非相干式光声血流功能遥感关键理论与技术研究.pdf

摘要

从上个世纪90年代末至今，作为一种新型的非侵入、无标记生物医学成像

模态，光声成像（PhotoacousticImaging，PAI）获得了快速发展的机遇，目前已

经成为生物医学领域重要的造影手段之一。在临床前实践或实验室技术开发阶

段，光声成像模态与超声成像模态具有一个共同的特征，即需要利用超声耦合

介质实现探头与成像目标之间的声阻抗匹配，在未来临床应用中将不可避免的

面临如下挑战：（1）没有做到完全地与样本无接触，不适用于开放式组织（如

眼部）及慢性组织损伤（如烧伤）检测，容易造成二次感染；（2）现有的非接

触式光声成像技术主要采用光学相干仪器探测超声传播所引起的相位变化，对

震动、温度变化以及非平整物面所形成相位干扰噪声敏感，容易产生伪影现象；

（3）非相干式光声遥感成像（photoacousticremotesensing,PARS）虽然免于相

位噪声的影响，但是PARS的功能成像技术并不完备，例如目前只能实现血氧

饱和度成像，并未有相关血流功能成像成果报导。

目前利用光声成像进行血流映射的方法多数基于光声多普勒频移，此方法

对流动液体的均匀性具有较高的要求，并且流速测量范围也比较有限。因此，

本文拟在自行搭建PARS成像系统基础之上，对PARS的血流功能成像方法进

行探索研究，具体研究内容包括：

首先，建立并验证基于热扩散原理的光声血流映射热标记方法理论。在合

理近似下（例如假设局域空间温度相对不变），通过集总模型对热扩散方程模

型进行简化，推导光声信号幅值时间变化与流速的关系。关系式中未知参数开

展光声实验进行标定和验证，即利用脉冲光源对流动样本进行加热及超声激发，

在加热的同时利用超声换能器探测光声信号。通过对超声换能器获得的光声信

号进行处理，验证并得出热标记血流映射法的流速测量范围和误差。

其次，将上述接触式的光声热标记法拓展到PARS系统中，推导并实验解

析出光声遥感信号与流速的关系表达式。在搭建PARS系统进行实验解析的过

程中，分别采用两种相干性不同的探测光源及数值孔径大小不同的物镜进行成

像，并对比分析了空间分辨率及探测对比度，实现PARS系统的最优化。基于

优化后的PARS系统及血液仿体对流速测量进行实验标定，得出PARS流速测

量范围为0-12mm/s，及误差为±1.2%。

最后，利用PARS系统进行小鼠耳部血管的活体成像及流速测量实验。活

体成像实验涉及到小动物麻醉机的使用、位移扫描台的使用与小鼠预操作等。

利用PARS系统得到小鼠血管的扫描图像，并利用之前得到的PARS热标记法

关键参数测量不同血管位置的血液流速，并验证流速测量的正确性。

综上，针对当前光声成像的技术限制，本文设计了一种利用PARS系统与

热标记法进行血液流速测量的方式。系统采用近红外光为探测光，避免了超声

换能器的使用，同时，将热标记理论在PARS成像领域进行扩展，为基于PARS

的功能成像提供一种新思路。

关键词：光声成像；光声遥感成像；热标记法；小鼠活体成像

Abstract

Sincethelate1990s,PhotoacousticImaging(PAI),asanewnon-invasiveand

marker-freebiomedicalimagingmode,hasobtainedrapiddevelopmentopportunities

andhasbecomeoneoftheimportantimagingapproachesinthebiomedicalfield.In

thestageofpreclinicalpracticeorlaboratorytechnologydevelopment,photoacoustic

imagingmodalityandultrasonicimagingmodalityhaveacommonfeature,thatis,

theacousticimpedancematchingbetweentheprobeandtheimagingtargetneedsto

beachievedusingultrasonic