光声二维谱分析技术及其对生物组织“指纹”识别的深入研究

Photoacoustic imaging (PAI) is a hybrid biomedical technology that has been developed quickly in the last decade. Large majority of current studies on PAI were focused on the measurement of total photoacoustic signal magnitudes which can reflect the overall macroscopic optical absorption and functional information in the target tissue. However, the result from the intensity-based PAI is difficult to be quantified. Moreover, tissue histological microfeatures which also contain diagnostic value are not considered. In this research, the proposed photoacoustic physio-chemical analysis (PAPCA) technique can for the first time systematically integrate multi-spectral photoacoustic measurement technique with photoacoustic spectral analysis technique. To examine the feasibility of PAPCA in biological tissue characterization, we will establish a strict mathematical model, and find the best methods for quantitatively analyzing the two-dimensional physio-chemical spectrogram. Experiments on animal models of liver diseases will also be conducted to understand the characteristic “signature” of each type of tissue or tissue condition on the physio-chemical spectrogram. The photoacoustic platform based on PAPCA, by combining the merits of both light and sound, would allow more comprehensive diagnosis as well as accurate evaluation of disease progression and response to therapy. We expect the sensitivity and specificity of PAPCA could be comparable to the gold standard biopsy and histology, and may lead to a paradigm-shift diagnostic tool and achieve the goal of non-invasive “in vivo biopsy”.

光声成像是近年来快速发展起来的一种基于光声效应的混合模式生物医学成像方法。现有的光声技术主要是通过检测信号幅度，重构强度图像，从而展现样品内的光学吸收分布和功能信息。单纯依赖于信号强度的方法的最大局限性在于成像结果难以量化，丰富的诊断信息没有被充分提取。在本申请项目中，我们提出的光声二维谱分析技术将系统地结合光声光谱技术和光声声功率谱分析技术，能够实现对生物组织内化学成份和物理微结构特征的系统、综合的量化分析。为了探索此技术对生物组织评估的可行性，我们将通过严格的数理模型、量化分析方法和肝病模型的动物实验，研究不同生物组织在光声二维谱上的特征“指纹”。在二维谱分析技术基础上建立的光声检测平台，实现对疾病更加全面、客观、准确的评估，有望部分取代“金标准”的病理化验，实现无创、无辐射的在体“活检”，为包括肝病在内的多种疾病的影像诊断和治疗监测带来革命性的突破。

光声成像是近年来快速发展起来的一种基于光声效应的混合模式生物医学成像方法。现有的光声技术主要是通过检测信号幅度，重构强度图像，从而展现样品内的光学吸收分布和功能信息。单纯依赖于信号强度的方法的最大局限性在于成像结果难以量化，丰富的诊断信息没有被充分提取。在本申请项目中，我们提出的光声二维谱分析技术将系统地结合光声光谱技术和光声声功率谱分析技术，能够实现对生物组织内化学成份和物理微结构特征的系统、综合的量化分析。为了探索此技术对生物组织评估的可行性，我们建立了严格的数理模型和量化分析方法，并通过多种疾病的动物模型和人体样本上的实验，研究不同生物组织和不同疾病在光声二维谱上的特征“指纹”。.在过去四年的研究中，研究工作按照计划顺利进行，研究目标顺利完成。重要结果包括：1）基于超宽带的微环谐振器，实现了对细胞形态的光声谱分析；2）首次提出并实现了光声探针对生物组织的评估；3）建立基于光声探针和光声二维谱分析的前列腺癌检测技术；4）研究基于光谱光声技术实现肠炎和肠纤维化的检测；5）发展基于LED光源的光声成像和检测技术；6）研究经直肠光声在前列腺癌成像和诊断上的可行性；7）研究光声二维谱分析技术在骨评估上的应用。这些研究结果表明，光声成像结合二维谱技术可以实现从细胞到组织的形态、化学、分子分析，实现包括血液疾病、肝病、前列腺癌，肠炎、关节炎、头颈癌、骨质酥松等多种疾病的精确诊断和全面评估。由于光声技术的无创、安全、低成本、易用等优点，光声成像结合二维谱技术可望在今后5年内实现广泛的临床应用。