多光谱热光声成像与诊断技术研究

In this project, a new medical diagnostic method named multispectral thermal photoacoustic imaging, the combination of thermal photoacoustic imaging and multispectral imaging, is proposed. This technique utilizes the characters of photoacoustic signal with tissue specific parameters, especially under different temperatures, the optical absorption spectrum, ultrasonic impedance characteristics, and the coefficient of volume expansion are quite different. Therefore, photoacoustic signals measured at different temperatures can reveal important information about tissue composition and pathological changes, the multispectral thermal photoacoustic imaging parametric model will be established. Then using the absorption specificity of different organizations under different wavelengths to obtain their photoacoustic spectroscopy, and optimize the incident light spectrum, the imaging efficiency and scanning speed of this method will be greatly improved. Moreover,this multispectral thermal photoacoustic imaging technique will be used to detect tissue temperature, distinguish organization accurate structure, identify organizational components, image lesions surrounding neovascularization and et al. This technique not only provides the high resolution high contrast tissue structure image for clinical diagnosis and treatment, but also provides many physiological information such as patient tissue temperature,blood oxygen satration, metabolic rate and so on, which can provide useful information and reliable important evidence for photothermal cancer therapy, photodynamic therapy, early clinical prevention, diagnosis and treatment of various skin cancer, breast cancer, caradiovascular and cerebrovascular diseases, and et al. This research will be helpful to reduce our country cardiovascular disease, breast cancer and other diseases morbidity and mortality.

项目提出了一种结合热光声成像技术和多光谱成像技术进行疾病诊断的新方法-多光谱热光声成像技术。该技术利用光声成像产生的光声信号与组织特性的关系，尤其是不同组织在不同温度下光吸收光谱、超声阻抗特性、体积膨胀系数等不同，建立热光声成像参数模型，同时，结合多光谱成像技术，利用不同组织对不同波长光波的吸收特异性，优化入射光谱组合，提高扫描成像速度，进而深入研究多光谱热光声成像技术在实时探测组织温度,分辨组织精细结构、识别组织组分、成像病变组织周边新生血管等方面的潜力。多光谱热光声成像技术不仅可为临床诊断治疗提供高分辨率高对比度的医学影像，还可提供丰富的生理信息如病患组织温度、血氧饱和度、新陈代谢速度等，可有效地提高对皮肤癌、乳腺癌、心脑血管病等疾病的认识和诊断准确率，指导热癌症治疗、光动力疗法等，从而为降低我国相关疾病的发病率和死亡率做出积极贡献。

经3年时间的努力科研工作，项目课题组提出了一种结合热光声成像技术和多光谱成像技术的新方法-多光谱热光声成像技术，建立了多光谱热光声效应的理论参数模型，对不同组分进行了多光谱热光声测试，提出了利用多光谱热光声成像技术识别组织组分、监测组织温度和光声双谱来进行病理研究和疾病预防诊断的新理论与新方法，相关领域研究有所创新，发表相关学术论文8篇，申请发明专利5项。项目的主要研究内容包括：①热光声效应及其成像技术研究；②多光谱光声成像技术研究和优化；③多光谱热光声成像技术研究。取得的主要研究成果包括：1.建立了多光谱光声成像的非保守系统振动模型，证明了光声声谱具有特异性，可利用来进行组分识别；2.建立了多光谱热光声理论参数模型，为热光声探测奠定了基础；3.搭建多光谱热光声实验平台，并进行了相关的实验，包括：提出了多光谱热光声的双谱分析方法，并对仿体、离体组织实验结果进行了双谱分析分析。证明了不同样品的光声信号的时域与频域数据特点各不相同，例如石墨棒-PDMS仿体与离体猪脂肪组织的时域信号与样品本身的成分以及被测物与换能器之间的距离相关，而它们的光声声谱则不受外部系统和环境的影响，只与物质本身的特性相关。4.利用多光谱热光声进行了温度探测研究，包括：以往光声测温方法易受系统和环境的影响，为了提高光声测量温度的精度，课题组提出了一种通过多波长光声测量温度的系统和方法，以减小光声系统包括入射光强、波长、测温距离、测温角度以及气流、杂质等环境因素所带来的测量误差，提高光声测量温度的精确度和稳定性，扩展其测量范围，并进行了仿体和离体组织的多光谱热光声实验，相关内容已申请发明专利。此外，课题组还研究了由于温度变化导致产生的光声信号（超声波）在不同组织中传播速度的差异，为利用光声信号进行高精度温度监测奠定了基础。最后，在高性能光声换能器的研究方面，根据项目研究计划和课题组自身特点，项目团队主要是在光声成像探测用的微型换能器研制方面，成功研制了高性能的高频1-3压电单晶复合换能器，并进行了光声实验测试，为高分辨率光声成像奠定了基础。项目相关研究工作不仅可为临床诊断治疗提供高对比度的医学影像，还可提供丰富的生理信息如病患组织温度、光吸收系数、组织组分等，可有效地提高对皮肤癌和心脑血管病等疾病的认识和诊断准确率，指导热癌症治疗、光动力疗法等。