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可用于光声成像的新型纳米材料研究进展

天津工业大学学报 2015年第5期34卷 12-17页

作者：潘杰汪丽丽刘伟娇张炬辰万冬天津工业大学环境与化学工程学院天津300387

光声成像是通过成像材料将激光能量在热弹效应作用下转化为超声能量,再通过广谱超声检测器检测超声信号并将其转变为图像信息的一种新型成像技术,同时具备荧光成像以及超声成像的优点.本文就基于近红外染料纳米材料、碳基纳米材料、无... 详细信息

光声成像是通过成像材料将激光能量在热弹效应作用下转化为超声能量,再通过广谱超声检测器检测超声信号并将其转变为图像信息的一种新型成像技术,同时具备荧光成像以及超声成像的优点.本文就基于近红外染料纳米材料、碳基纳米材料、无机纳米材料、共轭高分子纳米材料、光声增强型复合纳米材料以及金属纳米材料作为造影剂在光声成像中的应用进行综述.

关键词：光声成像纳米材料近红外染料造影剂

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光声成像结合生物标记分子检测验证耳鸣动物模型的实验研究

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光声成像结合生物标记分子检测验证耳鸣动物模型的实验研究

作者：王思霁重庆医科大学

学位级别：硕士

目的通过白噪声暴露构建一批稳定的耳鸣动物模型,并首次通过行为学及生物标记分子检测相结合的方法去评估一种新型的脑功能成像模式,并有望为耳鸣的研究提供一个客观有效的诊断和检测手段。方法(一)耳鸣造模实验:选取听性脑干反应(Audit... 详细信息

目的通过白噪声暴露构建一批稳定的耳鸣动物模型,并首次通过行为学及生物标记分子检测相结合的方法去评估一种新型的脑功能成像模式,并有望为耳鸣的研究提供一个客观有效的诊断和检测手段。方法(一)耳鸣造模实验:选取听性脑干反应(Auditory brainstem response,ABR)阈值≤25 dB的SD大鼠随机分5组,每组8只,分别给予110dB声强的白噪声持续暴露2小时(N2组)、2.5小时(N2.5组)、3小时(N3组)、3.5小时(N3.5组)、4小时(N4组),于噪声暴露后1天、3天、5天、7天、14天、21天、28天进行ABR及听觉惊跳反射前刺激抑制试验(Gap prepμlse inhibition of the acoustic startle,GPIAS)检测,建立噪声性耳鸣动物模型(Noise-induced tinnitus,NIT)。(二)分组实验:暴露条件为110dB声强的白噪声持续暴露3.5小时,分为暴露后1天组(Day1组)、暴露后21天组(Day21组)、对照组(Control组),每组大鼠4只。Day1组在暴露后1天予以听力学及光声成像(Photoacoustic imaging,PAI)检测后处死取材;Day21组在暴露后21天予以听力学及PAI检测后处死取材;Control组在假噪声暴露(未开启暴露声源)后21天予以听力学及PAI检测后处死取材。三组受试物处死后取听皮层(Auditory cortex,ACx)组织,通过Western blot法检测各组大鼠听皮层c-fos及TNF-α的蛋白表达量;实时荧光定量多聚核苷酸链式反应(Real-time Quantitativa Polymerase Chain Reaction,RT-qPCR)法检测听皮层c-fos及TNF-αmRNA表达量。结果(一)在造模实验中:N3.5组ABR检测结果可见暂时性阈移,GPIAS检测可见N3.5组与暴露前相比,暴露后各个时间节点GPIAS值明显降低(p光声信号值均明显增强,差异有显著统计学意义(p光声成像值仍表现出明显升高,提示光声成像有望为耳鸣提供一个切实稳定的影像学检测手段。

关键词：耳鸣噪声暴露光声成像听性脑干反应听皮层

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光声成像在癌症早期检测和治疗监控中的应用

光声成像在癌症早期检测和治疗监控中的应用

作者：向良忠华南师范大学

学位级别：硕士

光声成像是近年来发展的一种新型无损生物医学成像技术，它结合了纯光学成像和纯超声成像的优点，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。作为新一代的生物医学影像技术，光声成像能够有效的进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组... 详细信息

