关键词：
光声内窥成像
成像稳定性
数据实时处理
肿瘤微血管
摘要：
肠胃道癌症的早诊早治对提高患者的治愈率和生存率,减少治疗负担至关重要。肿瘤滋养血管的生成和发育是肿瘤发生发展过程中的一个非常重要特征,实现肿瘤滋养血管的检测有望带动癌症早诊早治的重大发展,但是目前临床尚未有相关的成像技术可以高分辨、高灵敏地提供相关信息。
光声成像作为一种新型的成像技术,可以在没有外源性标记的情况下进行高灵敏微血管成像,实现对滋养血管无创、精确、长时间连续观察,有望在癌症早诊早治方面发挥重要价值。前期的光声肿瘤血管成像研究主要聚焦在体外,已经初步证明了该技术的临床应用潜力。为了能够将光声成像技术应用在消化道内窥领域,研究人员已经开发了各种形式的光声内窥成像设备,并已充分证明了该技术的体内成像能力。实现基于内源性对比机制的活体状态下肿瘤滋养血管显微可视化,是研究人员一直以来追求的目标之一。但目前的研究报道主要集中在声学分辨率成像,实现光学分辨率光声活体内窥成像还存在成像稳定性要求高以及数据难以实时处理等挑战。
本文以实现消化道肿瘤微血管高分辨成像为目标,研究内容主要从以下几个方面展开。
首先,本文基于光声成像的基本原理,对光声信号在消化道狭窄小环境中的传播和接收特性做了详细分析。在此基础之上,本文设计并实现了具有光学分辨率的光声内窥成像系统,其成像分辨率达到了26.7μm,可以获取肿瘤滋养血管高分辨率成像结果。所设计成像导管直径2 mm,兼容现有临床内镜2.8 mm仪器通道,使之具备一定临床应用可能性。
本文还对内窥成像下因活体高分辨成像带来成像稳定性和数据实时处理问题做了重点研究。首先光学分辨率对成像过程的稳定性提出了更高的要求,为了衡量系统成像稳定性,本文提出了一种基于图像处理的无接触式测量方法,可以在保持与成像过程一致的条件下量化成像扫描稳定性。借助这一方法,本文完成了导管设计优化和关键部件选型优化,最终成像过程中的扫描波动标准差降至0.54。光学分辨率带来的另一大问题是使得成像数据量陡增,加大了数据处理和分析的难度。在内窥成像中,由于不能直接观察到成像部位的状态,没有实时成像结果作为反馈将会大大加剧成像难度。为此,本文设计了基于FPGA和GPU的联合加速处理系统,将处理速度提高了107倍,满足实时成像的需求。另外,在数据量化分析阶段,本文还提出了一种并行化量化算法,相比现有算法速度提升了3倍,节省了数据分析的时间。
最后,本文还进行了活体大鼠直肠肿瘤微血管成像实验。得益于分辨率的提高、成像稳定性改进以及实时成像的辅助,成像系统能够获取较高质量的微血管网络图像,可以分辨出肿瘤微血管和正常组织血管在形态和分布上的差异。进一步的,本文还对成像结果做了量化分析,通过与病理切片比较发现,量化分析结果与病理切片结果具有较好的一致性。
本文的研究内容,在保证内窥成像导管的尺寸具有临床实用价值的前提下,实现了分辨率提升、成像稳定性提升、数据处理速度提升,获得了肿瘤微血管高分辨率成像结果和量化分析结果,有望为消化道癌症早期发现和诊断提供切实可行的帮助。
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