基于内窥定量光声断层成像的宫颈腺癌早期检测研究

Since can't be detected effectively by the existing early anti-cancer screening technology, the treatment effect of the cervical adenocarcinoma is quite poor. The imaging techniques for optical parameter have been proved to be sensitive in the detection of cervical adenocarcinoma. The major obstacle that hinder these technique from clinical application is the inadequate penetration depth, and the relationship between the optical parameters and lesion development is not established yet. Combining the anatomical characteristics of the cervical adenocarcinoma and high penetration depth of photoacoustic imaging relative to optical imaging, a endoscopic photoacoustic probe for cervical canal will be designed in this project to reduce the depth requirement of cervical optical parameter imaging. The penetration depth of endoscopic photoacoustic imaging also will be improved by increasing the laser emission energy and using a quantitative reconstruction algorithm. The endoscopic photoacoustic will be combined with tissue biopsy, the former will be used to position the lesion, the latter will be employed to assess the development of lesion. Extensive experiments will be carried out to establish the relationship between the optical parameters and lesion development. The combination of endoscopic photoacoustic probe and optical characteristic analysis for lesion development will provide an effective early noninvasive imaging detection method for cervical adenocarcinoma.

由于缺乏有效的早期检测手段，宫颈腺癌的临床治疗效果较差。研究表明，针对光学参数的成像方法对宫颈腺癌检测具有较高的灵敏度。但由于宫颈腺癌早期病灶位于离体表较远的宫颈管内，现有光学参数成像技术检测深度的不足成为了其临床应用的瓶颈，并阻碍了早期宫颈腺癌发展阶段与光学参数对应关系的建立。为此，本项目将结合宫颈腺癌解剖特点和光声成像高穿透深度特性，设计宫颈管光声内窥探头，以降低宫颈光学参数检测对成像深度的要求；同时从激光发射强度和定量重建两方面对现有内窥光声成像技术进行改进，进一步提高其成像深度。在此基础上，本项目拟将成像检测与宫颈组织样本病理切片紧密结合，利用前者进行病灶定位以辅助活检取样，基于后者对病灶的发展阶段进行准确评估，通过充分的实验建立宫颈腺癌早期病灶各发展阶段的成像参数特征。内窥光声探头与病灶发展阶段光学参数特征分析的结合将能为早期宫颈腺癌提供一种有效的无损影像学检测手段。

宫颈肿瘤的异常扩张需要密集血管支持，而血液中的血红蛋白对特定波长的光具有强烈的吸收作用，从而导致肿瘤具异常的光吸收系数。光声成像同时具有光学成像的高灵敏度和超声成像的高分辨率和相对较高的成像深度，因此是一种较有潜力的宫颈肿瘤检测手段。针对光声成像的成像深度仍不足以从体外对宫颈进行成像的问题。本项目设计并实现了一种针对宫颈管肿瘤的内窥光声成像探头。利用微型超声探测器和外置的驱动系统，该探头直径被缩小至8 mm。该探头通过双层壳体结构避免了信号线和光纤的旋转扭曲，并提供了全向无遮挡的扫描视野。为了确定探头中定制微型超声探测器的参数，本项目提出了一种基于超声探测器孔径面元动态细分和面积积分的声场仿真算法。该算法通过动态细分分离了孔径面元空间脉冲响应函数中的高低频成分，以阶梯函数近似低频成分为代价用面积积分精确描述了高频成分。与已有方法相比，所提出方法显著降低了保存空间脉冲响应函数高频成分所需要的采样率，有效的降低了计算量。此外，本项目通过算法的GPU并行化进一步提高了计算效率。为了解决声学分辨率光声内窥成像中在远离焦距区域横向分辨率急剧恶化的问题，本项目提出了一种基于超声探测器孔径分割的声学分辨率光声内窥成像算法。通过利用探测器孔径各位置上的数据来重建一个像素，该算法有效降低了偏离焦距的成像区域中横向分辨率的恶化。为了验证光声成像对宫颈肿瘤的检测效果，本项目还使用来自人体的正常宫颈组织与不同分期的宫颈肿瘤组织进行了光声成像研究。结果表明光声成像所获得的正常宫颈组织和宫颈肿瘤组织的平均光吸收量具有统计学意义上的差异；不同宫颈肿瘤组织的平均光吸收量之间同样存在统计学意义上的差异。本项目从硬件设备搭建、成像仿真算法和离体样本检测三个方面对光声成像在宫颈癌检测中的应用进行了初步的研究，其研究成果能够为宫颈癌的光声成像检测提供重要的指导作用。