基础研究建立脑部检测新方法

dasdasd

　　20世纪下半叶以前，脑部检测工作只能在病人去世以后对其进行尸体解剖时方能进行。20世纪70年代以来，大脑成像技术（即构建未受损完整大脑的解剖和机能图像）得以建立和发展起来。目前，临床中普遍使用的X射线、核磁共振成像(MRI)等检测方式，即利用了大脑成像技术。这些检测方式虽然各有所长，但同时也存在各自的弱点。



　　来自华南师范大学激光生命科学研究所激光生命科学教育部重点实验室的研究人员发展了一种新型、高效，且对人体无损的脑组织检测方法，这项基于光声、热声技术的脑组织结构和功能的研究，以小白鼠为模型，证明了光声、热声成像技术既能显示生物组织的形态结构，又能进行组织内部异物的定位检测。与临床医学中普遍使用的检测方法相比，这种新方法不仅对人体完全无损，而且具有低成本、高精度的特点，有望发展成为新型的脑功能成像技术。这一研究成果发表在新一期的《中国科学》上。



　　领导这一研究的是华南师范大学教授杨思华。



　　该研究自2000年起就获得了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的持续资助。



　　<b>现有检测方法的不足</b>



　　杨思华向《科学时报》记者介绍说，目前临床中普遍使用的检测方式主要有纯光学成像法、超声成像法、X射线技术和核磁共振成像技术。这些方法虽然各有所长，但同时也各有弱点。



　　纯光学成像（荧光成像、光学散射成像和光学相干成像等）方法，随着光穿透组织深度的增加，以及光在组织中的强散射性，使成像的空间分辨率随深度增加迅速下降，因此很难应用于深层组织的医学研究和疾病诊断。



　　利用超声辐照于人体的超声成像法，超声波在人体内传播的过程中遇到声阻抗变化的界面时发生反射，通过反射回来的回行波形成图像，但这种方法对于早期病变部位成像的对比度很低。



　　X射线技术则是借助X射线通过人体时，各部分组织对X射线的吸收差异产生不同的阴影所形成的图像，但这种方法采用对人体有害的射线作为内部信息的载体，有可能导致癌变几率增加，因而其应用受到很多限制。



　　核磁共振成像作为一种比较完善的成像检测方法，通过以不同的射频脉冲序列对组织激励后，用线圈检测技术获得组织弛豫信息与质子密度信息，核磁共振检测法虽然也是无损的，但它的设备成本造价高、使用及维护费用昂贵，在临床中无法实现小型化。



　　因此，研究和发展一种低成本、高对比度和高分辨率的无损医学成像方法，是临床医学领域亟待解决的问题。



　　<b>光声、热声成像结合的新思路</b>



　　杨思华指出，光声、热声成像技术是分别以脉冲激光和脉冲微波作为成像激发源，根据生物组织内部光吸收差异和微波吸收差异，以超声作为信息载体的一种非电离化的新型医学成像方法。光声成像有机结合了纯光学成像和纯超声成像的特性，用超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像，图像的对比度可以真实地反映生物组织内部的光吸收差异特性。



　　根据不同组织的光及微波吸收差异，杨思华利用光声成像，在体观测了小鼠脑皮层血管的分布结构，对由外部针刺所致的脑损伤及脑皮层出血进行高分辨成像，并利用血管光声信号的强度反映血容量的变化，实现了光声脑缺血检测。他还应用热声成像，对小鼠脑部金属异物进行定位检测，结合光声脑皮层血管损伤成像，实现快速异物定位及组织损伤检测双结合的功能成像。实验结果表明，光声、热声成像既能显示生物组织的形态结构，又能进行组织内部异物的检测。



　　“传统检测方法中所存在的各种不足，对于光声、热声成像技术来说就不存在。”杨思华说：“相对于超声成像，它能够反映声阻抗相同但光吸收特性不同的组织信息。而热声成像利用脉冲微波作为激发源，能进一步提高组织的成像深度。由于生物组织的光或微波吸收特性与生物组织结构功能和病理特征紧密相关，通过测量生物组织光吸收参数的变化和含水量差异的改变，就可以获得生物体生理状态变化的信息。”



　　为检验这种方法的可靠性，杨思华进行了对比实验。他分别用光声、热声成像和数字X光成像两种方法，对小白鼠作脑部异物的检测和定位，通过两种检测结果的对比，X光图像所显示的异物位置和形状大小与光声、热声重建图像所得到的结果基本一致，从而进一步证实了光声、热声成像方法用于组织异物的无损成像及定位检测的可靠性。



