【摘 要】
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背景和目的随着生物医学成像技术的不断进步,人体的奥秘逐渐揭开了神秘的面纱,科学家们对于人体的认知不断取得突破。但由于大脑结构与功能的复杂性,神经科学家们对于大脑的认识还远远不足。特别的,大脑中血脑屏障（Blood Brain Barrier,BBB）的存在阻碍了分子造影剂进入大脑组织中,是分子影像中的一大难题。通过捕获生物组织本身具有或分子造影剂的某种特征,生物医学成像技术能够得到生物组织相应的影
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背景和目的随着生物医学成像技术的不断进步,人体的奥秘逐渐揭开了神秘的面纱,科学家们对于人体的认知不断取得突破。但由于大脑结构与功能的复杂性,神经科学家们对于大脑的认识还远远不足。特别的,大脑中血脑屏障（Blood Brain Barrier,BBB）的存在阻碍了分子造影剂进入大脑组织中,是分子影像中的一大难题。通过捕获生物组织本身具有或分子造影剂的某种特征,生物医学成像技术能够得到生物组织相应的影像学图像,进而揭示生物体正常或异常的信息。光吸收系数和光散射系数是生物体重要的物理参数,通过对光吸收系数和光散射系数进行解析,同样可以得到组织的结构或功能信息。目前,组织的光散射系数可以通过光学相干层析术（Optical Coherence Tomography,OCT）得到,而光吸收系数可以通过光声成像（Photoacoustic Imaging,PAI）进行获取。与OCT相比,PAI拥有更深的成像深度,在脑成像上拥有更大的应用潜力。本文基于自主搭建的光声显微镜（Photoacoustic Microscopy,PAM）对PAI在小动物脑结构成像以及光声波打开BBB的应用进行了探索性研究。研究方法（1）自主搭建PAM系统,并对PAM系统和OCT系统的空间分辨率、成像深度进行测量。然后利用OCT和PAM分别获取了斑马鱼大脑的光散射和光吸收信息,对斑马鱼的大脑结构进行重建。实验过程中设计并通过3D打印技术打印用于固定斑马鱼并保证其生存的模型。（2）利用532nm,700nm和800nm的激光作为激发源,分别对斑马鱼大脑进行了不同波长下的成像。并对图像进行了光谱分析,以显示斑马鱼大脑中不同成分的分布。（3）对PAM系统的光源进行调整,将系统的激发波长调整为1064nm,然后测量系统的空间分辨率。利用透射电镜测量纳米粒子的大小,光谱仪测量纳米粒子的光吸收,PAM系统测量纳米粒子的光声信号响应性能以及纳米粒子信号增强下系统成像深度。将纳米粒子注射进入小鼠体内,在近红外二区对小鼠脑血管进行增强成像。在激发光波长为532nm的情况下,产生的光声波将对比剂扩散到脑血管以外,验证光声波开启BBB的可行性。实验结果（1）PAM系统具有53.63μm的轴向分辨率和5.98μm的横向分辨率,OCT系统具有7.78μm的轴向分辨率和11.46μm的横向分辨率,两者的成像深度分别达到了2.2mm和2mm。PAM和OCT都得到了与病理结构高度一致的斑马鱼大脑结构,PAM在斑马鱼大脑中的成像深度则超过OCT,达到了1.5mm,证明了PAM在斑马鱼大脑结构成像上的应用潜力。（2）对斑马鱼大脑进行的不同波长下的成像,得到了斑马鱼大脑的多波长PAM成像。图像的光谱分析显示了斑马鱼大脑中不同成分的分布。这对PAM在斑马鱼大脑功能成像上的应用提供了思路。（3）纳米粒子在体外具有优异的光声性能,且光声信号强度可与浓度呈现良好的线性关系。纳米粒子增强下成像深度达到了4mm。利用纳米粒子,PAM实现了对小鼠脑血管的成像,为进一步探索小鼠BBB的开启和大脑的功能奠定了基础。在激发光波长为532nm的情况下,产生的光声波可将对比剂扩散到脑血管以外,实现了小鼠BBB的开启,验证了光声波开启BBB的可行性。研究结论本论文证明了光声效应在小动物脑成像包括结构成像和功能成像上具有良好的应用前景。此外,光声波开启BBB是一种可行的方案,为大脑疾病的成像和治疗提供了一种新的思路。
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