光声/超声双模态成像技术在生物医学中的新进展

随着激光技术、计算机技术与图像处理分析技术的飞速发展,单一模态的医学影像技术正向一体化、多模态及跨尺度影像技术进行革命性转变。多模态影像技术不仅可以实现对同一生物体进行多角度、多参数及分子层面的结构与功能综合特征信息的提取,而且可以弥补单一模式存在的局限性与不足,从而提高疾病早期检测的准确性,为患者提供更加经济合理、精准有效的诊疗方案,对提高人们的生活质量具有非常重要的临床意义。本文重点阐述目前光声/超声双模态成像技术在生物医学以及脑相关疾病中的应用及新进展,系统讨论了该双模态融合技术在未来生物医学领域中的发展前景。

基于超声-光声多模态成像仪器的骨结构及成分高分辨率表征方法

早期诊断和治疗骨质疏松症能显著降低骨折风险。骨组织物理结构和生化成分的影像学检查对骨质疏松症的诊断具有重要意义。为了克服基于射线的骨骼健康检查技术存在电离辐射,无法表征骨组织生化成分等问题,本文设计了一套超声-光声多模态成像仪器。该仪器由波长实时可调的激光器、多模时序控制器、超声数据采集与控制器、高速数据交换与传输模块组成,利用时分复用和异步成像策略原位采集超声和光声信号,结合高分辨率成像算法获得骨组织的超声-光声影像。松质骨仿体和牛松质骨的离体试验以及手指关节在体试验结果表明,所提出的超声-光声多模态成像仪器在骨质疏松症的诊断中具有潜在的应用价值,为全面评价骨骼健康的临床研究奠定了基础。

基于双靶向黑色素纳米粒的肿瘤深穿透光声成像

通过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基丁二酰亚胺反应将透明质酸(hyaluronic acid,HA)和4-羧丁基三苯基溴化膦((4-carboxybutyl)triphenylphosphonium bromide,TPP)分子连接到聚乙二醇-氨基(PEG-NH_(2))修饰过的黑色素纳米颗粒(melanin nanoparticles,MNP)表面,设计合成了一种具有双靶向能力的黑色素纳米颗粒(MNP-TPP-HA),赋予了黑色素的双靶向能力。体外三维(3D)多细胞肿瘤球荧光成像和活体肿瘤光声成像实验表明MNP-TPP-HA具有优异的肿瘤靶向穿透能力。

双模态成像仿生纳米粒对甲状腺髓样癌的声动力治疗

背景:声动力疗法作为一种新型抗肿瘤治疗手段具有非侵入性和时空可控性的特点,在甲状腺髓样癌无创性治疗中具有广阔的应用前景。目的:制备具有双模态成像能力的仿生癌细胞膜涂层脂质纳米粒,检测纳米粒的理化性质、靶向能力、成像效果、细胞毒性和抗迁移能力。方法:以二棕榈酰磷脂酰胆碱、二棕榈酰磷脂酰甘油、二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000、胆固醇、血卟啉单甲醚、全氟己烷为原料,通过薄膜水合-超声振荡法制备脂质纳米粒HP@LNP,其中血卟啉单甲醚装载于脂质纳米结构的疏水层,全氟己烷装载于脂质纳米结构的亲水核心层内;将甲状腺髓样癌细胞膜包覆于脂质纳米粒HP@LNP表面,构建具有主动靶向甲状腺髓样癌细胞能力的仿生脂质纳米粒MHP@LNP。表征纳米粒MHP@LNP的理化性质、靶向能力、免疫逃逸能力、成像效果、细胞毒性和抗迁移能力。结果与结论:①脂质纳米粒MHP@LNP呈现典型的核壳结构,粒径为131.06 nm,平均电位为-30.59 mV,凝胶电泳结果显示脂质纳米粒MHP@LNP与癌细胞膜蛋白图谱相符合,荧光共定位结果显示脂质纳米粒MHP@LNP与癌细胞膜的荧光信号显著重合。脂质纳米粒MHP@LNP纳米粒内血卟啉单甲醚的包封率为87.8%,载药率为14.6%。在低强度聚焦超声刺激下,脂质纳米粒MHP@LNP可发生相变产生微泡,在4 min时超声信号强度达到最大值。在激光照射下,脂质纳米粒MHP@LNP的光声信号强度与其质量浓度呈现线性相关。脂质纳米粒MHP@LNP具有同源细胞靶向能力和免疫逃逸能力。未经低强度聚焦超声照射前的脂质纳米粒MHP@LNP具有良好的生物相容性,而经低强度聚焦超声照射后产生具有细胞毒性的活性氧,有效杀伤甲状腺髓样癌细胞,并抑制甲状腺髓样癌细胞的迁移能力。②结果表明,脂质纳米粒MHP@LNP能够在超声和光声双模态成像引导下实现声动力治疗,用于治疗甲状腺髓样癌。

