何霄 肖小舟 何濱 薛平 肖嘉瑩?

1) (中南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,長(zhǎng)沙 410083)

2) (清華大學(xué)物理系,低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

光聲泵浦成像是一種新型的高特異性光聲分子影像技術(shù).它可以避免常規(guī)光聲成像中來(lái)自血液等強(qiáng)背景信號(hào)的干擾,實(shí)現(xiàn)組織中微弱目標(biāo)分子的探測(cè),并通過(guò)對(duì)泵浦-探測(cè)激光間的延時(shí)掃描,獲得組織中的氧分壓分布.本文采用亞甲基藍(lán)作為分子探針,通過(guò)對(duì)血紅蛋白溶液中氧分壓變化的監(jiān)測(cè),開(kāi)展了對(duì)光聲泵浦成像的定量分析研究.本文采用高斯噪聲模型,獲得了三重態(tài)差分信號(hào)穩(wěn)定性隨著平均次數(shù)變化的規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上對(duì)氧分壓測(cè)量的誤差進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,在平均次數(shù)為200 次條件下,氧分壓在300—550 mmHg(1 mmHg=133 Pa)區(qū)間內(nèi),所搭建系統(tǒng)的檢測(cè)精度優(yōu)于33 mmHg.本研究將對(duì)光聲泵浦成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用.

1 引言

光聲成像(photoacoustic imaging,PA)是一種新型的生物醫(yī)學(xué)無(wú)損成像方式[1].它通過(guò)收集脈沖激光照射組織所產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行成像,因此兼具了光學(xué)成像豐富的分子影像功能和超聲成像的高穿透深度的優(yōu)勢(shì),在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中顯示了出巨大的應(yīng)用潛力.

光聲成像作為一種大深度分子影像手段,其主要依賴(lài)目標(biāo)分子的特異性光吸收進(jìn)行探測(cè)[2].然而,由于光聲成像中入射激光主要被血液中的血紅蛋白所吸收,所以常規(guī)的光聲成像通常用來(lái)對(duì)組織中的血管網(wǎng)絡(luò)或血氧分布進(jìn)行成像.當(dāng)目標(biāo)分子濃度較低時(shí),其產(chǎn)生的微弱的光聲信號(hào)就會(huì)被淹沒(méi)在血液等強(qiáng)背景光聲信號(hào)中[3,4].因此,常規(guī)的光聲成像僅能對(duì)高濃度的造影劑進(jìn)行成像[5].

光聲泵浦成像是一種基于泵浦-探測(cè)的新型光聲分子影像技術(shù)[6,7].由于生物組織分子的激發(fā)態(tài)壽命通常僅有皮秒或納秒的量級(jí),激發(fā)后會(huì)快速衰減到基態(tài).而對(duì)于亞甲基藍(lán)等卟啉類(lèi)分子,其三重態(tài)壽命可達(dá)微秒量級(jí).因此光聲泵浦成像可以通過(guò)探測(cè)光信號(hào)的差分,排除血液等強(qiáng)背景光聲信號(hào)的干擾,對(duì)處于三重態(tài)的該類(lèi)分子實(shí)現(xiàn)高選擇性的探測(cè).因此,光聲泵浦成像可以結(jié)合現(xiàn)代分子探針技術(shù),實(shí)現(xiàn)大深度、高特異性的目標(biāo)分子成像[8].此外,光聲泵浦成像還可以通過(guò)對(duì)三重態(tài)壽命的探測(cè),在不依賴(lài)于探針濃度的情況下獲得生物體內(nèi)氧分壓的分布[9,10].在近期的工作中,本課題組提出了一種新穎的脈沖激光延遲調(diào)節(jié)技術(shù)[11],實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)化的光聲泵浦成像,并通過(guò)交錯(cuò)采集的方法,有效抑制了激光器能量的波動(dòng),顯著地提升了光聲泵浦成像的速度和精度,使得該技術(shù)在光動(dòng)力治療監(jiān)測(cè)等臨床中的應(yīng)用成為了可能[12].

