超短脉冲微波热声极性分子成像及其应用基础研究

Thermoacoustic imaging in particular ultrashort microwave-induced thermoacoustic imaging is a noninvasive imaging technique with high resolution and high penetration depth, has a great value for scientific research and has broad clinical prospects. For the first time, this project proposed the method of endogenous biological molecules for noninvasive thermoacoustic imaging. This technique is based on the fact that a portion of polar biomolecules have large dipole moment and polarizability, which result in strong microwave absorption. These molecules can be used as a contrast agent to enhance the contrast of thermoacoustic imaging and improve the detection sensitivity. The peak frequency of microwave absorption of molecules could be obtained by the calculation and analysis of dielectric relaxation. Meanwhile, biological polar molecules has the character of good biocompatibility and is biodegradable, it is a good tracer for biomedical imaging. Diseased tissue of the body usually has a metabolic disorder, these polar molecules can also be modified to regulate their response to the biological environment and obtain the targeting character, and hence provide a feasible method for functional thermoacoustic imaging and early detection of diseases.

热声成像特别是超短脉冲微波激发的热声成像是具有高分辨率、高穿透深度的新型无损成像技术，具有极高的研究价值和广阔的临床应用前景。本项目开创性的提出了基于内源性极性生物分子的无损微波热声分子成像技术。该技术根据部分生物分子具有较大的偶极矩和极化率而导致较强的微波吸收的原理，利用极性生物分子作为成像造影剂增强热声成像对比度，提高检测灵敏度。通过理论模型分析计算分子介电弛豫特性与微波峰值吸收频率的关系，优化波长及目标生物分子的选择。同时，结合生物分子具有可降解性及良好的生物相容性的特点，利用极性生物分子作为示踪剂，通过表面修饰实现分子靶向性，根据其在机体内病变组织处具有代谢异常及靶向聚集的特点，开展热声功能成像和早期疾病检测的基础研究。

热声成像特别是超短脉冲微波激发的热声成像是一种新型的无损成像技术，具有高分辨率、高穿透深度的优点，有极高的研究价值和广阔的临床应用前景。利用极性分子作为示踪剂，通过表面修饰实现分子靶向性，利用其在机体内病变组织处具有代谢异常及靶向聚集的特点，热声成像在生物机体功能和早期疾病检测中具有重要的应用价值。.本项目研究了基于内源性极性生物分子及外源性极性分子的微波热声成像技术。极性分子具有较大的电偶极矩和极化率而导致较强的微波吸收，利用极性分子作为成像造影剂能够增强热声成像对比度，提高检测灵敏度。项目开展了极性生物分子热声对比剂研究，通过理论分析计算及实验验证证明了诸如氨基酸，蛋白质等偶极矩分子具有强的微波吸收系数，能够用作高对比度热声成像对比剂。通过理论模型分析计算了分子介电弛豫特性与微波峰值吸收频率的关系，优化了微波激发波长及目标生物分子的选择。开展了填充铁的纳米碳管复合结构离子微波吸收作肿瘤热声成像及核磁成像对比剂的研究，获得了比纯纳米碳管高的微波吸收效率。.开展了生物组织超短脉冲微波热声成像及肿瘤成像研究，系统评估了微波辐射剂量及成像视野、分辨率等性能指标。实验结果显示微波源的穿透深度足够深，能够很好的成像直径约7cm的动物乳腺组织三维图像，能够高对比度的检测到离体乳腺肿瘤。开展了基于逆压电效应的高灵敏度微波探测及高分辨率成像的新方法，利用脉冲微波激发压电材料，基于逆压电效应产生强的声波发射，实现了微波探测灵敏度2个数量级的提高，打破了传统天线探测技术的尺寸限制，提高了测微波透射成像分辨率。.开展了基于石墨烯织物电极的生物电信号探测研究，合成了柔性聚酯纤维基底石墨烯织物电极，克服了传统电极的生物毒性及长时间使用的信号衰减，实验结果表明石墨烯电极的检测灵敏度、噪声、舒适性及时间稳定性均高于目前商用Ag/AgCl电极。开发了穿戴式心电信号采集及智能分析系统，便携终端通过蓝牙无线通信实时采集人体心电信号并上传到平板电脑智能终端，进行数据的处理并提供异常预警。.项目执行期间发表论文9篇，其中，以第一作者及通讯作者发表论文6篇；授权国家发明专利3项，授权实用新型发明专利1项，实审中的国家发明专利2项。国际会议作报告2次，获广东省优博，广州市珠江新星，河北省教育厅青年拔尖人才，第二届中国“互联网+”大学生创新创业大赛优秀指导教师荣誉称号总计4次。培养毕业硕士研究生2名。