光声成像是近年来发展的一种新型无损生物医学成像技术，它结合了纯光学成像和纯超声成像的优点，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。作为新一代的生物医学影像技术，光声成像能够有效的进行生物组织结构和功能成像，为研究生物组织的形态结构，生理特征，病理特征，代谢功能等提供了重要手段。围绕光声成像技术在癌症的早期检测和治疗监控中的应用，本研究工作简要论述了光声成像技术的研究进展、基本原理、采集系统和图像重建算法。研究中利用改进的同步迭代算法，重建出了高对比度和高分辨率(60um)的鸡胚胎光声血管图像;成功将光声成像技术应用于癌症的早期检测，为连续监测肿瘤的新生血管化提供了一种新方法;文中还指出可通过光声技术检测癌细胞的扩散;特别重要的是，本工作首次将光声成像技术应用于癌症光动力治疗过程的监控，从而可为癌症的临床治疗提供科学、定量的参考依据。文中还对光声成像技术在分子与功能成像、快速实时三维成像和临床血管监测等生物医学领域的应用前景进行了展望，指出光声成像技术以其独特的优势，不仅可以与传统医学影像技术优势互补，协调发展，还可以与分子生物学相结合，实现靶向性定位的光声分子成像，从而有效检测早期癌症和实时监控癌症的治疗过程。

关键词：生物医学影像光声成像肿瘤早期检测肿瘤治疗监控

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光声成像技术及其实验的研究

光声成像技术及其实验的研究

作者：鲁奎电子科技大学

学位级别：硕士

电子计算机X射线断层扫描技术(Computed Tomography, CT)、超声成像、正电子发射断层扫描技术、磁共振成像作为四大医学影像技术受到各国的重视并得到了迅速的发展，但它们都有着各自的优缺点，近年来出现了一种高灵敏度的无损检测技术... 详细信息

电子计算机X射线断层扫描技术(Computed Tomography, CT)、超声成像、正电子发射断层扫描技术、磁共振成像作为四大医学影像技术受到各国的重视并得到了迅速的发展，但它们都有着各自的优缺点，近年来出现了一种高灵敏度的无损检测技术——光声成像。光声成像结合了纯光学成像和纯超声成像的优点，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像，因此它可以作为研究生物组织结构和功能信息的重要手段。近年来这种成像技术受到了世界各国的重视，得到了快速的发展，不少人将光声成像用于脑成像、乳腺癌探测、骨关节炎探测和血管的血氧饱和度探测等得到了较好的结果。本文主要针对环形光声扫描系统在硬件的选择与设计、重建图像质量的影响因素、层析成像技术以及实验进行了研究，主要包括：（1）在已有的环形扫描光声成像系统的基础上对其技术原理及主要部件的选择进行了说明;设计了用于此系统的小信号放大器，将其用于实验系统中来验证了它的实用性;论述了光声成像的重建算法并将延迟叠加算法用于光声成像系统中。（2）研究了不同尺寸吸收体产生的信号频率;研究了换能器孔径角及其中心频率对重建图像的影响;换能器扫描步长对重建图像的影响;换能器进行有限角度探测的情况下，换能器旋转的圆弧与吸收体放置方向的关系对图像重建的影响。得出了应根据吸收体选择相应中心频率的换能器;换能器扫描角度越大、步长越小，所得到的图像越清晰。（3）论述了CT扫描及其重建方式，并将其巧妙地用于环形扫描光声成像系统中，减少了换能器扫描步长，并用实验的方法验证了它的可行性;论述了压缩感知及全变分去噪模型，并将其用于光声成像中，实现了换能器的单点探测，用仿真的方法说明了它的可行性。（4）分析了光声信号波形与吸收体形状的关系;对比了光声与热声成像的重建图像，为以后多模态成像及图像融合奠定了基础。

关键词：光声成像放大器 CT图像重建压缩感知

光声成像联合一种pH响应分子探针定量诊断胃肠道功能障碍

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光声成像联合一种pH响应分子探针定量诊断胃肠道功能障碍

作者：黄文超厦门大学

学位级别：硕士

胃肠道功能障碍如胃轻瘫,功能性消化不良,肠动力障碍,肠易激综合征等影响着世界上大多数人口,严重损害人们的生活质量并加重医疗保健系统的负担。胃肠运动和pH等功能参数能有效地反映胃肠活动在生理和病理条件下的变化。因此,实时、无... 详细信息

