改善活體光學成像的光透明皮窗研究.pdf

1、光學成像技術以極高的時空分辨率在皮膚微循環(huán)監(jiān)測、皮下腫瘤血管的生成與發(fā)展、以及活體動物熒光分子探測等方面發(fā)揮重要作用,但成像深度和成像對比度往往受限于皮膚的高散射。基于外科手術的皮窗為光學成像的應用提供了一個有效的觀測窗口,但術后副反應使其無法用于及時的觀測。近年發(fā)展起來的組織光透明技術能有效降低組織散射、提高光在組織中的穿透深度,但現有研究多集中在離體水平。該方法能否用于活體皮膚,能否為活體光學成像提供一個可重復觀測的視窗——皮窗,還

2、有待進一步研究。本文的工作正是針對活體成像中存在的這一問題,圍繞如何建立高效、安全的光透明皮窗,改善皮下血管、血流及細胞的成像質量而展開的。主要研究內容如下:
　　1)理論模擬與模型實驗驗證光透明方法能改善光學成像深度及對比度:利用蒙特卡羅方法對皮膚光透明過程中的光分布變化進行模擬,發(fā)現組織散射的降低會增加光子到達深層組織的概率,提高光在組織中的穿透深度;通過類組織血流模型實驗,證實降低組織散射能顯著提高激光散斑襯比成像技術用于混

3、濁介質中流速測量的圖像對比度、成像深度和速度靈敏度。
　　2)高效皮膚光透明劑選型的理論與實驗研究:利用分子動力學模擬對甘油、木糖醇、山梨醇、葡萄糖和果糖的膠原解離能力進行研究,發(fā)現果糖和山梨醇對膠原水化層的破壞能力更強;離體皮膚光透明實驗的結果與理論模擬結果一致。為克服皮膚角質層對光透明劑的阻擋作用,比較多種化學促滲劑對在體皮膚光透明的增強作用,發(fā)現噻酮的增強效果最好。
　　3)可開合大鼠脊背光透明皮窗的建立:光透明劑作用

4、于大鼠脊背皮膚表面能使皮膚在數分鐘內透明,利用激光散斑襯比成像技術能夠實現對皮下血管結構和血流的高分辨成像,生理鹽水涂抹即可使皮膚迅速恢復至初始的混濁狀態(tài);用光透明劑局部重復處理皮膚,可實現皮下血管與血流的重復成像,且不會對皮下血管和血流造成影響,證明了基于光透明方法的大鼠脊背皮窗具有可開合的特點。
　　4)可開合的小鼠足墊光透明皮窗提高活體光學成像質量:針對足墊皮膚的獨特結構,發(fā)展了高效的足墊皮膚光透明劑,將該光透明劑和生理鹽水

5、分別涂抹于在體小鼠足墊皮膚,能夠建立一扇可開合的足墊皮窗。該皮窗不僅能夠顯著提高足墊皮下血管和血流的激光散斑襯比成像的對比度,也能夠顯著改善熒光成像的熒光信號強度和成像深度,且不會影響皮下血管和血流。
　　5)光透明鼠耳皮窗提高活體光學成像質量:發(fā)展了適用于鼠耳皮膚的高效光透明劑,將其局部涂抹于在體鼠耳皮膚后,能夠顯著提高鼠耳的光透過率,增強皮下血管結構和血流的激光散斑襯比成像的對比度;此外,光透明鼠耳皮窗還能夠顯著提高活體流式細

6、胞儀對循環(huán)血細胞熒光信號的探測深度。
　　6)光透明劑的安全性研究:依據皮膚局部給藥的安全性評價方法,證實本研究中所用光透明劑均對皮膚無刺激性、無過敏性、無光毒性,并且不會影響皮膚微結構,對器官和機體無代謝毒性。從而證明這些光透明劑對皮膚和機體是安全的。
　　本課題所建立的光透明皮窗(脊背皮窗、足墊皮窗和鼠耳皮窗),為活體光學成像提供了一個安全、有效的可重復觀測的窗口,這對基于活體小動物光學成像的基礎研究及光診斷研究至關重要