用于深层组织分子成像的小型化光声/超声内窥成像探头

结直肠癌是全球癌症死亡的主要原因之一,常用的光学或超声消化道内镜仍然存在穿透深度低、对比度差、功能/分子成像能力不足等问题.本文介绍了一种小型化的手持式光声/超声双模态内窥探头,旨在克服现有技术在穿透深度和分子成像能力方面的限制.实验结果表明,该探头在组织12 mm深度下分别达到了345μm的光声横向分辨率和185μm的超声横向分辨率,并具有良好的对复杂结构目标成像的能力.本文还利用泵浦探测技术排除了血液背景的干扰,实现了肿瘤深层组织内亚甲基蓝分子的高特异性成像.这种小型化手持式光声/超声双模态内窥探头兼具大成像深度、高空间分辨和高特异性分子成像的特点,有望成为结直肠癌等消化道肿瘤诊断的重要工具,为早期诊断和治疗监测提供强有力的支持.

载IR780/PFH纳米粒双模态成像及增效高强度聚焦超声消融牛肝的实验研究

目的 制备载IR780/全氟己烷(PFH)的脂质体纳米粒(IR780-CLs),评估其体外超声成像、光声成像和靶向肿瘤的能力,以及协同高强度聚焦超声(HIFU)消融牛肝的效果,探讨其增效HIFU的机制。方法 采用薄膜水化法制备IR780-CLs,检测其基本理化性质,并观察其与4TI乳腺癌细胞的结合情况。体外超声成像即使用120 W、30 s的能量辐照PBS和IR780-CLs溶液,比较辐照前后二维超声和超声造影回声信号灰度变化值的差异;体外光声成像即将IR780-CLs分别配置成不同浓度(20、40、60、80μg/ml)溶液,获取其对应的光声信号值。通过离体牛肝实验评估IR780-CLs增效HIFU的作用,行被动空化检测并取宽带噪声信号幅度的均方根值(RMS)随时间变化曲线反映实时空化信号,比较牛肝内注入PBS(PBS组)和IR780-CLs溶液(IR780-CLs组)后RMS的差异。结果 成功制备的IR780-CLs呈均匀的球形,平均电位为(34.5±3.2)mV,平均粒径为(246.5±12.4)nm,包封率为88%,其能高效靶向4TI乳腺癌细胞。体外超声成像显示,IR780-CLs辐照前后二维超声回声信号的灰度变化值分别为42.09±0.35和48.25±0.93,超声造影回声信号的灰度变化值分别为45.10±0.74和87.30±1.76,两者辐照前后回声信号的灰度变化值比较差异均有统计学意义(均P<0.001);体外光声成像显示,浓度为20、40、60、80μg/ml的IR780-CLs溶液对应的光声信号值分别为0.476、0.864、1.378、1.996 a.u.。离体牛肝实验表明,IR780-CLs具有显著增效HIFU的作用;被动空化检测结果显示,IR780-CLs组RMS高于PBS组。结论 本实验成功制备IR780-CLs,其具有良好的体外超声、光声双模态成像能力和靶向肿瘤的能力,并能显著提高HIFU消融牛肝的效率,其增效HIFU的主要机制为空化效应。

