全光学传感检测的多模态光声成像新技术及应用基础研究

This project is based on the prior research. To resolve the problem of traditional photoacoustic imaging technique, which must use limited bandwidth ultrasound transducer to detect the photoacoustic signals in contact fashion and inconveniently uses in clinical practice applications, we developed a method for optically detecting ultrasound, and which used to noncontactly and broadbandly detect photoacoustic signals. And we built a novel photoacoustic imaging system and obtained the photoacoustic images with high spatial resolution and high contrast. Taking advantage of the optical ultrasound detection system, we developed the multimodal photoacoustic imaging system, which can simultaneously obtain the absorption and scattering structure information of tissues. Meanwhile, we will develop the detection technique of blood flow and obtain the multi-parameters of the physiological and pathological information of biological tissue. Furthermore, the multimodality imaging system will be used to diagnose and distinguish the skin cancers.

在前期的研究基础上，针对传统光声成像技术必须使用有限带宽的超声换能器进行接触式检测才能获得光声信号进行成像从而不方便实际临床应用的弊端，我们发展了一种光学检测超声信号的方法并用于非接触式宽带地检测光声信号，构建了新型的光声成像系统，获得了高分辨率高对比度的光声图像。并利用该光学检测系统本身的优势我们将建立了多模态光声成像系统，同时获取了生物组织的吸收及散射结构信息。同时，我们将开发基于全光学检测的光声血流速度检测技术，以实现面多参量多维度提取生物体的生理病理信息。进一步地，我们将该多模态光声成像系统应用于皮肤肿瘤等疾病的诊断及检测中。

光声成像技术作为近年发展起来的一种极具临床应用价值的新型生物医学影像方法，能够特异性地探测生物组织的光吸收结构及功能信息。然而传统光声成像技术必须使用有限带宽的超声换能器进行接触式检测才能获得光声信号进行成像从而并不方便实际临床应用，针对传统光声成像技术受超声换能器带宽和接触式探测的限制，以及光声成像系统提供的病理及生理信息过于单一从而无法实现对生物组织的多参数信息提取的不足，建立稳定的全光学传感检测的多模态光声成像系统，实现生物组织的吸收与散射信息的同时提取；开发基于全光学传感检测的光声多普勒血流成像技术，从而实现从肿瘤实体形态结构到肿瘤生理功能信息的多参数提取，为肿瘤疾病的诊断提供更加丰富全面的信息。. 在项目执行期内项目完成的主要研究内容以及取得的重要结果如下：.1.建立了稳定的全光学传感检测的多模态光声成像系统，改进了前期系统的激发及接收系统，通过在全光学传感检测的光声系统中引入贝塞尔光束，提高了成像系统的稳定性并对成像深度也有进一步的提高（OPTICS LETTERS, 44(8), 1634-1637(2019)）。同时提出了共脉冲激发的光声/OCT多模态成像技术，实现了光声和OCT的同时共定位结构及功能成像（OPTICS LETTERS, 44(18), 4459-4462(2019)）。.2.开发了基于全光学传感检测的光声多普勒血流成像技术（OPTICS LETTERS, 43(11) 2442-2445 (2018)），可以实现非接触式对活体生物组织的横向血流成像。.3.在皮肤肿瘤模型上验证了全光学传感检测的光声多模态系统对肿瘤的光学活检能力，可以实现对肿瘤实体形态结构到肿瘤生理功能信息的多参数提取，包括肿瘤组织的吸收结构，散射结构，血流速度以及血氧饱和度等参数。（IEEE Transactions on Medical Imaging, 39(6), 1967-1974(2020); Applied Physics Letters, 114(16), 163704(2019)）。.项目执行期内共发表了学术论文发表论文12篇以上，其中SCI收录文章10篇，其中一区论文2篇；二区论文8篇；获授权国家发明专利2项，申请国家发明专利3项；培养博士生2名，硕士生8名。