【摘要】：本文工作的主要目標(biāo)是研制一個(gè)新的高靈敏度的骨質(zhì)定性和定量評估檢測平臺(tái)。提出了采用四種光聲量化技術(shù)用于對骨質(zhì)健康相關(guān)的物理、化學(xué)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(zhì)評估的可行性。研究了光和聲在骨質(zhì)中的傳播情況,并用臨床相關(guān)骨質(zhì)模型驗(yàn)證了光聲成像方法在骨質(zhì)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(zhì)微結(jié)構(gòu)評估,并驗(yàn)證了其對骨質(zhì)微結(jié)構(gòu)的表征能力。文中進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)測量驗(yàn)證,分析來自于骨骼的關(guān)鍵信號(hào)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(shù)-斜率。該參數(shù)對生物組織的非均勻性很敏感,能夠反應(yīng)微米量級的孔狀骨松質(zhì)的光吸收部分組織的微結(jié)構(gòu)特征。另外,該參數(shù)不受光能流密度影響,因此能夠更好的評估骨質(zhì)微結(jié)構(gòu)特征。首次提出了將熱光聲(Thermal photoacoustic, TPA)測量方法用于骨質(zhì)評估。不同于傳統(tǒng)的專注于研究信號(hào)的絕對強(qiáng)度的光聲方法,該方法通過量化隨溫度變化的光聲信號(hào)的斜率來評估組織特性Gruneisen參數(shù)(與組織樣品的化學(xué)和分子屬性相關(guān))。它對組織的化學(xué)組成很敏感,可以用于評估骨礦物質(zhì)密度(Bone mineral Density, BMD)。在TPA中,取代了對很難量化的絕對信號(hào)強(qiáng)度的測量,TPA關(guān)注于光聲信號(hào)相對強(qiáng)度相對于溫度的變化的反應(yīng)。通過基于差異的測量,可以有效避免設(shè)備和樣品中一些不相關(guān)變量對測量精度的影響,將光聲測量精度進(jìn)一步提高。首次提出了將新興的光聲物理化學(xué)譜(Physio-chemical spectrogram, PCS)分析方法應(yīng)用于骨質(zhì)診斷。不同于其它的骨質(zhì)疏松檢測技術(shù),該方將骨微結(jié)構(gòu)形態(tài)特征和化學(xué)成分信息集于一個(gè)二維圖譜。通過1)對目標(biāo)組織在寬帶波長范圍進(jìn)行光聲掃描檢測,該寬帶波長范圍包含有與骨質(zhì)疏松相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)吸收峰;2)將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)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(jié)果,但這幅圖中提供的關(guān)于生物組織的物理和化學(xué)屬性足以用于骨質(zhì)測量。這個(gè)集成的量化光聲平臺(tái)可以同時(shí)評估骨量、骨微結(jié)構(gòu)和骨內(nèi)的化學(xué)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(zhì)內(nèi)都有很好的穿透,不僅關(guān)注骨內(nèi)無機(jī)礦物質(zhì)的變化,更能評估化學(xué)成分的改變,因此它在臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)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(yàn)證了它對微米量級生物結(jié)構(gòu)的大小、形狀變化的檢測能力。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了micro-ring的引入,極大提高了PASA技術(shù)對生物組織微結(jié)構(gòu)的變化的檢測靈敏度(如紅細(xì)胞形狀或大小的改變)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41;O426.3
【圖文】：

密度和微結(jié)構(gòu)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(guān)于逡逑動(dòng)物和人類大腦和關(guān)節(jié)（如圖１－１）的研究中，可得到來自于骨骼的很強(qiáng)光聲信號(hào)，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(zhì)檢測主要關(guān)法于骨內(nèi)的逡逑化學(xué)成分或者物理屬性的變化，很少能夠量化骨微結(jié)構(gòu)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(zhì)評估中，光聲技術(shù)相比于傳統(tǒng)超聲技術(shù)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(chǎn)生的，可切關(guān)注于感興趣區(qū)域逡逑（ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋１化ｅｒｅｓｔ，邋Ｒ０Ｉ）－－骨松質(zhì)，而減少來自于骨密質(zhì)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��！觶蕖觥觶礎(chǔ)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(hào)：2789369