CN114010152A - 基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法 - Google Patents

基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法，用于实现血脑屏障损伤的高分辨率三维实时评估。该装置包括激光源组件、光束传输组件、光束扫描组件、反射式成像端口组件，信号采集组件和计算机。该方法包括，建立血脑屏障损伤模型；将光声纳米粒子悬浮液经股静脉注射至所建模型的血液；采用双波长光声显微成像的方式，对所建模型进行高分辨率脑成像，其中第一波长和第二波长的脉冲激光分别用于激发血红蛋白和纳米粒子，获取光声数据；对光声数据进行重建，获得大脑的微血管网络结构和纳米粒子的分布情况；通过纳米粒子在血管外侧分布情况，识别血脑屏障的损伤区域，计算血管外纳米粒子的浓度，定量分析损伤程度。

Description

基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法
技术领域
本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法。
背景技术
血脑屏障是一种由内皮细胞和星形胶质细胞组成的多细胞血管结构，能严格调控血液循环和中枢神经系统之间的物质交换，对于维持大脑内环境的稳态起到关键的作用。然而，在休克、颅脑损伤、缺血性脑卒中、脑出血以及癫痫等脑疾病中往往存在严重的血脑屏障损伤，导致原本无法透过血脑屏障的免疫蛋白和代谢废物等侵害神经系统，继而引发严重的神经炎症甚至是神经性功能退化。因此，评估大脑的血脑屏障损伤，实现病灶区域的精准定位，将对于后续的脑疾病治疗策略起到积极的指导作用。
采用影像学方法检测脑实质中内源性分子(白蛋白，免疫球蛋白，纤维蛋白原等)或者是外源性粒子(伊文思蓝，荧光分子，纳米粒子等)的泄露情况，是评估血脑屏障的损伤程度的重要技术手段。然而，采用传统的医学成像技术，如免疫组织化学法，免疫荧光法，共聚焦显微成像，光谱成像，荧光成像，CT、MRI、SPECT等难以在全脑范围下，实现血脑屏障损伤的高分辨率三维实时评估。其中，免疫组织化学法和免疫荧光法需要制作离体的脑组织切片，无法在活体情况下实现评估；共聚焦显微成像设备价格昂贵，并且点对点的扫描机制限制其成像速度，难以实现全脑的血脑屏障损伤的实时评估；光谱成像缺乏深度信息，无法提供血脑屏障损伤的三维分布；荧光成像的分辨率不足，难以实现单根毛细血管的血脑屏障损伤评估；CT、MRI和SPECT成像设备体积过大且价格昂贵，实现难度和应用成本都较高，并且同样存在分辨率不足的问题。
相比于以上传统的影像技术的缺陷与不足，近十几年间新兴起的光声显微成像技术在血脑屏障的损伤评估方面具有显著优势。首先，光声显微成像系统结构简单，价格便宜，相比于传统的CT、MRI和SPECT等成像系统更易于普及化；其次，光声显微成像系统兼具光学成像的丰富对比度与超声成像的高分辨率的优势；更重要的是光声显微成像具备超过衍射极限的成像深度，同时能够获取目标的三维信息，这是传统光学成像手段所不具备的。在实际应用中，通过结合特异性吸收的外源性纳米粒子，可以实现血脑屏障损伤的高分辨率三维实时评估。
发明内容
（一）要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明则提出了一种基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法，其采用高分辨率的双波长光声显微成像系统，可以一次性获取大脑血管网络信息和外源性粒子分布信息；此外，该系统成像范围大，成像速度快，且图像信噪比高，使得其在实现大范围-血脑屏障损伤的高分辨率三维实时评估领域具有巨大的应用潜力。
（二）技术方案
本发明为解决其技术问题，提供了一种基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法，该装置通过第一波长(示例：532nm)和第二波长(示例：810nm)对大脑的血管网络信息和外源性纳米粒子的分布信息进行探测，并基于纳米粒子在血管外部的泄露情况实现血脑屏障损伤区域和损伤程度的评估。
基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置，其特征在于：其包括激光源组件1、光束传输组件2、光束扫描组件3、反射式成像端口组件4，信号采集组件5和计算机6；
所述激光源组件1包括第一波长的纳秒脉冲激光器1-1和第二波长的纳秒脉冲激光器1-2，用于向成像目标发射激光；
