光声成像在光动力疗法研究中的应用

组织氧合作用和光敏剂应用在疾病诊治中都有着重要的作用,因此其实时在体无损检测很有意义。光动力疗法涉及光敏剂、光和氧分子三大要素,其疗效受组织氧合作用影响。本文对光声成像(PAI)、光声寿命成像(PALI)和多光谱光声层析成像(MSOT)等光声成像技术在光动力疗法的研究和应用中的使用现状进行了综述。对相关设备系统在检测光敏剂、组织氧分压和微血管损伤等方面的应用原理和技术分别进行了介绍,并总结了这些技术的应用前景。     

基于样品及点源光声信号逆卷积的光声成像方法

光声成像是一种新的生物组织成像方法,在目前的光声成像中,都是通过样品光声信号和超声探测器的脉冲响应来计算样品光吸收的投影,但是由于无法获得超声探测器较准确的脉冲响应,影响重建图像质量。提出一种新的计算样品光吸收投影的方法,从理论上给出了样品光吸收投影和样品及点源光声信号的关系,由样品及点源光声信号的逆卷积可直接计算样品光吸收的投影,点源光声信号通过聚焦入射激光直接测得。试验结果显示,重建图像和样品的相对位置、形状及尺寸完全吻合,成像系统空间分辨率达到0．3mm,证明这是一种有效的光声成像方法。     

在体光声成像检测损伤组织及体内异物

利用旋转扫描光声成像采集系统对脑损伤动物进行在体成像检测研究.对由金属物刺伤的脑内组织损伤和出血现象进行高分辨成像;光声成像成功定位小鼠颅骨内针刺损伤的位置和清晰展现组织损伤引致的颅内瘀血;成功利用光声成像观测到外损伤金属异物在颅内的形态结构及位置信息,分析了光声成像对金属异物定位检测和组织损伤出血分布的检测可行性,为提出新型的脑外伤检测技术作应用基础的研究.     

光声结合用于生物组织成像的研究进展

光声结合为生物组织层析成像提供了一种新的有效的手段。这种新方式克服了传统成像技术的一些不足,能获得更多的信息。本文总结了该领域三个主要研究方向的工作,同时分析了目前存在的问题。     

光声结构与功能成像技术研究进展

光声成像技术利用短脉冲激光激发产生光声信号,可重建出组织的光吸收分布图像,它结合了纯光学成像的高对比度和纯声学成像的高分辨率特性.光声成像技术不仅能够有效的刻画生物组织结构,还能够精确实现无损功能成像,为研究生物组织的形态结构,生理、病理特征,代谢功能等提供了全新手段.本文简要分析了光声信号产生的机理,总结报道了目前实验室几套典型的成像系统及其最新应用进展,指出光声成像作为一种新型的生物医学成像方法,可望引发生物医学影像领域的一次革新.     

光声成像及其在生物医学中的应用

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法,它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点,以超声探测器探测光声波代替光学成像中的光子检测,从原理上避开了光学散射的影响,可以提供高对比度和高分辨率的组织影像,为研究生物组织的结构形态、生理特征、代谢功能、病理特征等提供了重要手段,在生物医学临床诊断以及在体组织结构和功能成像领域具有广泛的应用前景.对光声成像技术的机理、光声成像技术和方法、光声图像重建算法以及光声成像在生物医学上的应用情况作一个简单介绍,希望有助于推动我国在该领域的科研和开发应用工作的迅速发展.     

基于压缩感知理论的光声成像方法研究现状

光声成像是一种新兴的无损生物医学成像方法,因其兼具高灵敏的光学对比度和超声能够对深层组织进行高分辨成像的优点,已经成为当前生物医学成像领域发展最快的技术之一。光声成像的光吸收对比度能够反映生物组织微小的组织病变,与血氧饱和度等多种功能和生理信息紧密相关,目前已被证明在肿瘤血管新生研究、早期癌症检测和心血管疾病诊断等方面有很大的应用潜力。基于超声阵列探测的常规光声计算层析成像系统,数据采集量大,由此导致的较低数据采集和成像速度成为制约该技术临床应用和转化的重要因素。压缩感知理论可以在远低于Nyquist采样定理的欠采样方式下,高质量重建信号,已被广泛用于信号处理和传统的医学图像重建领域。自2009年压缩感知理论被应用于光声成像以来,已有的研究结果表明,该方法为解决目前大区域光声成像的数据采集和成像速度问题提供了一条有效的途径。本文将重点介绍压缩感知理论用于光声成像的基本原理、研究现状、面临的问题和应用前景。     

