2.李長輝-光聲皮膚成像新技術的原理和探討.pdf

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1、光聲光聲皮膚成像新技術的皮膚成像新技術的原理和探討原理和探討李長輝，博士李長輝，博士 北京大學未來技術學院生物醫學工程系北京大學未來技術學院生物醫學工程系郵箱：郵箱：p背景介紹背景介紹p光聲皮膚成像的方法光聲皮膚成像的方法p光聲皮膚成像研究進展光聲皮膚成像研究進展p小結與探討小結與探討內容內容2看看得得快快PA-SIM成像技術推動生命科學發展的核心動力3“眼見為實”Seeing is believing X射線射線(1901年年Nobel獎獎)相襯顯微成像相襯顯微成像(1953年年Nobel獎獎)全息照相法全息照相法(1971年年Nobel獎獎)CT 計算機斷層成像計算機斷層成像(1979年年

2、Nobel獎獎)電子顯微鏡電子顯微鏡(1986年年Nobel獎獎)MRI 磁共振成像磁共振成像(2003年年Nobel獎獎)超高分辨率顯微成像超高分辨率顯微成像(2014年年Nobel獎獎)冷凍電鏡成像冷凍電鏡成像(2017年年Nobel獎獎)背景介紹背景介紹-醫學成像醫學成像4醫學影像技術及設備的發展深刻影響和改變了醫學研究模式和診治，成為研究組醫學影像技術及設備的發展深刻影響和改變了醫學研究模式和診治，成為研究組織結構與功能，疾病發生、發展、轉移，以及認知科學的重大科學平臺織結構與功能，疾病發生、發展、轉移，以及認知科學的重大科學平臺PET/MR超聲超聲CT磁共振磁共振PET/CTp看的深

3、看的深n表皮表皮n真皮真皮p看得準看得準n結構結構n組織成分組織成分n分辨率高分辨率高p時間快、成像無損無創時間快、成像無損無創皮膚成像的期望皮膚成像的期望5人的皮膚平均厚度約是人的皮膚平均厚度約是1 1毫米毫米皮膚成像設備皮膚成像設備6到目前為止，皮膚影像到目前為止，皮膚影像技術依然主要依賴技術依然主要依賴“放大放大鏡鏡”，診斷結果取決于醫，診斷結果取決于醫師的個人經驗。師的個人經驗。背景介紹背景介紹-光學深層組織成像的挑戰光學深層組織成像的挑戰71 mm光聲層析成像光聲層析成像光學相干層析成像光學相干層析成像軟極限軟極限*lt顯微成像顯微成像硬極限硬極限 5-7 厘米厘米(20,000倍倍

4、 or 43 dB 單向傳播衰減單向傳播衰減)激光激光光散射限制了深層組織的成像分辨率。光散射限制了深層組織的成像分辨率。糾正一個錯誤的觀念糾正一個錯誤的觀念“光散射讓光傳不深光散射讓光傳不深”背景介紹背景介紹-光聲成像帶來的突破光聲成像帶來的突破8光聲成像突破了傳統高分辨光學成像的深度壁壘！光聲成像突破了傳統高分辨光學成像的深度壁壘！4 cmScientific Reports 10,8047(2020).光聲乳腺成像活體小鼠斷層成像2 厘米厘米光聲成像原理光聲成像原理9乳腺惡性腫瘤引起循環系統異常超聲波超聲探測陣列紅外激光脈沖體內組織光吸收超聲波傳播熱膨脹探測聲波脈沖激光照射圖像重建光聲信

5、號的產生：光聲信號的產生：脈沖光能量被相應的組織吸收脈沖光能量被相應的組織吸收 熱膨脹產生向外傳播的超聲波熱膨脹產生向外傳播的超聲波由于超聲波在軟組織中的散射由于超聲波在軟組織中的散射遠比光波的散射小，基于探測遠比光波的散射小，基于探測超聲波可以重建高清晰度圖像超聲波可以重建高清晰度圖像水和軟組織中聲速水和軟組織中聲速 v=1500 m/sp背景介紹背景介紹p光聲皮膚成像的方法光聲皮膚成像的方法p光聲皮膚成像研究進展光聲皮膚成像研究進展p小結與探討小結與探討內容內容10光聲皮膚成像光聲皮膚成像11Photochem.Photobiol.Sci.,2019,18,9459621.光聲皮膚成像光聲

