脑功能和针灸脑图谱光声成像技术

论文摘要

现代脑成像技术为神经科学的进一步发展提供了坚实的可视化基础。目前基于脑功能和结构测绘影像的工具主要分为宏观尺度和微观尺度两种类型。宏观成像技术与微观成像技术探测到的脑世界信息有必要进行有效的整合。光声层析成像技术（PAT）应运而生,这种混合成像方式可以用相同的对比机制轻松地涵盖微观和宏观世界的多尺度信息。该技术已经发展成为神经科学领域最新的研究?法之?。论文中我们发展了?种无创动态光声脑功能可视化解决方案,该方案可以提供在?管尺度的视角下全脑皮层以及深层脉管系统高时间空间分辨率的功能和结构图像。该技术可以用来研究基于血流动力学的脑氧合和脑代谢两方面的功能活动,并且具有高时间分辨率及高空间分辨率等优点。既能对特定的伴随神经活动的脑功能区域进行准确、可靠的定位,又能进行长期反复的动态扫描,实时追踪脑内信号的改变。本论文从光声成像基本理论出发,从克服光的穿透深度以及透过头颅检测光声信号这两大光声脑成像的技术难题着手。设计并搭建了两套PAT脑成像系统,构建了用于脑功能成像的技术平台,开辟了光声脑功能成像应用研究的崭新领域。对新型造影剂的开发、造影剂脑部传递效应、药物响应、出血性脑卒中的监测、缺血性脑卒中的监测与治疗、针灸神经调控效应的监测等多方面应用都开展了深入的并具有创新性的研究。这些应用分别涉及到一些神经科学中需要解决的作用机理以及诊断和治疗的难题,填补了光声脑成像在这方面应用的空白。这项PAT技术,将会被?泛应用到?动物大脑生理和病理功能的研究和实践中。这项技术有希望开启光学脑功能成像新纪元,进一步推动脑科学的完善和深化。本论文主要的研究内容汇总如下:1、设计并搭建了两套光声层析成像系统,构建了用于脑功能成像的技术平台;第二套基于阵列探测器及多通道采集的PAT系统是对第一套的全面升级。2、基于大量的文献调研和统计,对国内外用于光声分子影像与微波热声分子影像的造影剂做了非常详细的综述,还讨论了目前光声与微波热声分子影像研究中存在的问题,并指出其研究的发展方向。3、开发了一种基于针灸阳陵泉—金纳米球的新型复合光声造影剂,基于活体实验验证了该复合造影剂可以提高大脑皮层脉管系统与周围组织间的成像对比度以及成像分辨率。4、开发了基于一种对比剂溶液（PEG-GNRs）和物理辅助方法（小鼠足三里穴（ST36）针灸）相互结合的增强光声脑成像对比度及深度的策略。同时也为针灸改善药物（造影剂）传递分布、提高药物疗效的机理提供新的线索。发现了针灸可以作为一种新型的光声成像的“造影剂”。5、利用PAT技术将低剂量和高剂量黄连素对小鼠的脑血流动力学影响进行了活体实验研究。证明了黄连素能够在特定的脑功能区内引起不同程度的HbT浓度增加。验证了PAT可以成为观察药物引起的脑血流动力学响应的强有力的工具,并且可为药物浓度和剂量的选择提供一定的理论依据。6、利用PAT对胶原酶诱导出血性脑卒中这种脑疾病进行了全面的评估。PAT可对小鼠的血肿病变的形态变化,包括血肿的位置、形状和大小进行长时间的可视化监测。它还可以对血肿周围区域的血流动力学变化、血肿占位效应以及血肿占位导致血肿周围区域的缺血缺氧情况做出测绘。该研究证明了PAT技术有潜力成为监测脑卒中治疗效果的有力工具,为治疗方案的制定提供重要依据。7、基于光声层析成像/激光散斑成像这种双模态成像模式对缺血性脑卒中的诊断和针灸治疗方案进行应用研究。得到针灸阳陵泉穴位治疗脑缺血时会引起血红蛋白浓度以及血流速度的相应响应,针灸可对缺血血管扩张以及再灌注这一非常有意义的结论。该项研究证明了PAT有助于监测和评估针灸对脑卒中的疗效和作用机制。重要的是,基于两种脑卒中类型的实验研究,为PAT技术可区分缺血性脑卒中和出血性脑卒中提供强有力的证据。8、开展了部分PAT脑成像的临床前可行性验证的离体以及活体研究。利用受到脑部创伤的大鼠大脑活体实验以及恒河猴脑离体实验对光声成像技术临床前的能力进行了评估,证明了光声成像技术在新生儿脑成像方面的临床应用潜力。9、首次搭建了针灸脑科学的无创PAT动态可视化技术平台。首次基于>200例的光声脑功能成像实验对针灸引起的脑血流动力学响应绘制了全面的图谱。对小鼠周身17个穴位,每个穴位引起的对应变化都做了详细的统计。针灸每个穴位引起大脑活动的10个皮层分区都可精准定位。该技术有可能会成为解释针灸密码,书写针灸字典的重要现代望诊技术。在此过程中设计并制作了专门用作PAT成像过程中实施针灸的小鼠支架。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴丹

导师: 蒋华北

关键词: 光声层析成像,光声分子影像,脑卒中,针灸,血流动力学

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 物理学,临床医学,神经病学,生物医学工程

单位: 电子科技大学

分类号: R741.044;O426.3

总页数: 168

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