定量光聲成像技術(shù)及在骨關(guān)節(jié)炎診斷的研究.pdf

1、骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis，簡(jiǎn)稱OA)，又稱退行性關(guān)節(jié)炎，是一種常見的關(guān)節(jié)炎癥。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，50歲以上人群中，骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率為50％。目前，雖無可以根治該病的方法，但臨床研究表明，如果在骨關(guān)節(jié)炎早期及早發(fā)現(xiàn)并采用手術(shù)或者藥物方法進(jìn)行醫(yī)治，就可以使患病關(guān)節(jié)的病情得到改善。
　　 本文嘗試采用一種新的生物醫(yī)學(xué)成像方法，即光聲成像(PAT，Photoacoustic Tomography)，來進(jìn)行骨關(guān)節(jié)炎的早期診

2、斷。它不僅具有光學(xué)成像各組織間高對(duì)比度的特點(diǎn)，而且能夠提供超聲成像所具有的高分辨率，更重要的是，相比于其它現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)成像方法，它對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)的早期病變更加敏感，從而使得骨關(guān)節(jié)炎早期的診斷效率得到極大提高。
　　 光聲成像的要點(diǎn)在于，它采用一套有效的算法，使得人體關(guān)節(jié)內(nèi)不同組織按光學(xué)特性得到很好地分辨。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一套以有限元和牛頓迭代法為基礎(chǔ)的單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)非線性定量重建算法，來重建人體關(guān)節(jié)組織內(nèi)的光學(xué)參數(shù)，以及如血紅蛋白濃

3、度、水含量、聲速等生理或功能性參數(shù)。相比于現(xiàn)有的其他重建算法，這套算法在于將光聲傳播方程和光擴(kuò)散模型相結(jié)合，所以能夠提供別的重建算法所沒有的光吸收系數(shù)的重建，從而給出定量的結(jié)果，這是這套算法的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。此外，這套算法還消除了普通光聲算法中聲速均勻的假設(shè)，因此除了可以得到和組織內(nèi)各種光吸收物質(zhì)有關(guān)的生理或功能性參數(shù)，還可以得到聲速的分布，為臨床診斷多提供了一個(gè)額外的依據(jù)。
　　 本文從光聲成像的原理出發(fā)，詳細(xì)地推導(dǎo)了單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)

4、定量重建算法，對(duì)多波長(zhǎng)算法的最佳成像條件進(jìn)行了討論，并分別對(duì)單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)算法進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)?zāi)M，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這套算法的有效性和精確性。最后，將單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)算法應(yīng)用于臨床中，對(duì)骨關(guān)節(jié)炎患者和正常人的臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行了圖像重建，得到了關(guān)節(jié)中的光吸收系數(shù)、血氧濃度、水含量、聲速分布等各種生理或功能性圖像。臨床數(shù)據(jù)表明，本文所實(shí)現(xiàn)的單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)算法可以有效的區(qū)分患有骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)和正常關(guān)節(jié)。
　　 本文首次提出了