所述光束传输组件2包括反射镜2-1、二向色镜2-2、空间滤波器2-3、凸透镜2-4和小孔光阑2-5，用于实现两个波长的脉冲激光的同轴汇聚、整形和准直；
所述光束扫描组件3包括升降电机3-1、二维扫描振镜3-2、振镜控制板3-3、扫描透镜3-4，用于实现汇聚的脉冲激光的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件4包括透光反声的玻璃片4-1、去离子水4-3、成像端面4-3、防水轴承4-4、线聚焦超声换能器4-5、齿轮4-6、导电滑环4-7和步进电机4-8，用于实现脉冲激光的照射以及声学信号的传输和探测；具体地，汇聚光束经扫描透镜聚焦后穿过成像端口腔体，传输至目标物体表面，目标物体吸收激光能量后产生光声信号，经透光反声的玻璃片反射后至线聚焦超声换能器表面并实现探测；
所述信号采集组件5包括低噪信号放大器5-1、带通滤波器5-2和信号采集卡5-3，用于光声信号的放大、滤波和采集；
所述计算机6用于驱动二维扫描振镜实现旋转式扫描与电机的转动；所述计算机也用于实现图像重建，分别获得目标物体的血管网络分布和外源性纳米材料的三维分布，将二者对比分析，实现血脑屏障损伤情况的评估。
更具体地，所述光束传输组件的工作方式如下，第一波长的脉冲激光器1-1发出脉冲激光，经反射镜2-1反射至二向色镜2-2，与第二波长的脉冲激光器1-2发出的脉冲激光实现汇合，汇合后的光束经所述空间滤波器2-3进行空间滤波，再经过所述凸透镜2-4和小孔光阑2-5准直后输入到二维扫描振镜3-2。
更具体地，所述光束扫描组件3的工作方式如下，汇合光束经所述二维扫描振镜3-2反射后，传输至所述扫描透镜3-3，实现对光束的准直和聚焦；经所述升降电机3-1调整后，聚焦后的光束穿过透光反声的玻璃片4-1和去离子水4-2，照射在所述成像端面4-3上方的目标物体；第一波长的激光和第二波长的激光分别被目标物体中的红细胞和外源性纳米材料特异性吸收，产生两组具有时间延迟的光声信号；激发的光声信号经透光反声的玻璃片4-1反射至线聚焦超声换能器4-5表面，由所述线聚焦超声换能器4-5探测接收；在图像采集期间，二维扫描振镜3-2驱动聚焦的光束沿着线聚焦超声换能器4-5的线探测区域覆盖范围扫描一次，然后线聚焦超声换能器4-5在齿轮4-6、步进电机4-8的带动下旋转设定的微小角度，聚焦光束的扫描直径轨迹随即也旋转对应微小的角度，依次执行，直至扫描完成整个圆形成像区域。
更具体地，所述反射式成像端口组件4和所述信号采集组件5的工作方式如下，光声信号经所述线聚焦超声换能器4-5转换成电信号，经过所述导电滑环4-7传输至低噪信号放大器5-1中，放大后的信号再经过所述带通滤波器5-2滤除干扰信号，最后经所述信号采集卡5-3保存至计算机6中。
更具体地，第一波长为532nm，第二波长为810nm。
基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，建立血脑屏障损伤模型，作为待评估对象；
步骤B，将光声纳米粒子悬浮液经股静脉注射至所建模型的血液；
步骤C，采用双波长光声显微成像的方式，对所建模型进行高分辨率脑成像，其中第一波长和第二波长的脉冲激光分别用于激发血红蛋白和纳米粒子，获取血管网络和纳米粒子的光声数据；
步骤D，对两组光声数据进行重建，获得大脑的微血管网络结构和纳米粒子的分布情况；
步骤E，通过纳米粒子在血管外侧的分布情况，识别血脑屏障的损伤区域，计算血管外纳米粒子的浓度，定量分析血脑屏障的损伤程度。
更具体地，步骤A中建立血脑屏障损伤模型，具体是通过颈动脉甘露醇灌注的方式建立大鼠-半脑血脑屏障损伤模型。
更具体地，步骤C中，第一波长为532nm，第二波长为810nm。。
（三）有益效果
相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，其有益效果至少体现在以下几个方面。
（1）本发明了采用双波长激发的光声成像模式，相比于传统的单波长激发模式，能同时捕获大脑血管网络信息和外源性纳米粒子的泄露情况，为评估血脑屏障的损伤提供更全面可靠的信息。
（2）本发明提出的双波长光声显微成像装置，同时具备厘米级别的成像范围和微米级别的高分辨能力。在实际应用中，通过使用高重频脉冲激光源，可以对于动物全脑的血脑屏障损伤实现高分辨率的三维实时评估。
（3）本发明的装置价格低廉，结构小巧紧凑，调试和使用简单方便，且小型化难度较低，在临床实践和基础科学研究中巨大的应用的潜力。
附图说明
