用于手指骨关节炎早期诊断的双模式成像系统

Due to the limitations of current clinical imaging techniques, we need a non-invasive, safe and economic imaging technique for the early diagnosis of osteoarthritis. The results of previous research indicated that the optical properties of tissues such as optical absorption and scattering were associated with osteoarthritis in the early stage. Among various optical imaging modalities, photoacoustic imaging that owns high spatial resolution is extremely sensitive to optical absorption of tissues. However, it is hard to recover optical scattering coefficient of tissues by photoacoustic imaging. Through diffuse optical tomography, we can recover both optical absorption coefficient and optical scattering coefficient of tissues simultaneously. While, due to the limited spatial resolution, diffuse optical tomography is hard to resolve the major structures of finger joint. Therefore, in this project, we propose to develop a hybrid three-dimensional imaging system that integrates photoacoustic imaging and diffuse optical tomography in one platform for the diagnosis of finger joint osteoarthritis in early stage. In this system, photoacoustic imaging provides the major structures of finger joint such as phalanxes, tendons, blood vessels and joint capsules. Then the prior structural information will be used to guide the quantitative reconstruction of diffuse optical tomography to obtain optical absorption coefficient and optical scattering coefficient of different structures in high resolution. After the evaluation of both the system and algorithms via phantom experiments, we will collect the clinical data from both healthy volunteers and patients with early-stage osteoarthritis. Through the analysis of the data, we will develop a new diagnostic method based on both structures and optical properties of finger joint for early-stage osteoarthritis.

在当前医学影像手段中缺乏一种无损、安全、经济的技术手段来对骨关节炎进行早期诊断。研究表明，早期骨关节炎通常会引起关节中主要结构的光学吸收与散射系数的变化。在众多光学成像方式中，光声成像不仅对光学吸收系数的变化具有极高的灵敏度，同时继承了超声成像高分辨率的特点，但目前仍无法通过光声成像重建光学散射系数。而扩散光层析成像能够同时重建出光学吸收与散射系数，但是其毫米级的成像分辨率无法满足临床应用的需求。为此，本项目提出将三维光声成像与三维扩散光层析成像进行融合，研发出一套用于手指骨关节炎早期诊断的双模式成像技术。在本项目中，光声成像用于对手指关节中指骨、筋腱、血管、关节囊的三维结构成像，通过高分辨率三维结构的导引，提高扩散光层析成像的分辨率。通过对健康人手指关节与病人手指关节光学参数的分析、比较，建立一种基于关节主要结构光学特性的早期手指骨关节炎的诊断方法。

本项目针对临床骨关节炎早期诊断技术的迫切需求，提出了一种用于早期骨关节炎诊断的光声成像/扩散光层析成像双模态成像技术，建立了一种基于关节主要结构光学特性的早期关节炎的诊断方法。该成像技术具有高分辨率，高灵敏度，无损且低成本的特点，为临床诊断提供了新技术。本项目主要研究内容包括光声成像/扩散光层析成像双模态成像系统的研发，光声、扩散光层析成像重建算法的建立，手指关节数据的收集与分析。研究围绕三个具体目标展开，分别为：1）优化成像系统，实现光声数据的快速采集和重构，获得亚微米级别的高分辨率图像；2）利用光声成像提供的手指远端指关节的结构信息与基于有限元的扩散光层析成像算法，对手指关节各个组成部分进行光学吸收与散射系数分布的高分辨率重建；3）分析50例健康手指和100例早中期关节炎患者手指关节主要结构的光学特性，建立适用于早期手指关节炎诊断的评估方法。项目进行过程中，我们首先简化球形三维光声成像系统，以圆柱形扫描代替球形探测，获取了手指关节血管、筋腱、指骨及关节囊的高分辨率图像。此外，我们研制了基于液体透镜的超声换能器，大幅度改善了成像质量。更进一步，我们通过光声成像获得的结构信息引导定量扩散光层析成像重建，获得了高分辨率的手指关节的光学吸收和散射系数的分布图。最后，我们收集和分析了健康手指关节与早中期关节炎患者手指关节数据，通过评估手指关节各个结构的光学吸收、散射特性，成功建立了一套适用于早期手指关节炎诊断的新方法。在该项目的资助下，我们总共发表了SCI收录的国际学术期刊论文24篇（包含中科院大类一区2篇，中科院大类二区19篇，其中第一标注12篇）、会议论文6篇，申请中国专利3项，培养学生7名。项目总体按原计划执行，成果超过预期水平。