基于光声成像技术的肿瘤光热治疗优化与监测新方法

We propose to develop a novel method for measuring optical absorption properties and temperature characteristics of biological tissues using photoacoustic imaging, and to use this method to monitor and guide photothermal treatment of tumor. We plan to use a pulsed laser to irradiate target tumors with absorption enhancement by carbon nanotubes, and to detect the photoacoustic signals using a focusing ultrasonic transducer. The photoacoustic image of the tumor will be acquired by a scanning transducer; the corresponding absorption coefficient of the tumor will be derived using the photoacoustic signals. Furthermore, the distribution of the light dose in the target tumor during photothermal treatment will be determined by graphics-based Monte Carlo simulation using the absorption coefficient. Finally, we will employ photoacoustic imaging to monitor temperature distribution in the target tumor during the laser photothermal treatment, and adjust the light dose in real-time based on the temperature distribution in tumor. This project will provide a basis for an effective, imaging-guided modality for treatment of cancer using laser-nanotechnology and photoacoustic technique. Innovations in this project include: a novel technique to measure optical absorption properties and temperature distribution in biological tissues using photoacoustic imaging; a combination of experimental measurements and theoretical numerical simulations; photoacoustic imaging guidance for laser-nanotechnology based photothermal cancer treatment.

发展基于光声成像技术的组织光学吸收系数和组织体内温度特性测量的新方法，并应用于肿瘤光热治疗优化方案选择及其治疗过程的监控.拟将脉冲激光照射碳纳米管增强的肿瘤组织，由背向的超声换能器平移扫描采集光声信号，得到肿瘤空间分布的光声图像，并由光声信号反演出肿瘤的光学吸收系数；然后将肿瘤的吸收系数的分布与基于图形处理的Monte Carlo模拟数值计算出肿瘤光热治疗的光剂量。最后，在肿瘤治疗过程中采用光声成像技术实时监测肿瘤内温度的变化，并根据温度变化情况及时地调整优化治疗光剂量。此方案为临床治疗肿瘤提供依据。创新点包括：提出基于光声成像技术的光学吸收系数和温度监测的测量技术；实验测量与理论数值模拟有机结合；将光声成像导引与温度监控和肿瘤治疗相结合等。预期将发展新光声成像原理和数值模拟技术，实现肿瘤的光热治疗方案的确立和治疗过程的监测。

恶性肿瘤导致人类死亡的人数正在继续增加，在我国已成为城乡居民的首要死因。肿瘤新兴的治疗方案有PDT，光免疫治疗和光热治疗。这三种治疗方案都涉及光剂量问题。临床上光剂量通常采用经验值，达不到精准治疗效果。为了解决此难题，本项目主要开展了以下四个方面的研究内容并获得相关的成果。1) 基于相位显微技术发展提取光学散射特性的方法，通过多尺度数学形态学分析提取离体组织的颗粒数密度分布，并结合Mie散射理论数值计算出完整的正常和肿瘤组织光学散射性质；采用碳纳米管等材料构建吸收增强的肿瘤的实体仿真模型；刻画组织包括肿瘤的特别是在边界处产生的光声信号特征。2) 确定肿瘤等组织的光声光谱信号。肿瘤是个富含血液的组织，血液的光声光谱图两个吸收谱值，分别为750nm和950nm。当光热效应的温度高于55℃，信号同温度之间不再呈线性关系。这是由于高温作用是血液内产生了高铁血红蛋白新物质。3)建立光声信号在不同温度下的分布规律,光声监测温度范围为20.2℃到80.8℃，此范围覆盖了目前光热效应治疗肿瘤--高热和凝固作用，也覆盖激光免疫治疗中所需要的温度。4)发展肿瘤介入式光热治疗优化与监测的光声检测方法，利用光纤耦合技术将脉冲光与连续光同时输入到光纤的弥散端中，照射肿瘤组织的同一区域，脉冲光用于产生光声信号，连续光用于治疗肿瘤组织，实现对光热治疗肿瘤过程中温度实时监测，反馈给治疗系统，根据所治疗所需要特定的温度快速调节优化治疗方案。本项目地完成提供肿瘤光热治疗过程中温度和光学性质变化的信息，为光热治疗的优化提供客观依据，这是精准治疗所必须的。此结果可应用于肿瘤PDT，光免疫治疗和光热治疗的实时监测和光剂量的优化中。