光纤超声传感器的射频域自相干解调技术

在光纤光声成像技术中,检测灵敏度是决定光纤超声传感器成像质量的关键性因素之一。以小型化正交双频光纤激光器为超声敏感元件,建立更好的信号解调技术对声致相位变化进行检测,以实现高灵敏度超声检测和光声成像。引入射频域自相干解调技术对超声波引起的激光频率变化进行读取,实验结果表明,该技术具有超声响应信号放大效果,传感器的灵敏度在8~32 MHz的超声频率内获得了显著提升,将最小可检测声压从9.0 Pa降低到5.7 Pa。进一步地,将该超声检测技术应用于活体光声显微成像,发现在同等光强的激发条件下,图像信噪比获得逾4 dB的提升。该技术为光纤光声成像技术的应用拓展奠定了坚实的技术基础。

基于非接触光声成像的碳纤维增强复合材料冲击损伤检测方法

为了探究碳纤维增强复合材料(CFRP)的损伤机制并对其制造过程进行质量监控,对CFRP的冲击损伤区域进行了高分辨无损检测。构建了全光式非接触光声显微(AONC-PAM)成像系统,利用自主开发的光学吸收结合背向散射的双对比度成像模式,对CFRP在不同冲击能量下的损伤区域进行高分辨率无损检测。实验结果显示,AONC-PAM系统的空间分辨率为2.9±0.5μm;双对比度成像策略能以2 s/帧的速率同时获得基于光学吸收和表面散射特性的图像及两者叠加的双对比度图像;AONC-PAM系统显示了比通用明场显微镜系统更多的成像细节,包括碳纤维分布和其他微观缺陷如纤维断裂、错位、缺束和褶皱,可检测的微观缺陷尺寸达10~20μm,并实现了损伤区域的精准量化。

自建光声超声双模态成像系统的肿瘤成像分析

现有B超成像可以提供基于声阻抗差异的组织解剖结构信息,而近年来研究发现,光声成像可以提供标记组织成分的分布和功能信息。本文基于商用B超仪和脉冲激光系统建立了光声超声双模态成像系统,实现了超声组织结构成像和光声生物功能的同时成像。首先基于血红蛋白在某些波段的较强吸光性,实现了肿瘤内部组织血管灌注图像;其次用链接有靶向抗体的纳米颗粒作为靶向光声造影剂,对恶性肿瘤边缘和内部的血管以及血管附近的肿瘤组织进行了成像。最终,通过超声和光声的融合图像提供的肿瘤结构信息与光声图像提供的肿瘤功能信息,可以准确识别肿瘤组织。

基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术

超声/光声双模态成像技术因其同时兼具超声的高分辨率结构成像和光声的高对比度功能成像优势,极大地推动了光声成像技术的临床应用推广.传统超声/光声双模态成像技术多基于超声成像所用阵列探头同时收集光声信号,系统结构紧凑且无需图像配准,操作便捷.但该类设备使用阵列探头和多通道数据采集,使得其成本较高;且成像结果易受通道一致性差异影响.本文提出了一种基于声学扫描振镜的超声/光声双模态成像技术,该技术采用单个超声换能器结合一维声学扫描振镜进行快速声束扫描,实现超声/光声双模态成像,是一种小型化、低成本的双模态快速成像技术.本文开展了系列仿体和活体成像研究,实验结果表明:系统有效成像范围为15.6 mm,超声和光声成像B扫描速度分别为1.0 s^(–1)和0.1 s^(–1)(光声成像速度主要受制于脉冲激光器重复频率).基于本文所提技术研究,有助于进一步推动超声/光声双模态成像技术的临床转化和普及;也为基于超声信号检测的多模态成像技术提供了一种低成本、小型化和快速声信号检测的参考方案.

