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光声显微成像技术是一种利用病变后的生物细胞与周围正常生物细胞的光学性质差异来进行鉴别及成像的新型医学影像技术。它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点,同时具有无损伤、无电离效应等优势。现行国内外对光声成像技术的研究主要集中在成像速度和成像分辨率上这两大方面。在已公布的研究结果中,光声显微成像技术的最高分辨率是在5um左右,实现最小毛细血管的成像,但是由于探测灵敏度不够的原因,还无法实现生物细胞水平的光声成像。
本论文提出了采用微腔光声探测器结合激光扫描的方法进行光声显微成像,利用“激光扫描-诱导光声信号-微腔光声探测-数据采集-图像重建”的模式成功研制了一台激光扫描光声显微镜及其成像系统,并对生物细胞进行了结构成像与功能成像的实验,成功地实现了分辨率小于1um的光声显微成像。本文的主要工作如下:
第一,从光声效应的原理出发,推导了RG理论,研究光声信号的产生过程,并由此提出了采用微腔光声探测器的设想。同时分析了目前国内外常用的光声显微成像系统,一般可分为三种:微波超声频段的光声显微镜系统、用压电换能器接收声信号的光声显微镜系统、音频范围的光声显微镜系统。在此基础上,最终确定了采用微腔光声探测器与激光扫描相结合的方案。
第二,基于上述原理成功地设计了微腔光声探测器与激光扫描显微镜系统,其硬件部分大概可以划分为三个部分:激光扫描系统、光学显微平台、信号探测采集系统。利用LabVIEW平台开发软件控制系统,主要实现功能有:振镜控制、数据采集、处理、重建图像等几个方面的功能。
第三,完成了对整个激光扫描光声显微系统的搭建及其调试。通过实验,成功获取了洋葱细胞、正常血红细胞的光声显微图像,所得图像结构清晰,具有很高的对比度及成像分辨率,与在光学显微镜下的样品结构一一对应。并分析了系统的成像分辨率,成功到达了小于1um的光声显微成像分辨率水平。在此基础上,还进行了贫血细胞的功能成像实验,所得图像结构清晰,验证了光声显微成像技术是一种利用病变后的生物细胞与周围正常生物细胞的光学性质差异来进行鉴别及成像这一理论,具有很高的临床医学应用价值。