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《基于光声、热声技术的脑组织结构及功能成像》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、中国科学G辑:物理学力学天文学2007年第37卷增刊:101~109《中国科学》杂志社http://www.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS基于光声、热声技术的脑组织结构及功能成像*杨思华邢达向良忠(华南师范大学激光生命科学研究所暨激光生命科学教育部重点实验室,广东510631)摘要根据不同组织的光及微波吸收差异,利用光声成像在体观测了小鼠脑皮层血管的分布结构,对由外部针刺所致的脑损伤及脑皮层出血进行高分辨的成像,并利用血管光声信号的强度反映血容量的变化,实现光声脑缺血检测.应用热声成像对小鼠
2、脑部金属异物进行定位检测,结合光声脑皮层血管损伤成像,实现快速异物定位及组织损伤检测双结合的功能成像.实验结果表明光声、热声成像既能显示生物组织的形态结构,又能进行组织内部异物的检测,有望发展成为新型的脑功能成像技术.关键词光声成像热声成像脑血管脑损伤脑缺血异物检测纯光学成像(荧光成像、光学散射成像和光学相干成像等)往往随着光穿透组织深度的增加、光在组织中的强散射性造成其成像空间分辨率迅速下降,很难应用于深层组织的医学研究和疾病诊断.而临床常用的超声成像利用超声辐照于人体,在体内传播过程中遇到声阻抗变化的界面时发生反射,利
3、用反射回来的回波形成图像,但对于早期病变部位其成像对比度很低.X射线技术是借助X射线通过人体时,各部分组织对X射线的吸收差异产生不同的阴影所形成的图像,但采用对人体有害的射线作为内部信息的载体进行成像,可能会导致癌变几率的增加,严重限制了其应用.核磁共振成像是研究以不同的射频脉冲序列对组织激励后,用线圈检测技术获得组织弛豫信息与质子密度信息的成像技术,它对人体无损伤,能实现功能成像,但设备成本造价高、使用及维护费用昂贵,无法实现小型化.因此,研究和发展一种低成本的、具有高对比度和高分辨率的无损医学成像方法,是临床医学领域亟
4、待解决的问题.光声、热声成像技术是分别以脉冲激光和脉冲微波作为成像激发源,基于生物组织内部[1,2]光吸收差异和微波热吸收差异,以超声作为信息载体的非电离化的新兴医学成像方法.利用对人体无害的光或微波作为激励源,真正实现无损的检测成像.以超声信号作为信息载体决定了它的产生和传输与组织散射特性都没有直接关系,因此,其成像精度取决于超声探测收稿日期:2007-05-20;接受日期:2007-08-28国家自然科学基金(批准号:60678050,30470494,30627003)和广东省自然科学基金(批准号:015012)资助
5、项目*联系人,E-mail:xingda@scnu.edu.cn102中国科学G辑物理学力学天文学第37卷器的特性和图像重建算法并不受组织的强散射特性的影响.光声成像有机地结合了纯光学成像和纯超声成像的特性,用超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子,可提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像,图像的对比度真实地反映生物组织内部的光吸收差异特性.相对于超声成像,它能反映声阻抗相同但光吸收特性不同的组织信息.而热声成像利用微波作为激发源,能进一步提高组织的成像深度,由于微波的吸收率直接与某些组织特性如离子电导率和
6、水分含量相关,所以由热声信号就可以得到组织对电磁波吸收的信息,重建出电磁波吸收或热声压力的分布.光声、热声成像由于其完全非侵入性、无损性、非电离化辐射以及能提供组织中各种化学组分的功能信息,因此,光声、热声成像目前已成为医学成[3~6]像领域的研究热点.生物组织的光或微波吸收特性与生物组织结构功能和病理特征紧密相关,通过测量组织的光吸收参数的变化和含水量差异的改变,光声、热声成像能够提供生物体生理状态变化的信[7]息.Yamazaki等人采用后向探测对大鼠烧伤的皮肤进行了成像,可以根据重建的图像来测量[8]获得皮肤烧伤深度
7、.Wang等人采用侧向探测对大鼠的肾脏进行成像,可以清晰地分辨肾脏[9][10]不同的组织层.Kolkman等人利用双环探测器在体地测量了兔子耳朵的血管直径.Xu等人利用微波激发热声成像,得到二维的猴子脑部组织的热声重建图像.根据组织的吸收信息与生理参数的内在联系,建立光声、热声信号强度与相应的生理学参数的对应关系,能够定量推[11][12][13]译出组织的血色素或葡萄糖的浓度,血氧饱和度等.这些实验结果都大大促进了光声、热声成像的临床应用发展.1光声、热声成像原理及图像重建算法当用脉冲激光或微波照射生物组织时,组织中吸
8、收体吸收电磁波能量引起温升,温升导致组织热膨胀而产生压力波(超声波),这就是光声或热声效应.光声、热声波将穿过组织向外传播,通过放置在吸收体周围的超声换能器去探测各个方向的光声、热声压,采用一定的投影算法进行图像重建,就可得到组织的光或者微波吸收分布图像,这就是光声、热声成像的基本原理.光声或热声效应给