6、皮膚成像能看到什么？能看到什么？2.分辨率？分辨率？3.成像時間？成像時間？4.成像方法成像方法痔甲襞微循環皮膚組織中的光聲信號源皮膚組織中的光聲信號源組織內的光吸收體組織內的光吸收體(血液、黑色素等）血液、黑色素等）12黑色素血液水彈性蛋白膠原蛋白皮膚組織中的光聲信號源皮膚組織中的光聲信號源13可以通過多波長光聲成可以通過多波長光聲成像獲得血氧飽和度這一像獲得血氧飽和度這一重要生理參數。重要生理參數。氧和血紅蛋白氧和血紅蛋白脫氧血紅蛋白脫氧血紅蛋白光聲皮膚成像系統光聲皮膚成像系統14光聲光聲顯微顯微成像成像高頻高頻超聲超聲線陣線陣成像成像基于光聲顯微鏡基于光聲顯微鏡 （PAMPAM）的皮膚成

7、像）的皮膚成像時間時間光聲信號光聲信號l吸收體（例如血管）吸收體（例如血管）皮膚表面皮膚表面光學吸收峰光學吸收峰A-scan B-scan 優點：優點：系統簡單，分辨率高系統簡單，分辨率高不足：不足：成像時間長，有偽影成像時間長，有偽影基于線陣的光聲皮膚成像基于線陣的光聲皮膚成像16吸收體（例如血管）吸收體（例如血管）皮膚表面皮膚表面成像方式類似臨床上的成像方式類似臨床上的B B超超優點：優點：斷層成像速度快，操作方便斷層成像速度快，操作方便不足：不足：軸向分辨率差，系統復雜軸向分辨率差，系統復雜p背景介紹背景介紹p光聲皮膚成像的方法光聲皮膚成像的方法p光聲皮膚成像研究進展光聲皮膚成像研究進展

8、p小結與探討小結與探討內容內容17皮下微循環系統和皮膚疾病皮下微循環系統和皮膚疾病觀察皮下血管的發展觀察皮下血管的發展觀察皮下移植腫瘤的成長觀察皮下移植腫瘤的成長皮膚創傷皮膚創傷（例如燒傷）（例如燒傷）黑色素瘤黑色素瘤照片照片Physics in Medicine and Biology 54,1035-1046(2009).Nature Biotechnology 24,848-851(2006).成像結果成像結果19外周血管光聲成像外周血管光聲成像20近近紅紅外外脈脈沖沖激激光光熱膨脹產生超聲波熱膨脹產生超聲波血液吸收光能血液吸收光能換能器探測超聲波換能器探測超聲波重建算法重建算法外周血管

9、介入治療外周血管介入治療p背景介紹背景介紹p光聲皮膚成像的方法光聲皮膚成像的方法p光聲皮膚成像研究進展光聲皮膚成像研究進展p小結與探討小結與探討內容內容21p光聲成像結合了光學和超聲的特點，突破了傳統高分辨光學成像的深光聲成像結合了光學和超聲的特點，突破了傳統高分辨光學成像的深層壁壘，為臨床醫學成像提供了新技術。層壁壘，為臨床醫學成像提供了新技術。p光聲成像臨床應用仍處于培育階段，需要更大規模的光聲成像臨床應用仍處于培育階段，需要更大規模的摸索（兒科、腦摸索（兒科、腦成像、內窺等）成像、內窺等）p包括手持式雙模成像的系統在內，一些面向臨床研究和診斷的光聲成包括手持式雙模成像的系統在內，一些面向

10、臨床研究和診斷的光聲成像系統正在進入市場。像系統正在進入市場。p我國在臨床研究上整體落后，需要產學研醫大家繼續共同努力我國在臨床研究上整體落后，需要產學研醫大家繼續共同努力展望展望22科研項目科研項目科技部重點研發計劃科技部重點研發計劃 （2017YFE01042002017YFE0104200）科技部重大儀器專項科技部重大儀器專項 (2011YQ030114(2011YQ030114，2013YQ030651)2013YQ030651)基金委創新群體項目基金委創新群體項目(8142100481421004)致謝致謝23合作者合作者北京協和醫院北京協和醫院北大工學院、物理學院、化學院北大工學院、物理學院、化學院首都醫科大學基礎醫學院首都醫科大學基礎醫學院天津大學生命科學院天津大學生命科學院深圳邁瑞公司深圳邁瑞公司佐治亞理工佐治亞理工BME