光聲成像技術(shù)在兔腦成像中的應(yīng)用

周智斌

（湖南工業(yè)大學(xué)綠色包裝與生物納米技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲412007）

光聲成像技術(shù)在兔腦成像中的應(yīng)用

周智斌

（湖南工業(yè)大學(xué)綠色包裝與生物納米技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲412007）

伴隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，光聲成像技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。采用環(huán)形陣列探測(cè)器作為成像平臺(tái)，高頻短波脈沖激光作為輻射源，濾波反投影重建算法進(jìn)行圖像重建，利用光聲成像技術(shù)對(duì)兔子頭部進(jìn)行快速成像試驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兔子腦部無(wú)損傷、快速高效地成像，并揭示了提高大尺寸動(dòng)物成像分辨率的方法，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)無(wú)損檢測(cè)提供堅(jiān)實(shí)有利的技術(shù)條件。

生物醫(yī)學(xué)工程；光聲成像；兔子；腦部

0 引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展以及學(xué)科分類的不斷細(xì)化，微血管的組織功能與結(jié)構(gòu)日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，人類很多腦部疾病的發(fā)生都與血管的組織結(jié)構(gòu)和功能有著密切的關(guān)系。這不僅需要從宏觀上對(duì)腦部進(jìn)行整體研究，更需要從微觀上對(duì)腦血管的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究，以便通過對(duì)血管異常形態(tài)的早期檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些疾病的有效治療。此外，希望利用光聲成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)腦部疾病的早期檢測(cè)。

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，動(dòng)物模型被科學(xué)家廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)研究中，并起著不可替代的作用。由于技術(shù)條件的限制，研究者一直無(wú)法完整地獲得動(dòng)物模型的生理和結(jié)構(gòu)信息。光聲成像技術(shù)的出現(xiàn)可以有效地解決上述問題，對(duì)生命科學(xué)的研究具有重要的價(jià)值[1]。但是，在動(dòng)物模型中對(duì)于大尺寸動(dòng)物腦部成像的研究報(bào)道較少，只有少數(shù)研究小組利用核磁共振技術(shù)進(jìn)行了初步研究。

醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域主要形成了以下幾種成像技術(shù)：超聲成像技術(shù)（ultrasonic imaging）、核磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging）、X射線成像技術(shù)（X-ray imaging technology）、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)（computed tomography）、光學(xué)相干斷層成像技術(shù)（optical coherent tomography）、光聲成像技術(shù)（photoacoustic tomography）等。作為成像領(lǐng)域的新秀，光聲成像技術(shù)結(jié)合了聲學(xué)和光學(xué)的成像優(yōu)勢(shì)，并展現(xiàn)出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。光聲成像技術(shù)是指當(dāng)寬束短脈沖激光輻照生物組織時(shí)，位于組織體內(nèi)的吸收體（如腫瘤）吸收脈沖光能量，從而升溫膨脹，產(chǎn)生超聲波；這時(shí)，位于組織體表面的超聲探測(cè)器件可接收到這些外傳的超聲波，并依據(jù)探測(cè)到的光聲信號(hào)來(lái)重建組織內(nèi)光能量吸收分布的圖像[2]。目前，光聲成像技術(shù)在老鼠頭部檢測(cè)已經(jīng)取得了豐碩成果[3-6]，但在大尺寸動(dòng)物腦部研究鮮有報(bào)道；另一方面，在大尺寸動(dòng)物光聲成像中很少有人利用陣列探測(cè)器進(jìn)行快速成像研究。因此，利用環(huán)形陣列探測(cè)器研究大尺寸動(dòng)物腦部結(jié)構(gòu)功能具有重要意義。中國(guó)白兔具有腦部血管豐富、頭蓋骨薄、獲取容易等優(yōu)點(diǎn)，在光聲成像研究中具有很大的優(yōu)勢(shì)。本研究組主要利用光聲成像技術(shù)對(duì)白兔進(jìn)行成像研究，以期揭示如何提高大尺寸動(dòng)物成像分辨率，并為光聲成像技術(shù)在人類疾病的早期檢測(cè)中提供依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 光聲效應(yīng)

把寬束短脈沖激光照射到組織器官中，組織中的血紅蛋白吸收光子的能量從而產(chǎn)生局部溫差，使得組織器官發(fā)生熱彈性膨脹進(jìn)而產(chǎn)生壓力波；利用體表的超聲探測(cè)器接收壓力波的超聲信號(hào)；在此過程中完成了由光信號(hào)到聲信號(hào)的轉(zhuǎn)變。由此可以看出，光聲成像不僅繼承了純光學(xué)成像的高分辨率、高對(duì)比度，還集合了純超聲的高穿透等優(yōu)點(diǎn)。作為新型的無(wú)損檢測(cè)成像技術(shù)，光聲成像可以更安全、更快、更好地為臨床監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持[7]。