然而,目前光聲泵浦成像技術(shù)的研究仍處于初始階段.首先,光聲泵浦成像需要進(jìn)行大量的信號(hào)平均,以獲得高信噪比的三重態(tài)差分圖像,但是目前缺乏相關(guān)的圖像穩(wěn)定性的研究.此外,基于該技術(shù)的氧分壓監(jiān)測(cè)目前也仍處于定性研究階段,同樣缺乏相關(guān)的誤差量化分析研究.為此,本文搭建了一套基于亞甲基藍(lán)的光聲泵浦氧分壓檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)對(duì)牛血紅蛋白溶液中氧分壓的監(jiān)測(cè),展開(kāi)對(duì)光聲泵浦成像技術(shù)的定量研究.本文將對(duì)信號(hào)平均次數(shù)與三重態(tài)差分信號(hào)穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行量化分析,并進(jìn)一步對(duì)所測(cè)氧分壓的不確定度進(jìn)行研究,從而對(duì)基于光聲泵浦的氧分壓測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估,為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和臨床應(yīng)用提供依據(jù).

2 研究方法

2.1 基于光聲泵浦的氧分壓測(cè)量原理

光聲泵浦技術(shù)原理如圖1 所示.采用兩束脈沖激光照射樣品,其中泵浦光用來(lái)將目標(biāo)分子激發(fā)到激發(fā)態(tài),由探測(cè)光對(duì)處于激發(fā)態(tài)的目標(biāo)分子進(jìn)行探測(cè).當(dāng)卟啉類(lèi)分子(如亞甲基藍(lán))被泵浦光激發(fā)時(shí),它會(huì)從基態(tài)S0激發(fā)到激發(fā)單重態(tài)S1,然后通過(guò)系間竄越(intersystem crossing,ISC)轉(zhuǎn)變?yōu)槿貞B(tài)(T1),由于自旋禁制的作用,這類(lèi)T1態(tài)分子相對(duì)穩(wěn)定,壽命為微秒量級(jí).因此在探測(cè)光照射時(shí),仍然有大量分子處于T1態(tài).然而,生物組織內(nèi)大多數(shù)分子激發(fā)態(tài)壽命僅為皮秒納秒量級(jí),泵浦光照射后會(huì)迅速衰減,處于激發(fā)態(tài)的分子很少.因此,可通過(guò)是否存在泵浦光時(shí)所得的光聲信號(hào)的差分,選擇性地獲得T1態(tài)分子的光聲信號(hào).這樣,就可以排除組織內(nèi)的血液等其他光吸收物質(zhì)的背景信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)卟啉等具有T1態(tài)的分子的高特異性成像.上述光聲差分檢測(cè)方法稱(chēng)為瞬態(tài)三重差分(transient triplet differential,TTD),計(jì)算公式如下:

其中,STTD,t=τ是通過(guò)差分去除背景后得到的TTD信號(hào),Spump+probe,t=τ是泵浦和探測(cè)光同時(shí)激發(fā)時(shí)的光聲信號(hào),Spump,t=τ是僅泵浦光激發(fā)產(chǎn)生的泵浦光信號(hào),Sprobe,t=τ是僅探測(cè)光激發(fā)產(chǎn)生的探測(cè)光信號(hào),τ 表示探測(cè)激光相對(duì)于泵浦激光的延遲時(shí)間.

值得注意的是,T1態(tài)分子可與生物組織中的氧分子相互作用并發(fā)生動(dòng)態(tài)淬滅(分子氧得到能量變成單線態(tài)氧,T1態(tài)分子失去能量返回基態(tài)S0),使處于T1態(tài)分子的壽命進(jìn)行縮短,因此可通過(guò)T1態(tài)的壽命計(jì)算得到組織中的氧分壓(oxygen partial pressure,pO2).TTD 信號(hào)幅值和T1態(tài)壽命的關(guān)系為

其中,A(t) 代表延遲時(shí)間τ=t時(shí)的TTD 信號(hào),A0代表TTD 信號(hào)衰減前的幅度,而T則是估計(jì)得到的T1態(tài)壽命.通過(guò)以下公式可將壽命T轉(zhuǎn)換為生物組織中的pO2:

其中,T0代表當(dāng)pO2=0 mmHg 時(shí)的T1態(tài)壽命,而kQ則是淬滅速率常數(shù).對(duì)于亞甲基藍(lán)分子而言,T0=79.6 μs,kQ=0.0036 μs-1·mmHg-1.