胃肠道功能障碍如胃轻瘫,功能性消化不良,肠动力障碍,肠易激综合征等影响着世界上大多数人口,严重损害人们的生活质量并加重医疗保健系统的负担。胃肠运动和pH等功能参数能有效地反映胃肠活动在生理和病理条件下的变化。因此,实时、无创地定量测量胃肠道功能参数是非常有必要的。目前临床上广泛应用的胃肠疾病诊断方法有X线钡餐检查、超声成像、核素检查、内镜检查等。然而,这些方法在检测胃肠道状况方面的能力有限,难以提供较全面的定量参数信息。光声成像(Photoacoustic imaging,PAI)是一种快速、无创的实时成像技术,在内源造影剂和外源造影剂的协助下能够获取多种功能和定量信息。聚苯胺(PANI)具有宽频的pH响应范围和在近红外区域的强吸收性,因此很有吸引力。此外,PANI具有优异的质子缓冲能力,可以在胃酸和肠液环境中保持良好的稳定性和的重现性,适用于胃肠道疾病的PA成像。三角形金纳米片是另一种出色的PAI造影剂,在近红外二区中显示出强大且可调节的吸收光谱,极大提高了PAI深度。此外,三角形金纳米片对pH的变化不敏感,因此可用做PA信号内参点。同时,具有大表面积的三角形金纳米片显着增加了 PANI的特定附着表面,从而提高了响应速度和灵敏度。因此,可以联合PANI和三角形金纳米片来构建比率PAI造影剂用于胃肠功能参数的定量测定。基于以上分析,本文研制了一种基于PANI和三角形金纳米片的宽频pH响应的比率探针PANI@Au,结合该分子探针,PAI作为一体化技术能够在单次试验中准确检测多种功能参数,有包括蠕动频率、排空时间及pH。具体而言,该纳米探针在1200 nm处的PA信号用于定量测量胃肠道的收缩频率和排空时间;而以PANI为主导的790nm处的PA信号除以三角形金纳米片为主导的1200nm处的PA信号可用于比率测量pH的变化。定量测量结果表明,消化性溃疡期间小鼠胃肠道出现运动功能絮乱和酸含量增多的状况,这与先前的研究结果相一致。因此,PAI与该宽频pH响应的PANI@Au分子探针相结合是一种具有广泛临床应用前景的胃肠功能疾病定量诊断工具。

关键词：胃肠道运动参数 pH 光声成像比率探针

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光声成像技术在针刺疗法的应用

光声成像技术在针刺疗法的应用

作者：李婷婷电子科技大学

学位级别：硕士

针刺在中国有两千多年的应用历史,历代中医在针刺疗法的实践已经证明针刺可以治疗多种疾病。近年来兴起的实验针灸学,其中涉及的研究方法及定性定量的研究结果比传统中医学的经验论在国际上具有更强的说服力。尽管如此,针刺的国际化进... 详细信息