图1为基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置结构示意图。
图2为基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法流程图。
图3为基于双波长光声显微成像得到的大鼠脑皮层血管网络图像。
图4为基于双波长光声显微成像得到的大鼠脑皮层的纳米粒子分布图像。
其中，图中所示各元件的名称为：第一波长的脉冲激光源1-1，第二波长的脉冲激光源1-2，反射镜2-1，二向色镜2-2，空间滤波器2-3，凸透镜2-4，小孔光阑2-5，升降电机3-1，二维扫描振镜3-2，振镜控制板3-3，扫描透镜3-4，透光反声的玻璃片4-1，去离子水4-2，成像端面4-3，防水轴承4-4，线聚焦超声换能器4-5，齿轮4-6，导电滑环4-7，步进电机4-8，低噪信号放大器5-1，带通滤波器5-2，信号采集卡5-3，计算机6。
具体实施方式
本发明为了解决其技术问题，提供了一种基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法。下面结合说明书附图，通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图1为本发明提供的双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置的结构示意图，该装置包括光源组件1、光束传输组件2、光束扫描组件3、反射式成像端口组件4、信号采集组件5和计算机6。计算机6内装有采集控制软件和数据处理软件，采集控制软件可以是Labview软件，数据处理软件可以是Matlab软件；采集控制软件用于控制光束扫描组件3对成像目标进行扫描，以及信号采集组件5采集成像区域内每一个扫描点处的光声信号；数据处理软件对采集到的信号进行处理，同时重建出成像目标的光声图像。
本实施例中第一波长的脉冲激光器1-1选用的IPG激光器，可产生波长532nm，脉冲宽度<5ns，最高重频600kHz的脉冲激光，并在输出脉冲激光的同时发出同步脉冲信号；第二波长的脉冲激光器1-2选用吉林长光的波长可调谐激光器，脉冲宽度<5ns，最高重频为50kHz，其波长可以根据成像目标的不同进行选择，该实施例中选取810nm波长的脉冲激光。
所述第一波长的脉冲激光器1-1发出的波长532nm的脉冲激光经所述反射镜2-1后传输至所述二向色镜2-2，经所述二向色镜2-2反射后与所述第二波长的脉冲激光器1-2发出的810nm的脉冲激光实现同轴汇聚，经过所述空间滤波器2-3去除光束中的高阶模分量和噪声，经所述凸透镜2-4、所述小孔光阑2-5后形成高质量的准直光束，准直光束经过所述光束扫描组件3中的二维扫描振镜3-2反射至所述扫描透镜3-3以形成聚焦的光束，经所述反射式成像端口组件4传输至目标物体，聚焦光束的焦点经所述升降电机3-1调整后位于目标物体表面，光束能量分别被物体中的血红蛋白和外源性纳米粒子吸收，产生两组具有时间延迟的光声信号。
图2为基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法流程图。
本实施例中采用中心频率为15MHz的线聚焦超声换能器4-5对光声信号进行探测并转化为电信号，电信号首先经过60dB的低噪信号放大器5-1进行电压放大，再经带通滤波器5-2滤除高频与低频噪音后传输到信号采集卡5-3，实现电信号与数字信号的转换，并在脉冲激光器1-1同步脉冲的触发下将数据记录并保存到计算机6中，完成光声信号采集。
在图像采集期间，所述二维扫描振镜3-2驱动聚焦的汇合光束沿着所述线聚焦超声换能器4-5的线探测区域覆盖范围扫描一次，然后所述线聚焦超声换能器4-5在所述齿轮4-6、所述步进电机4-8的带动下旋转设定的微小角度，聚焦光束的扫描直径轨迹随即也旋转对应微小的角度，依次执行，直至扫描完成整个圆形成像区域。
本实施例中采用商用的Matlab数据处理软件对光声数据进行图像重建，获得大脑的微血管网络结构和纳米粒子的分布信息，并通过纳米粒子在血管外侧的泄露情况，识别血脑屏障的损伤区域，计算血管外纳米粒子的浓度，定量分析血脑屏障的损伤程度。
图3为基于双波长光声显微成像得到的大鼠脑皮层血管网络图像。由图3可以看出，大鼠大脑皮层具有丰富的血管网络，本装置可以对皮层中微米级别大血管以及毛细血管进行高质量的成像。
图4为基于双波长光声显微成像得到的大鼠脑皮层的纳米粒子分布图像。本装置具备1cm×1cm的成像范围，横向分辨率可以达到10µm，可以对纳米粒子的分布进行精准的定位评估，由图4可以看出，纳米粒子主要分布于血管末端区域。通过纳米粒子在血管外侧的泄露情况，识别血脑屏障的损伤区域，计算血管外纳米粒子的浓度，定量分析血脑屏障的损伤程度。