2.2 光聲泵浦氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2(a),包括兩臺(tái)OPO 可調(diào)諧激光器(SpitLight OPO 600)、一臺(tái)數(shù)字延遲/脈沖發(fā)生器(DG645,Stanford Research Systems,CA)、一個(gè)5 MHz 水浸超聲平探頭(中心頻率5 MHz、晶元尺寸6 mm、帶寬80%,常州道博超聲電子有限公司定制)、脈沖接收/發(fā)射器(DPR500,Imaginant,NY)以及一張數(shù)據(jù)采集卡(NIPCI-5124).其中泵浦OPO 激光器由355 nm 光泵浦,采用665 nm對(duì)亞甲基藍(lán)激發(fā),另一臺(tái)OPO 激光器由532 nm光泵浦,用于產(chǎn)生830 nm 的探測(cè)光.兩臺(tái)激光器重復(fù)頻率均為20 Hz.泵浦和探測(cè)激光器通過(guò)一個(gè)二向色鏡耦合到 1×2 光纖束中.光纖束的輸出端是兩個(gè)1.5 mm×3.5 cm 的矩形狀輸出口,固定在線性超聲陣列的兩側(cè),如圖2(b)所示.泵浦激光器在樣本上的激光能量密度為15 mJ/cm2,探測(cè)激光為23 mJ/cm2,均在人體安全閾值之內(nèi)[13].

采集數(shù)據(jù)時(shí)的序列流程如圖2(c)所示.在光聲泵浦成像中,通過(guò)DG645 在50 ms 的周期內(nèi)產(chǎn)生4 種相互之間有設(shè)定延時(shí)的脈沖,分別作為兩臺(tái)激光器的Flash和Q-switch 觸發(fā)信號(hào).同時(shí),探測(cè)脈沖的觸發(fā)信號(hào)也作為5124 采集卡的采集觸發(fā)信號(hào).當(dāng)激光器出光后,照在樣品上產(chǎn)生光聲效應(yīng),通過(guò)超聲探頭采集信號(hào)并傳輸?shù)紻PR500 將信號(hào)放大,接著傳輸?shù)?124 采集卡采集并保存到主機(jī).通過(guò)上述步驟采集到Spump+probe,t=τ,Spump,t=τ和Sprobe,t=τ三種序列的數(shù)據(jù),再經(jīng)過(guò)差分后獲得TTD信號(hào).由于OPO 激光器需要穩(wěn)定工作在20 Hz,所以泵浦光和探測(cè)光總會(huì)同時(shí)出光.為獲取僅存在泵浦光或者探測(cè)光時(shí)候的光聲信號(hào),本文采用一種激光脈沖延遲調(diào)節(jié)技術(shù),使用DG645 將OPO 泵浦光或探測(cè)光相對(duì)于采集卡觸發(fā)信號(hào)向后調(diào)制一段時(shí)間(如1 ms 左右),這樣就可實(shí)現(xiàn)三種采集序列的快速自動(dòng)采集.在此基礎(chǔ)上,三種序列采用交錯(cuò)采集的方式,從而避免了激光器能量長(zhǎng)周期波動(dòng)的影響,有利于降低平均次數(shù),提高采集效率.

本文中所測(cè)樣品為摻有100 mg/mL 牛血紅蛋白的亞甲基藍(lán)溶液(濃度為400 μmol/L).為改變?nèi)芤旱膒O2,本文搭建了一套相對(duì)密閉的溶液循環(huán)裝置,包括一個(gè)二口燒瓶、一個(gè)三口燒瓶、氣體流量計(jì)、兩個(gè)蠕動(dòng)泵及其軟管和一個(gè)與軟管連通的透明塑料裝樣管.通過(guò)氣體流量計(jì)將氧氣和氮?dú)夥謩e通入三口瓶的溶液中,并借助氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)兩種氣體的通入速率來(lái)改變?nèi)芤旱膒O2,如圖2(b)所示.