针刺在中国有两千多年的应用历史,历代中医在针刺疗法的实践已经证明针刺可以治疗多种疾病。近年来兴起的实验针灸学,其中涉及的研究方法及定性定量的研究结果比传统中医学的经验论在国际上具有更强的说服力。尽管如此,针刺的国际化进程仍然缓慢,原因在于缺乏理论基础及科学的解释手段。为了推动这项传统医学的国际化,必须利用现有科学技术手段建立起一座连接传统医学与现代医学的桥梁,使针刺机制可视化,推动针刺在理论建立、研究论证、临床推广方面的发展。目前用于研究针刺机制的可视化工具有功能核磁共振,正电子发射断层扫描,脑电图,脑磁图等,但都具有局限性。本文提出将一种新型的生物医学成像技术——光声层析成像应用于针刺机理的研究。光声层析成像技术具有光学成像高对比度优势及超声成像高分辨率的优势,对组织的功能信息检测具有高灵敏度。针刺作用机理很大程度与脑功能动态变化相关,因此本文主要将光声成像技术应用于脑功能成像研究,通过重复性的实验,对比实验动物在针刺前后脑血流变化情况,利用后期的统计分析证明光声层析成像技术应用于针刺机理研究的可行性,并给出利用该项技术得到的针刺涌泉穴时大脑皮层血流变化情况,尝试从血流动力学层面解释针刺作用机制。本文侧重于光声层析成像系统在脑成像及针刺机理方面的实验研究,内容结构为:1、介绍了近年来国内外关于针刺机制的可视化研究进程,对比分析了各种可视化工具在脑成像研究方面的利弊,引入具有相对优势的光声成像技术,简单介绍了其发展历程,重点论述了该技术在脑成像应用领域的研究进展及具有突破性的研究成果;2、由生物组织的光学及声学特性入手,从光与组织的相互作用、超声波在组织内的传播特性、光声信号产生机制解释了光声信号在组织内产生的具体过程,推导了光声波动方程并介绍了该方程基于格林函数的解;3、对光声层析成像系统应用于脑成像的能力进行研究。首先介绍了实验室PAT系统的硬件部分、工作过程、用于完成图像重建的延迟叠加算法。其次制作模拟吸收体及模拟脑皮层血管模型证明了系统进行结构及功能成像的能力,通过离体脑成像实验证明系统对动物脑皮层血管分布进行成像的能力,通过活体实验证明系统进行活体脑成像的能力,为针刺机理的研究奠定了基础;4、利用光声成像系统研究动物接受针刺前后的脑部血流变化情况,分别对单独针刺左涌泉穴、右涌泉穴及同时针刺左右涌泉穴的情况进行了实验研究。对取得的重复性实验数据利用统计分析的方法作假设检验,证明系统应用于针刺机理研究的可行性,这项研究为传统针刺疗法的效果提供了一种可视化的实验判据。

关键词：光声成像针刺机理脑成像血流变化

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光声成像的图像重建算法研究

光声成像的图像重建算法研究

作者：张弛复旦大学

学位级别：硕士

光声成像(又称热声成像)是一种新型的无损医学成像技术。它结合了光学成像高对比度和超声成像高分辨率的优点,适用于肿瘤检测、血管成像、脑部结构和功能成像及流速检测等领域。在光声成像中,先使用电磁脉冲(常用激光或微波)照射待测生... 详细信息

光声成像(又称热声成像)是一种新型的无损医学成像技术。它结合了光学成像高对比度和超声成像高分辨率的优点,适用于肿瘤检测、血管成像、脑部结构和功能成像及流速检测等领域。在光声成像中,先使用电磁脉冲(常用激光或微波)照射待测生物组织,组织受热膨胀后激发出光声波(超声)。超声换能器探测到光声波后,就可采用相应的图像重建算法计算出组织内部的光吸收分布图像。图像重建算法是光声成像的一项关键技术。目前国际上已有不少重建算法的研究报导,但这些算法大都需要一些理想的条件,实用性受到限制。大多数算法需要对光声信号做全角度扫描探测,而且假定待测组织内声速恒定。而实际中往往无法做到全角度扫描,而且组织内声速差异最大可达10%。本文以上述两个问题为主要研究对象,对光声成像的图像重建算法进行理论和仿真研究。本文首先建立了光声成像的计算机仿真平台,为光声成像算法研究提供了重要的分析和验证手段。仿真时先建立待测生物组织的参数模型,然后用蒙特卡罗模拟来仿真组织的光吸收分布,再用时域有限差分法来仿真组织产生的光声信号。本仿真平台对传统时域有限差分法进行了修正,使它更适合于光声成像的仿真,精度高于流行的飞行时间法。本文提出了适用于光声成像全角度和有限角度扫描下的反卷积重建算法。它将成像过程建模为一个线性时不变系统,组织的光吸收分布图像是该系统的输入,由光声信号构造的一个新函数是该系统的输出。这样采用频域反卷积方法就可计算出重建图像。仿真研究验证了算法的有效性。在全角度扫描情况下,反卷积重建法的准确性和抗噪性与流行的时域重建法和滤波反投影法相当,但是速度远快于后两种方法。在有限角度扫描情况下,反卷积重建法的准确性高于时域重建法和滤波反投影法,重建图像的边缘更清晰、伪影更少、抗噪性更强。本文提出一种利用光声信号的相关性来估计声波传播时间的方法,并基于估计的声波传播时间分别修正传统的时域重建法和本文提出的反卷积重建法,补偿了组织的声速不均匀性。这两种修正算法均无需预先知道声速分布,且可直接反向重建出图像,速度快。仿真结果表明,当声速差异低于10%时,这两种算法均有较高的精度,且对随机噪声不敏感。相比而言,修正的时域重建法的精度略高,修正的反卷积重建法的速度更快。由于生物软组织的声速差异通常低于10%,所以这两种算法具有较强的实用性,优于其它的需预先知道声速分布的迭代算法。本文最后分析和比较了三种主流的光声成像模式:前向模式、背向模式和侧向模式。先从物理构造的角度分析了三种模式的基本适用范围,然后进行小鼠胸腔的仿真研究来比较这三种模式的性能。在仿真中,对每种模式都分别选用三种主流算法进行图像重建,并分析、比较重建图像的精度和噪声特性等性质。研究表明,前向模式和背向模式适用于人体平坦区域的快速成像,且最佳成像区域处于离超声换能器扫描线适当的距离;侧向模式适用于人体突出部分的精确成像,且最佳成像区域是超声换能器扫描中心区域。如果需要得到待测区域的高清晰图像,应尽可能选用侧向模式进行成像。若由于物理构造的限制无法进行侧向模式的全角度扫描,则可采用前向模式、背向模式或侧向模式的有限角度扫描来进行成像。

