[发明专利]一种低温等离子体诱导热声成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温等离子体诱导热声成像方法，特别涉及一种适用于生物医学应用的脉冲低温等离子体诱导的高分辨率功能性成像方法。

背景技术

医学影像技术，尤其是功能性医学影像技术，在健康工程和疾病的早期诊断中占有重要的地位和作用。目前临床用于疾病诊断的成像方法如X光、CT、超声、MRI，只能发现一定尺寸的肿块，导致多数病人错过了肿瘤早期发现、早期治疗的最佳时机，因此研究开发早期筛查和早期诊断的方法、技术一直是国内外关注并重点研究的领域。

生物组织的“电磁(光)热声成像”对生物组织介电谱敏感，具有电磁(或光学)成像的高对比度和超声成像的高分辨率的特点，成为研究热点。其中的热声成像技术具备无损和功能成像的技术特点，是继形态、结构成像之后的新一代医学成像方法。该技术在1981年首次由T.Bowen提出并完成了生物组织热声成像的可行性实验，根据热源激励方法不同可分为微波热声、光声以及最近几年发展起来的磁热声成像。

微波热声由于受脉宽的限制，分辨率一直处于mm量级。2010年德国慕尼黑理工大学亥姆霍兹中心Ntziachristos研究小组利用10ns脉宽，100MHz的传输线系统实现170μm分辨率的微波热声成像；2012年华南师范大学邢达教授利用超短脉宽微波源实现100μm分辨率的热声成像，进一步推动了热声成像技术向临床的应用发展。

为提高光声成像分辨率，研究者从激光激励聚焦和超声检测聚焦两个方面考虑，提出了声学分辨率的光声显微成像(ARPAM)和光学分辨率的光声显微成像(ORPAM)。2012年美国佛罗里达大学Xi利用ARPAM实现了老鼠耳朵血管成像，成像分辨率4.8μm，随后利用ORPAM实现了0.22μm的分辨率，可完成组织细胞核、黑色素体的成像。

磁热声成像是由新加坡南洋理工大学在2013年首次提出的。该技术与微波热声成像相比，激励频率低、探测深度深、非接触辐射低，是一种具有广泛应用前景的功能性成像技术。新方法一经提出就受到国内外学者的广泛关注，法国的里昂大学、天津生物医学工程研究所、南京师范大学、中国科学院电工研究所、中国石油大学、青岛大学等从不同角度对磁热声成像进行研究，2016年中科院电工研究所利用注入式磁声方式获得离体猪肉组织的电磁热吸收图像。

另一方面，随着科学技术的不断发展，低温等离子体作为一种生物医学技术，自从1968年第一次报道用氩离子体杀菌后，低温等离子体在医疗器械杀菌、凝血、龋齿治疗、治疗肿瘤等多个领域得到应用。

在脉冲低温等离子体射流中，局部电离的惰性气体离子在单脉冲的作用下形成“单发等离子体子弹”，在空间上产生局部电荷分离、激发空间电场。空间电场在射流中向前传播，通过等离子体能够耦合到被测组织表面的一个微小区域中，实现电磁聚焦。

结合热声成像的特点和低温等离子体射流的优势，本发明提出一种基于纳秒脉冲低温等离子体诱导超声的功能性微成像技术。该技术利用纳秒脉冲低温等离子体微射流技术与高频聚焦超声阵列相结合，通过电磁聚焦和超声聚焦有望实现微米量级的高分辨率生物组织成像，新的成像方法具有高对比度、高穿透性、高分辨率的优势，在国际上首次提出将脉冲低温等离子射流作为一种与组织直接接触的等离子态激励方式，能够使脉冲电磁能量有效地耦合到微小的局部组织中，避免了常规固态电极振动噪声的干扰，是一种创新性的热声信号激励方式。由于生物电阻抗的变化通常出现在组织细胞癌变初期，先于密度和弹性的变化，因此基于电阻抗的热声成像方法具备癌症早期诊断的独特优势；同时该方法将电阻抗功能性成像与超声高分辨率成像的优势相结合，大大提高了电阻抗成像的精确度，是当前生物医学成像研究的热点。低温等离子体作用于生物组织时能量高，斑束小，剂量可控，操作方便，不会产生热损伤和辐射损伤；由其诱导的热声成像方法还能在常规低温等离子体射流应用(如：抑制肿瘤细胞、杀菌消毒、止血等)的基础上实现高分辨率的电阻抗微成像，对常规等离子体治疗效果进行实时评估，具备辅助治疗和动态监测的独特优势，所形成的仪器设备将在癌症、心脏疾病等重大疾病的早期诊断研究上有突破性的应用，为我国人口与健康领域提供全新而可靠的研究和临床诊断手段。

发明内容