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光声成像(Photoacoustic Imaging,PAI)是近年来兴起的一种典型的生物医学成像技术,其结合了纯光学成像的高对比度和超声成像探测深度好的优点,与计算机断层扫描成像(Computed Tomography,CT)、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)、超声成像(Ultrasound Imaging,UI)、光学相干断层扫描成像(Optical Coherence Tomography,OCT)等传统生物成像技术相比,具有非侵入、非电离、高穿透和低成本的特性,能够获得较高质量的分子影像效果。光声成像技术源于光声效应,即当周期性电磁波照射生物组织时,组织中的内源性吸收体(如血红蛋白、黑色素)吸收光能产生热弹效应,并向外释放超声波,然后利用组织周围的探测装置(超声换能器)接收超声信号,并将其转化成电信号最终重建获得图像。由光声信号的产生机制可知生物组织吸收光而产生的光能量沉积导致了光声信号的产生,因此光源质量以及生物组织对激发光的吸收强弱直接影响了光声信号的质量。针对上述问题,本论文搭建了光声断层扫描成像(Photoacoustic Tomography,PAT)系统,设计了光束整形光路,并制备了氧化铁基光声造影剂,从激发光源、换能器匹配、组织吸收等角度增强了光声信号,提高了光声成像质量。具体研究内容如下:(1)首先总结了光声成像技术的研究意义。针对成像方式、性能及效果的分析,有目的地对国内外光声成像技术的发展现状进行了介绍。(2)对光声成像的理论基础进行了系统的研究和总结,具体内容包括:介绍了生物组织的光声效应机理和光声信号的产生机制。总结出影响光声信号质量的主要因素有激发光源、超声换能器、组织对光的吸收等。在此基础上搭建了光声断层扫描成像系统,并从系统硬件和软件两方面对其进行详细的介绍。(3)设计了整形光路提高激发光源质量(光斑均匀性、激光能量强度)并研究其对所激发的光声信号质量的影响;研究了超声换能器的特性参数(中心频率、扫描步长以及扫描半径)与所接收对应频带光声信号的匹配度以及对信号传输和转化的稳定性的影响。(4)制备了氧化铁基纳米材料,基于其良好的光吸收特性,讨论其作为光声造影剂的可能性。文中先后对氧化铁基纳米材料进行了体外细胞毒性测试,不同浓度材料光声信号响应和体外光声造影增强特性测试等;在此基础上,通过小鼠大脑皮层血管成像实验证实了借助盐酸多巴胺修饰的类血红细胞状氧化铁纳米颗粒(DA@Fe2O3)光声造影剂使得光声信号强度提高了65%,光声重建图像的信噪比和对比度得以明显提升。