【摘要】：本文工作的主要目標是研制一個新的高靈敏度的骨質定性和定量評估檢測平臺。提出了采用四種光聲量化技術用于對骨質健康相關的物理、化學特性的全面評估。首次提出了采用光聲成像(Photoacoustic imaging, PAI)方法用于骨質評估的可行性。研究了光和聲在骨質中的傳播情況,并用臨床相關骨質模型驗證了光聲成像方法在骨質定量評估中的可行性。首次提出了采用新興的光聲功率譜分析(Photoacoustic spectrum analysis, PASA)方法來對骨質微結構評估,并驗證了其對骨質微結構的表征能力。文中進行了理論模擬和實驗測量驗證,分析來自于骨骼的關鍵信號頻譜特征,用線性回歸方法擬合頻譜,得到光聲譜的量化參數-斜率。該參數對生物組織的非均勻性很敏感,能夠反應微米量級的孔狀骨松質的光吸收部分組織的微結構特征。另外,該參數不受光能流密度影響,因此能夠更好的評估骨質微結構特征。首次提出了將熱光聲(Thermal photoacoustic, TPA)測量方法用于骨質評估。不同于傳統(tǒng)的專注于研究信號的絕對強度的光聲方法,該方法通過量化隨溫度變化的光聲信號的斜率來評估組織特性Gruneisen參數(與組織樣品的化學和分子屬性相關)。它對組織的化學組成很敏感,可以用于評估骨礦物質密度(Bone mineral Density, BMD)。在TPA中,取代了對很難量化的絕對信號強度的測量,TPA關注于光聲信號相對強度相對于溫度的變化的反應。通過基于差異的測量,可以有效避免設備和樣品中一些不相關變量對測量精度的影響,將光聲測量精度進一步提高。首次提出了將新興的光聲物理化學譜(Physio-chemical spectrogram, PCS)分析方法應用于骨質診斷。不同于其它的骨質疏松檢測技術,該方將骨微結構形態(tài)特征和化學成分信息集于一個二維圖譜。通過1)對目標組織在寬帶波長范圍進行光聲掃描檢測,該寬帶波長范圍包含有與骨質疏松相關的化學物質吸收峰;2)將光聲信號轉換到頻域；3)將頻域信息按波長排列。雖然在這幅圖里沒有直接提供基于光或者聲對比度的成像結果,但這幅圖中提供的關于生物組織的物理和化學屬性足以用于骨質測量。這個集成的量化光聲平臺可以同時評估骨量、骨微結構和骨內的化學成分的變化,并且不涉及到活檢和電離輻射。由于量化光聲分析方法是無輻射、無創(chuàng),并且在軟組織和骨質內都有很好的穿透,不僅關注骨內無機礦物質的變化,更能評估化學成分的改變,因此它在臨床應用轉化上有其特有的優(yōu)勢。除此之外,首次提出了將聚苯乙烯微環(huán)(Micro-ring)-超寬帶-聲傳感器用于光聲的量化分析中,并驗證了它對微米量級生物結構的大小、形狀變化的檢測能力。實驗驗證了micro-ring的引入,極大提高了PASA技術對生物組織微結構的變化的檢測靈敏度(如紅細胞形狀或大小的改變)。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41;O426.3
【圖文】：

密度和微結構的可能性（Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１２，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ邋ａｎｄ邋Ｍａｎｄｅｌｉｓ邋２０１４，逡逑Ｘｕ，邋Ｍｅｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１４，邋Ｌａｓｈｋａｒｉ，邋Ｙａｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５）。在邋Ｘｕｅｄｉｎｇ邋Ｗａｎｇ邋研究組關于逡逑動物和人類大腦和關節(jié)（如圖１－１）的研究中，可得到來自于骨骼的很強光聲信號，包逡逑括頭骨和指骨（Ｗａｎｇ，饑ａｍｂｅｒｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，邋Ｘｉｅ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００６，Ｗａｎｇ，逡逑Ｃｈａｍｂｅｒ邋ｌａｎｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００７，邋Ｂｏｕｃｈａｒｄ，邋Ａｎｗａｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００９，邋Ｒａｊ邋ｉ邋ａｎ，邋Ｇｉｒｉｓｈ邋ｅｔ邋ａｌ．逡逑２０１２，邋Ｒａｊｉａｎ，化ａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０口）。但大部分基于光聲的骨質檢測主要關法于骨內的逡逑化學成分或者物理屬性的變化，很少能夠量化骨微結構的改變。雖然這些研巧成果逡逑大多只是定性分析，但它證明了在骨質評估中，光聲技術相比于傳統(tǒng)超聲技術的潛逡逑在優(yōu)勢：光所誘發(fā)的壓力波是直接從不同層產生的，可切關注于感興趣區(qū)域逡逑（ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋１化ｅｒｅｓｔ，邋Ｒ０Ｉ）－－骨松質，而減少來自于骨密質的影響。逡逑：‘暖~柌″義蠠a~|灥逡逑０邐２邐Ｓ邐８逡逑Ａ邋焌邐_灠眩斟迕冢停Γ殄慰阱義先Υ叔義稀！觶蕖觥觶礎保丁桑桑桑А觶停椋潁椋椋丁駑義賢跡保保厥械墓饃上窠峁義希跺義

本文編號：2789369