2.3 材料與氧分壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

亞甲基藍(lán)是一種芳香雜環(huán)化合物,其分子式為C16H18ClN3S,常被用作化學(xué)指示劑、染料等[14].作為一種臨床上使用的注射藥物,已經(jīng)通過(guò)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局的批準(zhǔn)[15,16],并在近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各種光動(dòng)力治療的相關(guān)研究中[17,18].本文確定了亞甲基藍(lán)的S0態(tài)吸收峰為665 nm,其T1態(tài)的最大吸收峰為830 nm 左右.為確定亞甲基藍(lán)T1態(tài)的最大吸收峰,本文用400 μmol/L 的亞甲基藍(lán)溶液進(jìn)行了光聲光譜掃描實(shí)驗(yàn)(平均次數(shù)n=500),并通過(guò)(1)式計(jì)算得到不同探測(cè)波長(zhǎng)下的TTD 信號(hào),從而獲得其T1態(tài)的瞬態(tài)光吸收譜.

TTD 信號(hào)的波動(dòng)性是光聲泵浦成像系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要表征,直接影響到信號(hào)平均次數(shù)的選擇與檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性.為考察血紅蛋白濃度以及亞甲基藍(lán)濃度對(duì)TTD 信號(hào)的影響,本文進(jìn)行兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn).在第1 組實(shí)驗(yàn)中,樣品溶液中的亞甲基藍(lán)濃度為400 μmol/L,共設(shè)置了100,50 和0 mg/mL三種不同濃度的牛血紅蛋白測(cè)試樣品.其中,100 mg/mL 與人體血紅蛋白濃度相似,可用于模擬正常血液條件.第2 組實(shí)驗(yàn)中,牛血紅蛋白的含量為0 mg/mL,亞甲基藍(lán)的濃度分別為50,100,200 和400 μmol/L.信號(hào)的平均次數(shù)為200 次.

為獲得系統(tǒng)在不同pO2下的測(cè)量誤差,本文采集了6 組不同pO2下的光聲泵浦?jǐn)?shù)據(jù),其對(duì)應(yīng)的氮?dú)夂脱鯕馔ㄈ胨俾实谋戎捣謩e為1∶0.25,1∶0.5,1∶0.75,1∶1,1∶1.5 和1∶2.在每個(gè)氮氧比下循環(huán)通氣30 min 后,采集不同延遲下管中樣品的TTD信號(hào),并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得到T1態(tài)壽命和pO2.為了平衡采集時(shí)間和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,平均次數(shù)n設(shè)置為200 次.泵浦和探測(cè)光之間的延遲時(shí)間共有10 個(gè),分別為0,0.5,0.75,1,1.5,2,2.75,3.5,4 和6 μs.

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

在光聲泵浦成像中,pO2是通過(guò)T1態(tài)壽命T轉(zhuǎn)化得到的,而T是通過(guò)對(duì)不同延時(shí)τ 下采集得到的TTD 信號(hào)擬 合得 出,因 此pO2測(cè)量的準(zhǔn)確性和TTD 信號(hào)密切相關(guān).TTD 信號(hào)既會(huì)受兩臺(tái)OPO激光器脈沖能量波動(dòng)的影響,也會(huì)受到組織內(nèi)血液等背景信號(hào)的干擾,因此需要大量樣本數(shù)據(jù)取平均值,才能獲得可靠的數(shù)據(jù).基于以上原因,研究平均次數(shù)對(duì)TTD 的測(cè)量誤差之間的關(guān)系顯得尤為重要.

本文采用交錯(cuò)采集的方法獲取TTD 數(shù)據(jù),可認(rèn)為單次測(cè)量得到的TTD 信號(hào)符合隨機(jī)獨(dú)立分布[19].因此,本文通過(guò)多次采集得到TTD 的樣本標(biāo)準(zhǔn)差s,來(lái)估算平均后TTD 信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)誤差(standard error of the mean,SEM),計(jì)算公式為[20]

式中,n為平均次數(shù);TTD 信號(hào)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差s計(jì)算公式為[21]

其中,xi為樣本中第i個(gè)檢測(cè)值,為樣本均值.

由(4)式可知,TTD 平均后的測(cè)量誤差是隨著平均次數(shù)n的增大而減小,但在實(shí)際的pO2測(cè)量中,由于采集的數(shù)據(jù)量較大,平均次數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng),所以需要平衡采集時(shí)間和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度之間的關(guān)系,合理地設(shè)置平均次數(shù)n.