基于大张角双频聚焦换能器的振动声成像

为提高振动声成像方法的空间分辨率,采用大张角双频聚焦换能器构建改进的振动声成像系统。基于该系统,以仿体为实验对象,探究振动声成像空间分辨率,测试该成像方法在不同声学特性仿体上的成像效果,研究接收水听器位置、差频对振动声成像结果的影响,并使用k-Wave建立仿真模型探究换能器元件分布对振动声成像结果的影响。结果表明基于大张角双频聚焦换能器的振动声成像系统空间分辨率较高,对声学特性不同的仿体成像具有良好的对比度和特异性,接收水听器的位置和换能器元件分布对成像结果影响较小,差频的选取对成像质量至关重要。该研究有望为振动声成像技术的发展进步提供新思路,推动该技术进一步走向实际应用。

多模态超声在单侧周围性面瘫诊断及针灸治疗效果评估中的应用价值

目的探讨多模态超声[肌骨超声(MSKUS)、能量多普勒超声(PDUS)及声触诊弹性成像(STE)]在单侧周围性面瘫(PFP)诊断及针灸治疗疗效评估中的应用价值。方法选取单侧PFP患者和健康者各60例分别为PFP组和对照组,收集2组受检者入组时的一般临床资料[年龄、性别及体质量指数(BMI)];PFP组受检者面部行针炙治疗(疗程4周,5 d/周,1次/d,30穴/次,留针30 min/次),采用MSKUS、PDUS及STE分别检测对照组受检者体检时和PFP组受检者治疗前和治疗后第1、2、3、4周两侧面神经颅外段内径及回声、面神经周围血流信号及面部表情肌(额肌、颧大肌、降口角肌及降下唇肌)杨氏模量值,采用ROC曲线分析PFP组患者两侧面神经内径和面部表情肌杨氏模量值对PFP临床诊断及针炙治疗效果的预测价值。结果PFP组患者治疗前患侧面神经内径大于健侧及对照组(P<0.05),患侧面部表情肌杨氏模量值低于健侧及对照组(P<0.05);PFP患者治疗前两侧面神经周围血流信号分级与对照组比较,差异有统计学意义(P<0.05);ROC分析显示,面神经内径及面部表情肌杨氏模量值诊断PFP曲线下面积均>0.90,诊断性能较好;随着针灸治疗的进行,PFP组患侧面神经内径呈下降趋势,面部表情肌杨氏模量呈上升趋势(P<0.01)。结论多模态超声不仅能为PFP的诊断提供客观、可量化、可重复性好的影像学依据,还能动态评估PFP针灸治疗的疗效。

靶向VEGFR2光声/超声双模态造影剂的制备及体外寻靶实验研究

目的制备一种特异性靶向新生血管内皮细胞的光声/超声双模态造影剂,探讨其体外寻靶能力及双模态显影效果。方法采用多步乳化法制备载有印度墨水和液态氟碳的高分子造影剂,用碳二亚胺法将造影剂与抗血管内皮生长因子受体2(VEGFR2)单克隆抗体相偶联,制备出靶向VEGFR2高分子造影剂(Vi-PFH-PLGA)。检测该造影剂的一般特性、体外寻靶能力及双模态显影效果,并与非靶向高分子造影剂进行比较。结果所制备的靶向高分子造影剂的平均粒径为(565.5±15.6)nm,间接免疫荧光法观察到抗体成功的连接到造影剂表面,流式细胞仪测得抗体微球连接率为99.72%,体外寻靶能力实验显示较多的靶向造影剂呈花环状牢固的聚集在人脐静脉内皮细胞HUVEC表面,而非靶向组和抗体干预组未见造影剂与HUVEC的特异性结合。体外光声/超声显影实验显示,经脉冲激光辐照后,靶向造影剂组可检测到明显的光声信号和超声信号,与非靶向造影剂相比差异无统计学意义(P均>0.05)。结论成功制备出靶向VEGFR2的光声/超声双模态造影剂,该造影剂在体外与HUVEC细胞具有较强的靶向结合能力且具备较好的光声/超声双模态显影效果。