1.2 濾波反投影算法

物理學(xué)熱傳導(dǎo)方程可以表示為[8-9]

然后把式（1）分解成時(shí)間和空間的函數(shù)，經(jīng)過相應(yīng)的變化可得

由于檢測(cè)光聲信號(hào)可計(jì)算出投影S(r)，即可通過積分重建出光吸收分布A(r)，進(jìn)而得到光聲圖像為

然而在試驗(yàn)操作中，由于探測(cè)器寬帶有限而且容易受到其他因素的影響，因此可將光聲信號(hào)表示為

式中：P(r, t)為實(shí)際得到的光聲信號(hào)；h(t)是探測(cè)器的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

為了消除探測(cè)器脈沖響應(yīng)函數(shù)對(duì)圖像重建的影響以及運(yùn)算的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行圖像重建時(shí)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行逆卷積運(yùn)算及濾波，進(jìn)而得到實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)：

式中：IFFT表示傅里葉逆變換；j表示與點(diǎn)源半徑有關(guān)的函數(shù)；P′()和H()分別表示P′(r, t)和h(t)的傅里葉變換；W()表示濾波的窗函數(shù)；W()則表示光聲信號(hào)的濾波函數(shù)。

2 材料及方法

2.1 材料

準(zhǔn)備好8只體質(zhì)健康、結(jié)構(gòu)緊湊的中國(guó)白兔，中國(guó)白兔購(gòu)于湖南省株洲市蘆淞區(qū)花鳥市場(chǎng)；戊巴比妥鈉，美國(guó)Sigma公司生產(chǎn)；5 mL一次性無(wú)菌注射器，河南曙光健士醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；脫毛膏，廣州市有喜化妝品有限公司生產(chǎn)。

2.2 試驗(yàn)裝置

光聲成像系統(tǒng)示意圖如圖1所示。本試驗(yàn)在光學(xué)平臺(tái)與隔振系統(tǒng)（M-RS4000-410-12，美國(guó)）中進(jìn)行。脈沖激光（波長(zhǎng)532 nm）從激光器（LT-2211，白俄羅斯）中發(fā)出，經(jīng)過光路調(diào)節(jié)和擴(kuò)束后使得激光垂直入射到白兔腦部。試驗(yàn)過程中利用水作為超聲耦合介質(zhì)。步進(jìn)機(jī)可以控制由256個(gè)探元組合而成的復(fù)合材料環(huán)形陣列光聲傳感器（廣州多浦樂科技有限公司，如圖2所示）的移動(dòng)，由高速數(shù)據(jù)采集卡（PCI-5105，美國(guó)NI公司）對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，信號(hào)經(jīng)過放大濾波，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，最后利用濾波反投影算法在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行光聲圖像重建。

圖1 光聲成像系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic of photoacoustic imaging system

圖2 復(fù)合材料環(huán)形陣列光聲傳感器Fig.2Composite annular array photoacoustic sensor

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)的主要步驟如下。

1）利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的戊巴比妥鈉（美國(guó)sigma，30 mg/kg）靜脈注射將中國(guó)白兔麻醉，麻醉后利用脫毛液將其頭部白毛脫去。

2）把白兔頭部和身體固定好，頭部始終保持水平，并在頭部上方覆蓋透明薄膜且兩者直接充滿耦合液，在薄膜上方放滿水。

3）調(diào)節(jié)環(huán)形陣列探測(cè)器的高度，以使探測(cè)器與兔子頭部處于同一個(gè)水平面，并且頭部中心位于環(huán)的圓心位置處。

4）進(jìn)行光聲成像試驗(yàn)，獲得光聲信號(hào)；然后利用濾波反投影算法重建光聲圖像。

5）試驗(yàn)結(jié)束后，通過注射高濃度的戊巴比妥鈉將白兔處死，然后去掉頭蓋骨，觀察其腦部結(jié)構(gòu)，并與試驗(yàn)圖像進(jìn)行對(duì)比。對(duì)老鼠進(jìn)行光聲成像實(shí)驗(yàn)時(shí)采用相同的方式進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

參照光聲成像技術(shù)在小鼠腦部中的試驗(yàn)方法，對(duì)白兔的不同截面進(jìn)行成像，獲取結(jié)構(gòu)完整影像清晰的光聲圖像。本次試驗(yàn)是基于環(huán)形陣列探測(cè)器的快速光聲成像研究。試驗(yàn)中，光聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集、傳輸所用的總時(shí)間是3 s；與單探頭成像（一般需要20 min）相比，環(huán)形陣列探測(cè)器完全能夠?qū)崿F(xiàn)快速高效成像；未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)和成像。圖3a為利用光聲成像技術(shù)獲得的兔子大腦皮層血管圖像，圖3b為兔子開顱后的腦部圖像。圖4a為利用光聲成像技術(shù)獲得的小鼠腦部圖像，圖4b為小鼠開顱后的腦部圖像。