　　对于这项新的检测方法，杨思华强调：“这种方法利用的是对人体无害的光或微波作为激发源，而且检测过程中无需注射相应的造影剂，从而真正达到了无损检测成像的目的。”



　　另外，因为光声、热声成像对不同组织成分具有选择性，这种方法在乳腺肿瘤的早期检测领域同样前景广阔。



　　“因为早期肿瘤生长时需要比正常组织更多的营养成分，所以在肿瘤实体及其周围，会随着肿瘤的发展诱导血管增生以提供养分。肿瘤组织中的血液及含水量因此会比正常组织中的高，而这正好为光声、热声成像提供了天然内源的对照。”杨思华解释。



　　<b>两大问题尚待解决</b>



　　光声、热声技术的成像检测技术具有如此多的优点，因此其在临床应用上前景广阔。但目前这种方法仍处于实验室研究阶段。杨思华认为，就目前的研究成果来看，有两个方面还需进一步完善。



　　杨思华指出，由于组织中对激光强吸收并产生光声信号的常见光吸收体是血液中的血红蛋白，光声成像的图像对比度取决于血液相对于周围组织的吸收对比度。实验发现，对于波长为532nm的脉冲激发光，血液的吸收系数远远大于脑部灰质、白质的吸收系数。



　　因此，如果要在不破坏脑部皮肤和头盖骨，并无需注射相应的造影剂的前提下，得到高对比度和高分辨率的血管成像，必须选择合适的纳米级波长的脉冲激光激发。



　　“但是，现有的纳米级激光器发出的每一个单发激光束的能量都不是很稳定，容易导致在检测中出现误差。因此，必须找到稳定的激光源。不过，这个问题我们无能为力，也只能等待相关领域的科学家取得突破了。”杨思华说。



　　另外，如何解决非研究层面的光信号的干扰，减少这些光声信号对检测的影响，避免影响光声重建图像的质量还是一个难题，也是能否建立稳定可靠、适用于临床的光声检测系统的关键。



　　“我认为，应用聚焦超声换能器改善探测器的层析能力，或者研究发展三维的信号采集投影算法，都将有助于减少非研究层面光声信号对成像质量的影响。”对这个问题的解决，杨思华充满信心。




　　来自华南师范大学激光生命科学研究所激光生命科学教育部重点实验室的研究人员发展了一种新型、高效，且对人体无损的脑组织检测方法，这项基于光声、热声技术的脑组织结构和功能的研究，以小白鼠为模型，证明了光声、热声成像技术既能显示生物组织的形态结构，又能进行组织内部异物的定位检测。与临床医学中普遍使用的检测方法相比，这种新方法不仅对人体完全无损，而且具有低成本、高精度的特点，有望发展成为新型的脑功能成像技术。这一研究成果发表在新一期的《中国科学》上。



　　领导这一研究的是华南师范大学教授杨思华。



　　该研究自2000年起就获得了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的持续资助。



　　<b>现有检测方法的不足</b>



　　杨思华向《科学时报》记者介绍说，目前临床中普遍使用的检测方式主要有纯光学成像法、超声成像法、X射线技术和核磁共振成像技术。这些方法虽然各有所长，但同时也各有弱点。



　　纯光学成像（荧光成像、光学散射成像和光学相干成像等）方法，随着光穿透组织深度的增加，以及光在组织中的强散射性，使成像的空间分辨率随深度增加迅速下降，因此很难应用于深层组织的医学研究和疾病诊断。



　　利用超声辐照于人体的超声成像法，超声波在人体内传播的过程中遇到声阻抗变化的界面时发生反射，通过反射回来的回行波形成图像，但这种方法对于早期病变部位成像的对比度很低。



　　X射线技术则是借助X射线通过人体时，各部分组织对X射线的吸收差异产生不同的阴影所形成的图像，但这种方法采用对人体有害的射线作为内部信息的载体，有可能导致癌变几率增加，因而其应用受到很多限制。



　　核磁共振成像作为一种比较完善的成像检测方法，通过以不同的射频脉冲序列对组织激励后，用线圈检测技术获得组织弛豫信息与质子密度信息，核磁共振检测法虽然也是无损的，但它的设备成本造价高、使用及维护费用昂贵，在临床中无法实现小型化。



