(xù)凝結(jié)和肺栓塞出現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)臨床這一現(xiàn)實(shí)需要，作者提出基于聚焦區(qū)聚焦換能器的光聲血栓檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)全血、急性栓子及慢性栓子的尺寸以及光能量沉積情況的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，光聲信號(hào)幅值和頻率加權(quán)平均值都可以反映吸收分布變化，準(zhǔn)確分辨急慢性血栓以及血栓的尺寸。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)展現(xiàn)了該技術(shù)在血栓檢測(cè)方面的可行性。該工作的實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展光

8、聲成像在心血管疾病領(lǐng)域的應(yīng)用，具有積極的意義。 在第五章中，回顧并總結(jié)了本論文的研究結(jié)果，同時(shí)提出將來(lái)欲繼續(xù)開(kāi)展的工作。 光聲成像技術(shù)將光學(xué)技術(shù)和聲學(xué)技術(shù)融為一體，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是一種有潛力的無(wú)損醫(yī)學(xué)成像方法。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外研究者的努力下，此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷拓展，為研究生物組織的病理特征、代謝功能等問(wèn)題提供有力的技術(shù)手段。但在很多方面有進(jìn)一步發(fā)展的空間。其中，基于聚焦換能器的光聲檢測(cè)技術(shù)數(shù)據(jù)反演簡(jiǎn)單，探測(cè)靈