磁共振/光声双模态分子影像探针的研究进展

多模态成像技术可以对同一生物体进行多方面的成像,克服单一成像的局限性,是一种非常有前景的生物医学成像方法。磁共振/光声(MR/PA)双模态分子探针结合MRI和光声成像的特点,突破原有成像研究限制,拓宽成像技术的应用范围。本文对MR/PA双模态分子探针类别以及临床应用前景进行综述。

光声/超声实时双模态显影纳米粒制备及示踪实验

目的研制一种包裹纳米炭和液态氟碳的纳米粒(CNPs),并验证其光声/超声实时双模态示踪能力。方法采用双乳化法制备CNPs。于光镜及透射电镜下观察并通过激光粒径仪检测CNPs的基本性质;以激光仪辐照CNPs,观察其液气相变情况;于激光共聚焦显微镜下观察荧光标记的CNPs被巨噬细胞吞噬的情况;激光辐照后观察CNPs体外增强光声/超声实时双模态显影情况;进行在体实验观察CNPs增强光声/超声实时双模态显影示踪VX2荷瘤兔腘窝转移淋巴结的效果。结果成功制备CNPs,其平均粒径为(483.32±45.09)nm,Zeta电位为(-26.30±5.02)mV;且经激光辐照后,可发生液气相变;与巨噬细胞共孵育后,CNPs大量被巨噬细胞吞噬;CNPs在体外、体内均具有良好的光声显影与超声造影效果,且CNPs浓度越高,平均光声信号值及平均灰度值越大。结论 CNPs可在激光辐照后发生液气相变,具备光声成像与超声造影的实时双模态显影能力,并可在活体实验中示踪兔恶性肿瘤转移淋巴结。

基于镂空阵列探头的反射式光声/热声双模态组织成像

光声和热声成像技术除激发源不同外,可共用一套数据采集和处理系统,具有天然的融合优势.本文提出了一种基于镂空阵列的反射式光声/热声双模态成像技术,该技术利用光纤与天线,通过镂空阵列的开孔进行光声/热声信号激发,使得激发光、微波和接收超声信号共轴,构成明场光声/热声双模态成像模式.通过对探头镂空部分晶元相位和幅值的补偿校准,成功实现了3 mm直径塑料管、人体手臂、手背和脚背的双模态成像.实验结果表明:系统空间分辨率为0.33 mm,双模态成像技术可同时提供组织的光学和微波吸收分布,有助于肿瘤、糖尿病足等疾病的精准检测,具有极广泛的临床应用前景.

癌细胞膜靶向相变纳米分子探针研制及光声/超声双模态显像与光热治疗乳腺癌

目的制备一种癌细胞膜包被的相变纳米分子探针,观察其体外光声/超声双模态成像效果,并探讨其靶向同源乳腺癌细胞的能力及光热治疗(PTT)杀伤效果。材料与方法通过化学裂解和反复冻融提取乳腺癌4T1细胞膜(CCM),然后以双乳化法联合膜挤压法制备CCM包被的同时携载全氟戊烷(PFP)和Fe_(3)O_(4)的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)相变分子探针(CPFP-NPs);考察CPFP-NPs基本表征,并研究其同源靶向乳腺癌细胞、光声成像及液气相变增强超声显像的能力;观察CPFPNPs在不同浓度及不同功率激光辐照时的光热性能;以AM/PI活死细胞染色法和流式细胞术评估其对乳腺癌细胞的PTT杀伤效果。结果成功制备纳米探针CPFP-NPs,呈球形“壳核”结构,大小均一,平均粒径为(237.17±2.60)nm,表面电位为(-19.50±0.27)mV;激光共聚焦显微镜下观察,纳米探针可靶向同源4T1细胞(靶向结合率达92.01%);CPFP-NPs在体外可增强光声成像,光声信号随纳米粒浓度升高而增强,经激光辐照后,CPFP-NPs发生相变并增强超声成像。CPFP-NPs联合激光辐照,对4T1细胞具有明显的光热杀伤效应,细胞凋亡率高达95.97%。结论研制了一种乳腺癌细胞膜包被的光声/超声双模态相变分子探针,该探针具有良好的靶向同源肿瘤的能力,并可以显著增强肿瘤双模态显像及PTT效果。