关键词：光声成像图像重建算法计算机仿真有限角度扫描声速不均匀性模式比较

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一种基于光声成像选取最佳声速组的研究

南京大学学报（自然科学版） 2016年第3期52卷 528-535页

作者：叶濛袁杰南京大学电子科学与工程学院南京210093

光声成像是一种新兴的医学影像技术,具有图像对比度高、分辨率高、传递信息量大的特点,在生物医学领域有着广泛的应用.为了达到更好的重建效果,需要补偿声速在生物组织中传播的不均匀性.光声成像的时域反投影重建算法能够改变系统声速... 详细信息

光声成像是一种新兴的医学影像技术,具有图像对比度高、分辨率高、传递信息量大的特点,在生物医学领域有着广泛的应用.为了达到更好的重建效果,需要补偿声速在生物组织中传播的不均匀性.光声成像的时域反投影重建算法能够改变系统声速以及修正接收光声信号的时间,使得重建图像的质量与传播声速的取值密切相关,从而在修改声速的同时得到相应的成像结果.使用时域反投影算法重建图像,根据更新的声速组的搜索范围和搜索步长,采用不同的图像聚焦程度的评价方法,自适应地选取最佳声速组.研究中,对选取最佳声速的过程进行了多组实验,通过逐渐地缩小声速组的搜索范围和搜索步长,根据相应聚焦程度的评价方法,选取出最佳声速组.最终该组的声速值会收敛于正确的声速值附近,实验结果中的最大误差率都小于0.5%.

关键词：光声成像图像重建聚焦程度声速优化

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非接触光声成像研究进展及其生物医学应用

中国激光 2021年

作者：李娇李帅陈冀景路彤高峰天津大学精密仪器与光电子工程学院天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室

光声成像是一种以超声为媒介的功能性光学成像方法，在近年来得到迅速的发展。非接触光声成像技术旨在无耦合液的条件下实现高灵敏、高带宽的光声信号接收与图像重建，其继承了传统光声成像优势，同时提升探测性能并扩展应用领域。本文... 详细信息

光声成像是一种以超声为媒介的功能性光学成像方法，在近年来得到迅速的发展。非接触光声成像技术旨在无耦合液的条件下实现高灵敏、高带宽的光声信号接收与图像重建，其继承了传统光声成像优势，同时提升探测性能并扩展应用领域。本文综述了非接触光声成像的研究现状及应用进展，概述了目前非接触光声成像技术的物理机理及系统结构，介绍了其在无标记术中组织学成像、眼科成像和皮肤光学活检中的特色应用，最后总结了非接触光声成像技术特点以及未来面临的挑战。

关键词：医用光学光声成像非接触功能成像多模态生物医学