圖3 兔子腦部圖像Fig.3Rabbit brain photoacoustic image

圖4 小鼠腦部圖像Fig.4Mice brain photoacoustic image

將圖3a與圖3b對(duì)比，可以看到利用光聲成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大尺寸動(dòng)物進(jìn)行腦部成像，從圖3a中可以清晰地看出兔子大腦皮層的主要血管和部分毛細(xì)血管；但是在圖像重建過程中，由于積分的疊加效應(yīng)也使得圖像受到影響。以圖3與圖4的對(duì)比中可以看出白兔的實(shí)驗(yàn)圖像比小鼠的實(shí)驗(yàn)圖像略顯不足，其主要原因是由于腦部尺寸增加和圖像重建算法誤差等原因所致。

圖5a為超聲成像獲得人體前臂超聲圖像，圖5b為人體前臂圖。

圖5 人體前臂超聲成像Fig.5Ultrasound images of human forearm

從圖3a與圖5a的對(duì)比當(dāng)中可以看出光聲成像具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于超聲成像是根據(jù)組織聲阻抗不同進(jìn)行成像；從圖5a中只能看到前臂大概的結(jié)構(gòu)而不能看看到精細(xì)結(jié)構(gòu)（如血管等），而且從圖中可以看出前臂超聲成像的成像分辨率很低。然而，光聲成像則不同，它是根據(jù)組織內(nèi)光能量吸收分布來(lái)進(jìn)行成像的，能看到兔子腦部的微血管等精細(xì)結(jié)構(gòu)；因而可以解決生物醫(yī)學(xué)工程對(duì)動(dòng)物模型精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的要求。從兩者的比較可以看出光聲成像技術(shù)在大尺寸動(dòng)物成像中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于環(huán)形陣列探測(cè)的快速光聲成像系統(tǒng)能夠獲得兔子腦部的光聲圖像，且獲得的兔子腦部圖像血管清晰、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大尺寸動(dòng)物無(wú)損檢測(cè)的要求。通過對(duì)比光聲成像技術(shù)和超聲成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，光聲成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微血管的成像，而超聲成像則不能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)。試驗(yàn)說明，光聲成像技術(shù)可以在大尺寸動(dòng)物的研究中廣泛使用，進(jìn)一步研究有望實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腦部結(jié)構(gòu)功能成像。同時(shí)，光聲成像技術(shù)作為新型無(wú)損成像手段具有很大的優(yōu)勢(shì)；加強(qiáng)對(duì)光聲成像技術(shù)的研究有利于造福人類。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于環(huán)形陣列探測(cè)器的快速光聲成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸動(dòng)物的快速成像，環(huán)形陣列探測(cè)器不僅大大縮減了成像所需時(shí)間，還有利于推廣光聲成像系統(tǒng)的臨床應(yīng)用；同時(shí)，多個(gè)位置同時(shí)采集能夠提高圖像的信噪比。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)想要獲得更加清晰的大尺寸動(dòng)物腦部圖像，可以從以下4個(gè)方面入手： 1）提高激光器的重復(fù)頻率；2）進(jìn)一步改進(jìn)圖像重建算法； 3）提高信號(hào)信噪比；4）開發(fā)專用的光聲成像陣列探測(cè)器。

到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的光聲成像技術(shù)研究，取得了豐碩的研究成果。從這些研究成果中可以看出，光聲成像的高分辨率、高對(duì)比度、無(wú)損傷等具有很大的優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能的提高、技術(shù)路線的不斷完善以及圖像重建理論的不斷發(fā)展，光聲成像技術(shù)必將會(huì)在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域占有重要地位。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Application of Photoacoustic Tomography in Rabbit Brain

Zhou Zhibin
（Key Laboratory of Green Packaging and Biological Nanotechnology，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

With the development of the non-destructive testing technology, Photoacoustic imaging technology has become one of the research focuses in biomedical engineering. With an annular array detector as imaging platforms and high-frequency pulse laser as a radiation source, the experiment adopted a filter back-projection algorithm to rebuild images and applied the photoacoustic tomography for fast imaging of rabbit brain. Experimental results showed that the system realized non-destructive, fast and efficient rabbit brain imaging, which revealed how to improve the imaging resolution of large size animals and further provided solid favorable technical conditions for medical nondestructive testing.

biomedical engineering；photoacoustic tomography；rabbit；brain

O429

A

1673-9833(2014)04-0057-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.013

2014-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11374094）

周智斌（1989-），男，湖南郴州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楣饴暢上?，E-mail：670857256@qq.com