佩戴式光声脑功能成像技术

Photoacoustic imaging (PAI), a novel hybrid imaging modality, has shown extensive applications in brain research. However, current PAI systems study anesthetized small rodents which are highly restricted. The applicant and collaborators have successfully developed a new miniature two-dimensional photoacoustic computed tomography system that could be mounted in an awake and restricted mouse brain. Due to the limited directivity and response bandwidth of the transducer, the imaging field is limited, there remains serious distortion in off-center area, and only large blood vessels could be imaged. Based on our previous research, in this proposal, we propose a new compound acoustic lens that can prodigiously enlarge the directivity of the transducer and thus improve the imaging field as well as reduce the off-center distortion. In addition, by using multi-layer polymer piezoelectric material, we can develop an acoustic transducer with an ultra-wide bandwidth which provides multiscale imaging capability to cover large, moderate and small size blood vessels. Furthermore, a finite-element-based reconstruction method coupled with multi-spectral strategy is able to derive quantitative functional parameters in the brain. In sum, we will develop a new real-time functional photoacoustic brain imaging technique for freely-moving mouse with a large field of view and high image quality.

光声成像作为一种新型混合成像模式，在脑科学的研究中发挥了极其重要的作用。然而，目前大部分光声脑成像技术的研究对象都是处于麻醉状态下的动物，无法在动物自由移动的状态下进行成像研究。前期，申请人和合作者已成功研制出了一套可佩戴在小鼠头部的二维光声层析成像系统。但是，由于超声换能器有限接收方向角和响应带宽的限制，此系统只能在有限脑区域，针对大血管进行高质量成像，并且，图像离心失真现象较为严重。本项目中，申请人在前期研究基础上，研发了一种新型的复合声透镜，此透镜能大幅度地增大超声换能器的接收方向角，有效扩大了成像区域并减小了离心失真；同时，引入基于多层结构高分子压电薄膜的超宽带超声换能器，能够同时对大、中、小血管进行高质量成像；通过基于有限元的多光谱光声定量重建算法，提取脑部的功能性参数。最终，构建在自由移动状态下，小鼠脑部大视野、高质量的光声实时功能性成像新技术。

本项目针对脑科学研究中对小鼠在自由移动状态下成像的需求，提出了一种佩戴式光声脑功能成像技术，建立了一种基于结构与功能性光声参数的脑功能分析方法。该成像技术具有小型化、头戴式、高分辨率和快速成像的特点，可对清醒自由活动状态小鼠实时成像监测。本项目主要研究内容包括复合透镜制作、超声换能器阵列研制、可佩戴式实时光声脑功能成像系统搭建，及光声脑功能成像参数定量提取与分析。围绕这四个目标开展的研究分别为：1)优化制备复合声透镜的材料，提高了光声信号的信噪比；2)采用聚偏氟乙烯电薄膜研制了超声换能器阵列，提高了其接收宽带和接收方向角；3)利用微机电(MEMS)扫描器件尺寸小、速度快、性能稳定等优势实现了光声系统的小型化，成功研制了小鼠头戴式实时光声脑功能成像系统，开展了活体成像实验研究；4)基于大鼠和小鼠脑成像结果，构建了光声多参数算法，建立了光声脑功能影像分析方法。为实现自由活动下的脑成像，首先基于MEMS搭建了手持式成像系统，重量低至20g、尺寸仅为22 mm×30 mm×13 mm、分辨率高达3.8 μm，开展了大鼠脑缺血、休克、癫痫模型及人口腔组织成像研究。然后，进一步优化各部件设计，实现了大鼠自由移动状态的脑功能成像，头戴式显微镜降至8 g。紧接着，我们继续优化光路设计，选择更小尺寸的光耦合与扫描器件以及光声信号探测器，最终实现了小鼠自由活动状态下的长期脑活动成像，该头戴式显微镜的重量仅为1.8 g。基于癫痫模型，我们提取了血液动力学参数和与神经活动相关的脑电参数，成功建立了基于这些参数的脑功能影像方法。本项目研究内容，为脑成像研究提供了一种新型影像学手段，提供了更接近人类自然发病过程的模型和相关分析方法。在该项目的资助下，我们总共发表了SCI收录期刊论文36篇、非 SCI 收录期刊论文3篇，会议论文3篇、申请中国专利3项，培养学生10名。项目总体按原计划执行，成果超过预期水平。