為對(duì)不同pO2下光聲泵浦檢測(cè)的誤差進(jìn)行評(píng)估,本文以TTD 標(biāo)準(zhǔn)誤差 SE 為基礎(chǔ),采用高斯噪聲模型,模擬生成不同pO2不同延時(shí)下的測(cè)量數(shù)據(jù),然后擬合處理得到pO2數(shù)值,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析獲得系統(tǒng)pO2測(cè)量的不確定度.模擬得到的TTD 數(shù)據(jù)As(τ,p)如下式所示:

其中,Ae(τ,p)和SE(τ,p) 分別是氧分壓為p、延遲為τ條件下,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的TTD 信號(hào)幅值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,RAD 為采用box-muller 方法生成的“服從標(biāo)準(zhǔn)高斯分布”的隨機(jī)數(shù)[22].對(duì)每個(gè)不同的,本文模擬生成了10000 組測(cè)量數(shù)據(jù),其中每組測(cè)量的信號(hào)平均次數(shù)為200 次.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 亞甲基藍(lán)的瞬態(tài)吸收譜

亞甲基藍(lán)的基態(tài)(S0)光吸收譜可由分光光度計(jì)獲得,其吸收峰在665 nm,如圖3(a)所示.因此,本文采用665 nm 作為激發(fā)波長(zhǎng),測(cè)量了亞甲基藍(lán)T1態(tài)的吸收光譜(如圖3(b)).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在700—900 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi),MB 溶液的TTD信號(hào)首先隨波長(zhǎng)的增大而增加,在755 nm 處上升趨勢(shì)變緩慢,隨后又逐漸上升,在830 nm 左右達(dá)到峰值,之后逐漸減小.因此,本文最終選擇830 nm作為探測(cè)光波長(zhǎng).

圖3 亞甲基藍(lán)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收光譜 (a) 基態(tài)吸收光譜圖;(b) 經(jīng)能量校正后的T1 態(tài)吸收光譜圖Fig.3.Ground-state and excited-state absorption spectra of methylene blue: (a) The absorption spectrum of the ground state;(b) the energy-corrected absorption spectrum of the T1 state.

光聲泵浦成像能夠通過(guò)信號(hào)差分的方法去除血液等強(qiáng)背景信號(hào),獲得T1態(tài)分子的光聲信號(hào).圖4(a)為400 μmol/L 亞甲基藍(lán)溶液采集100 次平均后得到的Spump+probe,τ=0,Spump,τ=0,Sprobe,τ=0和STTD,τ=0信號(hào).可以看出,亞甲基藍(lán)的泵浦光和TTD 信號(hào)都明顯大于探測(cè)光,這證明了亞甲基藍(lán)有較高的基態(tài)和T1態(tài)激發(fā)效率.對(duì)于單次測(cè)量的TTD 信號(hào),提取其在圖4(a)中TTD 平均信號(hào)峰值處(黑線)的值,可得100 次測(cè)量TTD 信號(hào)幅值的分布,如圖4(b)所示.可以看出,TTD 幅值圍繞其均值(紅線)在上下波動(dòng),其波動(dòng)幅度代表了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

圖4 通過(guò)光聲泵浦成像得到的光聲信號(hào) (a) 歸一化后的MB 的光聲信號(hào)示意圖;(b) 歸一化后的TTD 幅值分布圖(基于平均值歸一化)Fig.4.Photoacoustic signals obtained through photoacoustic pump-probe imaging: (a) Schematic representation of the normalized photoacoustic signal of MB;(b) normalized distribution of TTD amplitude (normalized to the mean).

3.2 TTD 信號(hào)波動(dòng)性的影響因素研究

圖5(a)顯示了不同濃度牛血紅蛋白溶液歸一化后TTD 標(biāo)準(zhǔn)差(橘紅色虛線),以及歸一化后的泵浦光信號(hào)的幅值(藍(lán)色虛線).可以看出,隨著樣品中血紅蛋白濃度的加大,其泵浦光信號(hào)逐漸增大,同時(shí)其TTD 幅值的波動(dòng)性也在加大.其中,泵浦光信號(hào)的增大是由于溶液光吸收系數(shù)的增大.由于各組測(cè)量相對(duì)獨(dú)立,因此泵浦光信號(hào)的增加必然造成泵浦光信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的增大.而由(1)式和(5)式可知,其也會(huì)造成TTD 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的增大.