基于光谱编码的血管内光声组分成像

光声成像突破了传统的光学成像和超声成像在生物组织成像领域的困境,该技术基于光声(Photoacoustic,PA)效应,脉冲激光激励下的生物组织产生超声信号,超声信号被接收后,通过反投影算法将其携带的时间信息和强度信息转化为能够反映生物组织吸收结构和分布的可视化图像。基于不同生物组织的光吸收差异,当激发光强度均匀且稳定时,光声成像反映的就是该物质对于该波长光的吸收特性。本文中,我们基于导管式的血管内光声断层扫描平台结合多波长激发的光声成像算法开发了基于光谱编码的血管内光声组分成像系统,实现了在离体血管斑块中脂质组分的定量成像,高分辨获得了脂质核心的大小形态和边界信息,表征了斑块内的脂质相对含量。     

基于光声和LIBS双模态成像技术在生物医学中的发展现状及趋势

光声成像和激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是近些年在成像领域发展非常迅速的两种技术,在医学影像学方面有着巨大的潜力。当激光照射到组织时,组织表面会同时产生光声信号和等离子体,光声信号携带着生物组织内光吸收的特征信息,等离子体特征光谱也可以示踪组织内的元素信息。本文总结了两种技术的研究背景和成像原理,然后,通过对光声成像和LIBS成像模式进行分析,进一步展现了两种技术结合的可能性,并介绍了它们在病理切片成像和组织金属元素示踪等领域的应用。最后,我们对两种技术结合的双模态成像系统进行了深入的探讨和展望,以期其在医学诊断和图像领域发挥重要作用。     

全光学光声/OCT双模态成像系统及其应用

本文提出了一种新型的全光学光声/OCT双模态成像系统。该系统利用同一个低相干迈克尔逊干涉仪即可实现非接触式光声成像和OCT于一体,系统装置结构简单,可同时获取生物组织的吸收与散射结构信息。通过模拟实验证明了该双模态成像系统的可行性及成像能力,并对活体小鼠耳朵同时进行光声/OCT成像测试,实验结果表明非接触式光声/OCT双模态成像系统可以实现生物组织内的微血管及散射结构的高分辨率成像。进一步地,我们将光声/OCT双模态成像系统应用于基底细胞癌的检测中,获得了初步的研究结果,表明了该系统在皮肤肿瘤诊断中的具有潜在的应用价值。     

半导体型单壁碳纳米管用于近红外二区(NIR-Ⅱ)深层组织光声成像

传统光声成像外源对比剂的光吸收主要集中在可见光区和传统近红外区(NIR,750～900 nm),开发具有更高光学组织穿透能力的近红外二区(NIR-Ⅱ,1 000～1 700 nm)光吸收外源对比剂对活体深层组织光声成像具有重要意义。本文中,作者选取了光吸收峰在1 000 nm左右的半导体型单壁碳纳米管为近红外二区光学吸收外源对比剂,测试了其在近红外二区激光激发下能够产生较强的光声效应。进一步地,作者通过将该纳米材料包埋在仿体组织的不同深度的位置,获得了仿体组织的深层光声成像,成像深度可达1.5 cm。试验结果表明,具有近红外二区光吸收能力的半导体型单壁碳纳米管在活体深层组织光声成像中有很大的应用潜力。     

光声成像造影剂的研究进展

光声成像(PAT)是利用光声效应获得生物组织或材料的断层图像或三维立体图像的一种成像方法,它兼具光学和声学成像的优点,从而成为目前比较有应用前景的一种成像模式。光声成像造影剂是光声成像的对比增强剂,它通过改变局部组织的声学和光学特性,提高成像对比度和分辨率,从而显著增强光声成像的成像效果,成为当前生物医学领域研究的一个热点。目前常见的光声成像造影剂主要有金纳米材料,碳纳米材料,染料相关纳米材料以及其他纳米材料,这些材料有它们独特的优势,它们尺寸小,稳定性好,具有良好的生物相容性,但在临床应用时本身又存在一些问题。本文综述了光声成像造影剂的种类并简要概述了其研究进展,并对其未来在生物医学领域的应用前景做了进一步展望。     

窄等离子体吸收谱线宽度的纳米金锥用于光声成像

无损光声成像技术结合了纯光学成像高选择特性和纯超声成像中深穿透特性的优点,克服了光散射限制,实现了对活体深层组织的高分辨、高对比度成像。该成像技术对内源物质例如脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白、黑色素、脂质等进行成像,提供了活体生物组织结构和功能信息,已经在生物医学领域表现出巨大的应用前景。然而,很多与病理过程相关的特征分子的光吸收能力较弱,在活体环境中难以被光声成像系统所识别,从而限制了光声成像技术的应用范围。基于功能纳米探针的光声成像-光声分子成像极大拓展光声成像的应用范围,可以在活体层面对病理过程进行分子水平的定性和定量研究,将为实现目标疾病的早期诊断提供强大的技术支持。本文发展在近红外具有窄吸收线宽(半高宽仅为60 nm)的纳米金锥作为新型的光声探针。通过选择不同径长比的纳米金锥,可以任意调节纳米金锥的吸收峰。通过调谐激光器的波长,可实现对不同吸收峰纳米金锥的选择性激发。纳米金锥将有可能用于多光谱光声成像,实现对不同靶标的目标分子探测。     