本申请中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明的主要思想作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置，其特征在于：其包括激光源组件1、光束传输组件2、光束扫描组件3、反射式成像端口组件4，信号采集组件5和计算机6；
所述激光源组件1包括第一波长的脉冲激光器1-1和第二波长的脉冲激光器1-2，用于向成像目标发射激光；
所述光束传输组件2包括反射镜2-1、二向色镜2-2、空间滤波器2-3、凸透镜2-4和小孔光阑2-5，用于实现两个波长的脉冲激光的同轴汇聚、整形和准直；
所述光束扫描组件3包括升降电机3-1、二维扫描振镜3-2、振镜控制板3-3、扫描透镜3-4，用于实现汇聚的脉冲激光的扫描与聚焦；
所述反射式成像端口组件4包括透光反声的玻璃片4-1、去离子水4-2、成像端面4-3、防水轴承4-4、线聚焦超声换能器4-5、齿轮4-6、导电滑环4-7和步进电机4-8，用于实现脉冲激光的照射以及声学信号的传输和探测；
所述信号采集组件5包括低噪信号放大器5-1、带通滤波器5-2和信号采集卡5-3，用于光声信号的放大、滤波和采集；
所述计算机6用于驱动二维扫描振镜实现旋转式扫描与电机的转动；所述计算机6也用于实现图像重建，分别获得目标物体的血管网络分布和外源性纳米材料的三维分布，将二者对比分析，实现血脑屏障损伤情况的评估。
2.基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置，其具体的工作方式如下，所述第一波长的脉冲激光器1-1发出脉冲激光，经所述反射镜2-1、所述二向色镜2-2，与第二波长的脉冲激光器1-2发出的脉冲激光实现汇合，汇合后的光束经所述空间滤波器2-3、所述凸透镜2-4、所述小孔光阑2-5进入所述光束扫描组件3，经所述光束扫描组件3的二维扫描振镜3-2、扫描透镜3-3实现光束聚焦，经所述升降电机3-1调整后，聚焦后的光束穿过透光反声的玻璃片4-1和去离子水4-2，照射在所述成像端面4-3上方的目标物体；第一波长的激光和第二波长的激光分别被目标物体中的红细胞和外源性纳米材料特异性吸收，产生两组具有时间延迟的光声信号；激发的光声信号经透光反声的玻璃片4-1反射至线聚焦超声换能器4-5表面，由所述线聚焦超声换能器4-5探测接收，经过所述导电滑环4-7、低噪信号放大器5-1、所述带通滤波器5-2、所述信号采集卡5-3保存至计算机中。
3.在图像采集期间，二维扫描振镜3-2驱动聚焦的光束沿着线聚焦超声换能器4-5的线探测区域覆盖范围扫描一次，然后线聚焦超声换能器4-5在所述齿轮4-6、所述步进电机4-8的带动下旋转设定的微小角度，聚焦光束的扫描直径轨迹随即也旋转对应微小的角度，依次执行，直至扫描完成整个圆形成像区域。
4.根据权利要求1中任意一项所述的基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置，其特征在于：第一波长为532nm，第二波长为810nm。
5.基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，建立血脑屏障损伤模型，作为待评估对象；
步骤B，将光声纳米粒子悬浮液经股静脉注射至所建模型的血液；
步骤C，采用双波长光声显微成像的方式，对所建模型进行高分辨率脑成像，其中第一波长和第二波长的脉冲激光分别用于激发血红蛋白和纳米粒子，获取血管网络和纳米粒子的光声数据；
步骤D，对两组光声数据进行重建，获得大脑的微血管网络结构和纳米粒子的分布情况；
步骤E，通过纳米粒子在血管外侧的分布情况，识别血脑屏障的损伤区域，计算血管外纳米粒子的浓度，定量分析血脑屏障的损伤程度。
6.根据权利要求3所述的基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法，其特征在于：步骤A中建立血脑屏障损伤模型，具体是通过颈动脉甘露醇灌注的方式建立大鼠-半脑血脑屏障损伤模型。
7.根据权利要求3所述的基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估方法，其特征在于：步骤C中，第一波长为532nm，第二波长为810nm。
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