　　因此，研究和发展一种低成本、高对比度和高分辨率的无损医学成像方法，是临床医学领域亟待解决的问题。



　　<b>光声、热声成像结合的新思路</b>



　　杨思华指出，光声、热声成像技术是分别以脉冲激光和脉冲微波作为成像激发源，根据生物组织内部光吸收差异和微波吸收差异，以超声作为信息载体的一种非电离化的新型医学成像方法。光声成像有机结合了纯光学成像和纯超声成像的特性，用超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子，提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像，图像的对比度可以真实地反映生物组织内部的光吸收差异特性。



　　根据不同组织的光及微波吸收差异，杨思华利用光声成像，在体观测了小鼠脑皮层血管的分布结构，对由外部针刺所致的脑损伤及脑皮层出血进行高分辨成像，并利用血管光声信号的强度反映血容量的变化，实现了光声脑缺血检测。他还应用热声成像，对小鼠脑部金属异物进行定位检测，结合光声脑皮层血管损伤成像，实现快速异物定位及组织损伤检测双结合的功能成像。实验结果表明，光声、热声成像既能显示生物组织的形态结构，又能进行组织内部异物的检测。



　　“传统检测方法中所存在的各种不足，对于光声、热声成像技术来说就不存在。”杨思华说：“相对于超声成像，它能够反映声阻抗相同但光吸收特性不同的组织信息。而热声成像利用脉冲微波作为激发源，能进一步提高组织的成像深度。由于生物组织的光或微波吸收特性与生物组织结构功能和病理特征紧密相关，通过测量生物组织光吸收参数的变化和含水量差异的改变，就可以获得生物体生理状态变化的信息。”



　　为检验这种方法的可靠性，杨思华进行了对比实验。他分别用光声、热声成像和数字X光成像两种方法，对小白鼠作脑部异物的检测和定位，通过两种检测结果的对比，X光图像所显示的异物位置和形状大小与光声、热声重建图像所得到的结果基本一致，从而进一步证实了光声、热声成像方法用于组织异物的无损成像及定位检测的可靠性。



　　对于这项新的检测方法，杨思华强调：“这种方法利用的是对人体无害的光或微波作为激发源，而且检测过程中无需注射相应的造影剂，从而真正达到了无损检测成像的目的。”



　　另外，因为光声、热声成像对不同组织成分具有选择性，这种方法在乳腺肿瘤的早期检测领域同样前景广阔。



　　“因为早期肿瘤生长时需要比正常组织更多的营养成分，所以在肿瘤实体及其周围，会随着肿瘤的发展诱导血管增生以提供养分。肿瘤组织中的血液及含水量因此会比正常组织中的高，而这正好为光声、热声成像提供了天然内源的对照。”杨思华解释。



　　<b>两大问题尚待解决</b>



　　光声、热声技术的成像检测技术具有如此多的优点，因此其在临床应用上前景广阔。但目前这种方法仍处于实验室研究阶段。杨思华认为，就目前的研究成果来看，有两个方面还需进一步完善。



　　杨思华指出，由于组织中对激光强吸收并产生光声信号的常见光吸收体是血液中的血红蛋白，光声成像的图像对比度取决于血液相对于周围组织的吸收对比度。实验发现，对于波长为532nm的脉冲激发光，血液的吸收系数远远大于脑部灰质、白质的吸收系数。



　　因此，如果要在不破坏脑部皮肤和头盖骨，并无需注射相应的造影剂的前提下，得到高对比度和高分辨率的血管成像，必须选择合适的纳米级波长的脉冲激光激发。



　　“但是，现有的纳米级激光器发出的每一个单发激光束的能量都不是很稳定，容易导致在检测中出现误差。因此，必须找到稳定的激光源。不过，这个问题我们无能为力，也只能等待相关领域的科学家取得突破了。”杨思华说。



　　另外，如何解决非研究层面的光信号的干扰，减少这些光声信号对检测的影响，避免影响光声重建图像的质量还是一个难题，也是能否建立稳定可靠、适用于临床的光声检测系统的关键。



　　“我认为，应用聚焦超声换能器改善探测器的层析能力，或者研究发展三维的信号采集投影算法，都将有助于减少非研究层面光声信号对成像质量的影响。”对这个问题的解决，杨思华充满信心。