圖5 TTD 信號(hào)波動(dòng)性分 (a) 含不同濃度牛血紅蛋白的TTD 標(biāo)準(zhǔn)差;(b) 含不同濃度亞甲基藍(lán)溶液的TTD 標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5.Analysis of TTD signal variability: (a) TTD standard deviation with different concentrations of bovine hemoglobin;(b) TTD standard deviation with different concentrations of methylene blue solution.

另外,當(dāng)溶液中血紅蛋白含量一定,僅亞甲基藍(lán)濃度發(fā)生變化時(shí),可見(jiàn)TTD 的標(biāo)準(zhǔn)差始終保持在8%以下(圖5(b)).這是因?yàn)樵谂Ｑt蛋白濃度一定的情況下,溶液中亞甲基藍(lán)的濃度變化并不會(huì)引起其光吸收系數(shù)的太大改變.這兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在亞甲基藍(lán)濃度較低的條件下,光聲泵浦成像的穩(wěn)定性主要受到樣品背景信號(hào)波動(dòng)的影響,背景信號(hào)越強(qiáng),TTD 信號(hào)的幅值波動(dòng)越大.

3.3 光聲泵浦對(duì)氧分壓的定量分析研究

由于測(cè)量單組TTD 衰減曲線所需時(shí)間(平均200 次)可達(dá)10 min,所以本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的TTD 數(shù)值及其標(biāo)準(zhǔn)差,通過(guò)數(shù)值模擬的方法獲得了1 萬(wàn)組TTD 衰減曲線,來(lái)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估.因此,對(duì)于單個(gè)可擬合得到1 萬(wàn)個(gè)T1態(tài)壽命.圖6(b)為氮氧比為1∶0.25 的條件下,對(duì)模擬所得的1 萬(wàn)個(gè)T1態(tài)壽命排序后得到的累計(jì)分布圖.圖中橫坐標(biāo)是排序后的樣本序號(hào),縱坐標(biāo)為T(mén)1態(tài)壽命.可以看出,所得T1態(tài)壽命T分布在0.85—0.97 μs 之間.此外,數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明,這1 萬(wàn)條TTD 衰減曲線的擬合優(yōu)度R2均在該組原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 ±2% 范圍內(nèi),表明了在均次數(shù)200 次時(shí)獲得了較好的測(cè)量準(zhǔn)確性.

圖6(c)為根據(jù)圖6(b)所得的累積概率積分曲線.對(duì)該曲線進(jìn)行微分即可得概率密度分布曲線,如圖6(d)中紅色點(diǎn)狀曲線所示.圖6(d)中藍(lán)色曲線為概率密度分布曲線多項(xiàng)式擬合后所得平滑后的曲線,其能克服模擬次數(shù)的限制,更好地反映系統(tǒng)pO2測(cè)量值的概率密度分布.可以看出,該組氮氧比下最大似然的T1態(tài)壽命為0.9094 μs,相應(yīng)的95% 置信區(qū)間為0.8833—0.9375 μs.

通過(guò)(3)式將每組模擬所得的T1態(tài)壽命轉(zhuǎn)化為值,即可得檢測(cè)值的統(tǒng)計(jì)分布.圖6(e)顯示了6 組不同氮氧比下最大似然的數(shù)值,與其對(duì)應(yīng)的T1態(tài)壽命.圖中曲線上標(biāo)注的誤差棒為T(mén)1態(tài)壽命的95%置信區(qū)間.將圖6(e)中綠色圈所示數(shù)據(jù)(氮氧比為1∶1)放大可得圖6(f).可以看出,其T1態(tài)壽命測(cè)量值在0.641—0.672 μs 范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)應(yīng)的在409.7—429.6 mmHg 范圍內(nèi)波動(dòng),測(cè)量誤差約為最優(yōu)值的4.75%.同理,也得到了其他組的測(cè)量誤差,分別為4.53%,5.01%,5.84%,4.75%,5.73%,5.69%.可見(jiàn),本文中光聲泵浦氧分壓檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差總體保持在6%以下,具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確性.

