基于频域参量光声成像机理及在生物组织微结构表征中的应用

The change of the microstructural characteristics of biological tissue is the one of the important basis of medical evaluation. Photoacoustic imaging technology is currently the most potential medical imaging technique. However, the resolution of photoacoustic imaging based on time domain parameters is limited due to the minimum wavelength of photoacoustic signal accepted by the system, which induces the difficulty to effectively reflect the microstructural characteristics of biological tissue. Now, many experimental results show that the characteristic of the frequency spectrum for photoacoustic signal can reflect the microstructural characteristics of biological tissue, which is similar to the characteristic of the frequency spectrum for ultrasonic echo signal. So far, the mechanism of photoacoustic imaging based on frequency domain parameters is not clarified, and the relationship between the frequency domain parameters of photoacoustic signal and the microstructural characteristics and functional characteristics of the biological tissue is not clear. In addition, the coefficients of photoacoustic imaging system based on frequency domain parameters should be optimized. In this project, we will make the theory analysis, computer simulation, the physical model experiments and biological experiments to clarify the relationship between the frequency domain parameters of photoacoustic imaging and the microstructural characteristics of biological tissue. On this basis, we will construct the photoacoustic imaging system based on frequency domain parameters, and optimize the coefficients of the photoacoustic imaging system. We will further apply the photoacoustic imaging system based on frequency domain parameters in actual biological tissue imaging, and explore the potential applications of the imaging system in biomedical areas.

生物组织微结构特征的变化是医疗评估的重要依据。光声成像技术是目前最具潜力的医学影像技术之一。由于分辨率受限于接受系统所获得光声信号的最小波长，基于时域参数的光声成像很难有效地反映生物组织内部微结构特征的变化。实验研究表明光声信号的频谱特性参数能够反映组织内部的微结构特征。但是，基于频域参量光声成像的机理至今没有澄清，频域成像参量与生物组织微结构特性与功能特性的对应关系也不清楚，频谱参量光声成像系统的参数选择和优化问题也没有解决。本项目将从理论分析、计算模拟、物理模型实验和生物组织实验等多个不同方面和层次研究频域参量光声成像与组织微结构的关系，阐明频域参量光声成像的机理，构建频域参量光声成像系统，并对频域参量光声成像系统的系数进行优化。在此基础上，将频域参量光声成像系统应用于实际生物组织的成像研究，探索该光声成像系统在生物医学领域中潜在的应用。本项目不仅富有学术意义，而且具有重要的应用前景。

本项目的研究目标是通过理论分析、数值模拟和物理模型实验确定光声信号频谱参数与组织微结构之间的定量关系，从而揭示频谱参数光声成像的成像机理。同时，我们将频域参数光声成像系统应用于实际的生物组织的成像研究，为频域参数光声成像在生物医学领域的应用奠定基础。针对这一研究目标，我们的研究工作从成像理论与算法、仿体实验验证、以及初步的生物医学应用三个层面系统展开。首先，在理论分析层面，我们通过解析求解光声方程，揭示了光声信号频谱参数与组织微结构特征尺度(例如微颗粒直径或者微血管直径)之间存在一一对应的确定性关系，而且即使在低频段这一对应关系仍然成立，这一特性让我们有可能采用低频率、窄带宽光声信号对深层组织中的微结构特性进行评估，克服了传统光声成像分辨率与成像深度之间的矛盾；而且光声频谱参量仅仅与组织微结构特性有关，而与成像系统的设备特性无关，因此我们可以采用光声频谱参数对样品进行定量成像和测量，这一定量成像的优点让我们可能建立不同疾病、不同组织、以及同一疾病不同阶段的定量数据库，这有利于对相关疾病的诊断和对病程的跟踪。其次，在实验研究方面，我们搭建了基于频谱参数的光声成像系统，并采用仿体实验验证了理论分析结果。最后，在生物实验方面，我们将该成像系统和成像理论应用于对牙齿早期损伤的成像，成功地检测出了牙釉质层的微细裂痕。基于频谱参数的光声成像理论是对经典的光声成像理论的重要补充和进一步的发展。而且它还具备传统光声成像所不具有的亚波长成像和定量成像的独特优点。因此基于频谱参数的光声成像不仅具有重要的科学意义，而且也具有可观的生物医学应用前景。