植物叶片的相位解析光声光谱和光声相位谱

用相位解析法获得的未损伤植物叶片叶肉组织的光声光谱,与叶片的光声相位谱进行了比较．发现植物叶片的光声相位谱与叶绿体光吸收带之间呈现互补关系．叶片表皮的光声相位谱存在持有的波谷结构．不同调制频率的光声相位谱有较大的差异．这些现象表明光声相位谱与光声光谱一样,也可对未损伤的层状生物样品作深度剖面分析．     

一体化的光声-荧光显微镜用于活体肿瘤成像

报道了一种利用单一波长激发的同时产生光声和荧光信号的显微成像系统,本成像系统具有超高的成像分辨率(<6μm)。借助外源的造影剂在近红外的吸收特性,利用光声-荧光显微成像系统对活体肿瘤进行光声/荧光成像。实验结果表明,光声-荧光显微镜在早期肿瘤的成像和检测等方面具有潜在的应用价值。因此,通过研究和选择适当的双模态造影剂,该系统在不同病理模型中可以提供更准确的组织信息及生理参数。     

适用于植物光合作用的光声池设计研究进展

光声光谱检测可很好地应用在植物光合作用的研究领域,可更有效于传统检测方法并已在大量检测研究中得以证明。在一套光声光谱仪检测装置中,光声池是其核心部件,其设计好坏直接影响着实验的结果。文章阐述了适用于植物光合作用的光声池的设计方法及其需要关注的关键问题;展望了植物光合作用的光声光谱检测与其他检测方法联用的重点及其研究方向;提出了光声池设计中应着重关注其活体实时在线检测及其相关技术问题。     

基于环形阵列探测器的快速光声成像

构建一套基于环形阵探测器的快速光声成像系统用于生物组织的结构成像。该系统以环形阵探测器探测光声信号,采用八通道的采集系统采集光声信号,再利用有限场滤波反投影算法重建光声图像。利用埋有铅笔芯的琼脂样品来测试该系统的分辨率,利用离体猪眼和在体老鼠头部血管成像来验证系统的成像能力。实验结果表明,该系统能方便快速地实现生物组织的结构成像,有望实现早期乳腺癌的临床检测应用。     

生物组织光声粘弹显微成像

提出一种反演生物组织粘弹信息的新型无损光声粘弹显微成像方法,它是以强度调制激光作为激发源,通过检测光声（Photoacoustic,PA）信号的相位重建组织粘弹特性分布的成像方法.实验利用不同浓度的琼脂样品来验证光声粘弹显微测量中相位随浓度变化的依赖关系.利用埋有头发丝的琼脂样品来测试这种显微方法的成像分辨率.利用具有不同粘弹性的离体生物组织来验证系统的成像能力.实验结果表明,这种新方法能够高分辨率和高对比度地重建出具有不同粘弹性的生物组织的光声粘弹显微图像,有望实现组织结晶类病变水平的显微在体检测.     

基于非线性热扩散效应的亚衍射极限光声二次谐波显微成像技术

本文提出了一种基于非线性热扩散效应的光声二次谐波显微SH-PAM成像技术,用于实现亚衍射极限光声成像。生物组织受到强度调制的高斯激光束辐射时,组织吸收光子形成高斯分布的温度场,由于热扩散系数非线性热效应引起的非线性光声PA效应,从而产生光声二次谐波信号。模拟和试验结果均表明,重建后的光声二次谐波成像的横向分辨率超过了传统光学成像分辨率。本文通过仿体样品验证了该方法的可行性,并且对人表层皮肤细胞进行了成像,以证明其对生物样品的成像能力。该方法扩展了传统光声成像的范围,为超分辨成像开辟了新的可能性,为生物医学成像和材料检测提供了新的方法。     

基于光学相干检测的非接触全光学光声显微镜

报道了一种非接触、宽频带、联合微型激光器和低相干迈克尔逊干涉仪的全光学光声显微镜(BD-AOPAM)、光学相干层析系统(OCT)的硬件用于光声信号的检测。目前全光学光声显微镜可检测到的带宽为67 MHz,用碳纤维测得系统的横向分辨率可以达到10.8μm。进一步的,利用包埋头发丝的模拟样品和在体小鼠耳朵血管来验证系统的成像能力。实验结果表明,这种全光学光声显微镜可以在体的实现组织高分辨率的成像,有望成为一种便携式非接触的光声显微镜应用于生物医学当中。