光声弹性、粘性定量成像技术及其应用基础研究

The project is based on the photoacoustic viscoelastic imaging model by phase detection (Optics Letters, 2011/2014/2016), and proposes the photoacoustic elasticity and viscosity quantitative separation and imaging technology. Based on the relationship between the rising edge time and the elastic modulus of the photoacoustic signal, and the relationship between phase of photoacoustic signal and the viscoelastic ratio, we can analysis the theoretical model of photoacoustic elastic modulus and viscosity coefficient, and build quantitative photoacoustic elasticity imaging and photoacoustic viscosity imaging. And to develop the biological tissues related to pathology application research or photoacoustic elasticity and viscosity imaging. The quantitative separation technology and imaging method of photoacoustic elasticity and viscosity imaging will characterize the structure and mechanical properties of the organization accurately, making up the deficiency of the existing technology, and have great scientific significance and application value.

项目拟在基于位相检测的光声粘弹成像模型基础上（Optics Letters,2011/2014/2016），创新性地提出光声弹性、粘性定量分离及成像技术研究。将利用光声信号上升沿时间与弹性模量的关系，结合光声信号位相与粘弹比的关系，研究建立光声弹、粘系数定量分离的理论模型，实现定量光声弹性模量和粘性系数的数学解析；建立光声弹性、粘性检测技术与系统，实现光声弹性、粘性多模态成像；开展生物组织及病理相关的光声弹性、粘性多模态成像应用基础研究。光声粘、弹的定量分离技术及其成像方法将可同时定量获取同一组织的弹性、粘性，从而全面准确表征组织的机械力学特性，弥补了现有技术的不足，有极大的科学意义和应用价值。

粘弹性是生物组织中一个重要的物理参数，在生命科学及医学中有着重要而广阔的临床应用和诊断意义。本课题通过理论研究光声信号产生与组织粘弹特性之间的相互作用关系，阐明光声信号上升沿时间、位相与组织粘弹性质的对应数理模型，实现定量光声弹性模量和粘性系数解析，建立以上升沿时间、相位延时为成像对比原理的新的光声成像方法，以成像反映组织的粘、弹特性。项目开展以来：（1）研制搭建了由调制连续激光激发，高灵敏聚焦超声换能器和锁相放大器接收的光声粘弹成像系统，记录受迫光声信号的对应位移的上升沿时间和相位信息，实现了光声粘性、弹性定量成像技术；（2）在此基础上开展新对比原理的光声组织粘弹成像的应用基础研究，特别是开展了对血管内斑块的粘弹特性研究，以求实现斑块纤维化的早期诊断；（3）项目还创新性地将光声吸收成像、光声粘性成像、光声弹性成像结合，同时采集光声信号的强度、对应位移的上升沿时间和相位信息，此方法在同一成像模态系统下，获得三种物理参数的信息，开创光声成像技术在生命科学中新的应用方向和研究领域。.项目执行以来完成了既定研究任务，并在理论和实验系统上开拓了新的研究和应用技术方向。目前项目已完成了光声、光声弹性、光声粘性和光学相干断层扫描成像系统的搭建，正进行实验验证；原创性的光声吸收与粘弹成像系统也在往临床样机上研制试用当中。项目到结题为止总共发表相关研究论文17 篇，包括Chinese Optics Letters、IEEE Transactions on Medical Imaging、Optics Express、Optics Letters、Applied Physics Letters 等，申请国家发明专利项10项，其中授权发明专利3项；在国际国内学术会议上做邀请报告9个。