4 討論

傳統(tǒng)的光聲成像由于受到強(qiáng)血液背景信號(hào)的干擾,其分子影像能力較弱.相對(duì)地,光聲泵浦成像可以通過(guò)對(duì)亞甲基藍(lán)等具有長(zhǎng)壽命T1態(tài)的探針?lè)肿拥谋闷?探測(cè),實(shí)現(xiàn)深層組織中的微弱目標(biāo)分子的高特異性成像.此外,光聲泵浦成像還可以實(shí)現(xiàn)不依賴(lài)于探針濃度的組織氧分壓的定量檢測(cè),在腫瘤、神經(jīng)和心血管等的臨床診斷中有廣泛應(yīng)用前景.然而,光聲泵浦成像長(zhǎng)期以來(lái)一直在成像速度、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等方面面臨挑戰(zhàn).雖然本課題組提出的激光脈沖延遲調(diào)節(jié)技術(shù),以及其他一系列新型脈沖序列設(shè)計(jì)方法,有力地提升了其成像速度和質(zhì)量,但是總體上光聲泵浦成像的研究仍處于初級(jí)階段,對(duì)其成像穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的定量分析研究還非常少.

光聲泵浦成像以TTD 差分成像為基礎(chǔ).在TTD信號(hào)波動(dòng)性分析中,本文采用高斯噪聲模型來(lái)評(píng)估該技術(shù)方法的檢測(cè)性能.顯然,隨著平均次數(shù)的增加,TTD 信號(hào)的噪聲會(huì)顯著減少,進(jìn)而提升圖像的質(zhì)量和可靠性.然而,需要注意的是,增加平均次數(shù)會(huì)導(dǎo)致時(shí)間分辨率的降低,并且過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)采集會(huì)導(dǎo)致激光出光能量逐漸衰減,進(jìn)一步影響成像的準(zhǔn)確性.因此,在選擇平均次數(shù)時(shí)需要權(quán)衡穩(wěn)定性和時(shí)間分辨率之間的關(guān)系,根據(jù)具體需求進(jìn)行平衡.在本研究中,采集一組氧分壓數(shù)據(jù)所需的時(shí)間為5 min.如果需要提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率,需要降低背景血紅蛋白濃度,或者降低對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度的要求.對(duì)于氧分壓變化本文研究還表明,與不同亞甲基藍(lán)濃度的影響相比,背景信號(hào)的強(qiáng)度是影響TTD 信號(hào)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素.

本文的研究結(jié)果將有助于對(duì)基于光聲泵浦的氧分壓測(cè)量方法的理解,并為該技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo).例如在光動(dòng)力治療中,光聲泵浦成像技術(shù)有望對(duì)深層組織的光敏劑和變化進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損成像監(jiān)測(cè),從而通過(guò)術(shù)中治療光的實(shí)時(shí)調(diào)整,提高光動(dòng)力治療效果并減少副作用.因此,對(duì)光聲泵浦成像方法成像精度和準(zhǔn)確性的研究,將有助于對(duì)成像速度、泵浦-探測(cè)延遲時(shí)間,及其他相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)的優(yōu)化,以及對(duì)所得光敏劑和圖像的理解,從而有助于進(jìn)行合理的治療干預(yù)決策,助力個(gè)體化的精準(zhǔn)診療.雖然本文僅通過(guò)仿體實(shí)驗(yàn),對(duì)基于光聲泵浦的氧分壓監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行初步的定量研究,但建立的相關(guān)理論框架和數(shù)據(jù)分析方法,將可用于后續(xù)的在體研究中.

5 結(jié)論

光聲泵浦成像通過(guò)差分探測(cè)的方法獲得探針?lè)肿蛹ぐl(fā)態(tài)信號(hào),進(jìn)而通過(guò)衰減分析獲得樣本中的氧分壓.這個(gè)過(guò)程需要經(jīng)過(guò)多個(gè)復(fù)雜的信號(hào)處理步驟.為了定量研究該方法,本文搭建了一套基于光聲泵浦的氧分壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并通過(guò)高斯噪聲模型,首次建立了基于光聲泵浦的氧分壓測(cè)量誤差分析方法,并分析了系統(tǒng)對(duì)摻有亞甲基藍(lán)的血紅蛋白溶液在不同氮氧比下的氧分壓測(cè)量誤差.結(jié)果表明,該系統(tǒng)在200 次樣本平均條件下,在300—550 mmHg的氧分壓區(qū)間內(nèi),其檢測(cè)誤差范圍保持在6%以下.本文相關(guān)研究結(jié)果將推動(dòng)光聲泵浦技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用.