光声成像评价靶向纳米粒联合LIFU对小鼠乳腺癌的治疗研究

目的制备叶酸修饰的红细胞膜伪装的载青蒿素(ART)多功能靶向仿生纳米粒,并应用光声成像(PAI)评价其联合低强度聚焦超声(LIFU)治疗小鼠乳腺癌的价值。方法选用聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)作为纳米粒的载体材料,以全氟己烷(PFH)、Fe_(3)O_(4)、ART作为纳米粒的内核,再以红细胞膜(EM)包覆该纳米粒,最后EM表面经叶酸(FA)修饰为靶向分子,制备多功能靶向仿生纳米粒(PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA)。激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)观察纳米粒的FA连靶率。应用PAI观察纳米粒在小鼠乳腺癌组织内的靶向聚集程度。电感耦合等离子体发射光谱(ICP)检测纳米粒在血液中的代谢情况。纳米粒联合LIFU协同治疗肿瘤,并记录肿瘤大小变化。结果LSCM分析显示纳米粒mander重叠系数为83.7%。PAI结果显示合成的PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA纳米粒在体外及体内均有良好的光学成像效果。PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA组小鼠乳腺癌组织内光声信号强度显著高于PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)组。ICP结果显示PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA组血液中Fe2+浓度显著高于PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)组;PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA组小鼠肝脏及脾脏内的Fe2+显著低于PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)组;且PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA组小鼠乳腺癌组织内的Fe2+显著高于PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)组。体内治疗结果显示,PFH/ART@PLGA/Fe_(3)O_(4)-eFA组小鼠乳腺癌体积显著小于其他各组。结论本研究成功制备包封PFH、Fe_(3)O_(4)、ART的多功能靶向仿生纳米粒,具有良好的体内外光声成像效果,初步证实可用于小鼠乳腺癌的靶向诊断,联合LIFU可以协同治疗小鼠乳腺癌。

全光学光声/OCT双模态成像系统及其应用

本文提出了一种新型的全光学光声/OCT双模态成像系统。该系统利用同一个低相干迈克尔逊干涉仪即可实现非接触式光声成像和OCT于一体,系统装置结构简单,可同时获取生物组织的吸收与散射结构信息。通过模拟实验证明了该双模态成像系统的可行性及成像能力,并对活体小鼠耳朵同时进行光声/OCT成像测试,实验结果表明非接触式光声/OCT双模态成像系统可以实现生物组织内的微血管及散射结构的高分辨率成像。进一步地,我们将光声/OCT双模态成像系统应用于基底细胞癌的检测中,获得了初步的研究结果,表明了该系统在皮肤肿瘤诊断中的具有潜在的应用价值。

热声、光声双模态早期乳腺肿瘤成像系统

本文提出一种热声、光声双模态乳腺肿瘤检测成像系统。本装置中,脉冲微波和脉冲激光分别为热声、光声激发源,产生的热声、光声信号被同一个超声探测器、同一套数据采集装置接收,用同一种成像算法重建出图像。该系统可同时获取多种互补的诊断参数,提高检测早期乳腺肿瘤的准确率。