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《浙江大学》 2003年
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鼻咽癌的光热特性及其光活检技术研究

李步洪  
【摘要】: 光活检(Optical Biopsy)是以生物分子学为基础,集当代光电子、光谱术、显微术和计算机技术为一体的国际前沿技术,该技术旨在为临床组织病理学提供一种无损、实时、精确和客观的先进活检手段。本文首次将光活检中的激光诱导药物荧光成像技术应用于解决“早期鼻咽癌诊断”这一国际性难题,系统深入地开展了早期鼻咽癌光活检的基础理论研究和系统的技术开发,并研制出了早期鼻咽癌光活检样机,为进入临床应用奠定了坚实基础。 本文首先阐述了实现鼻咽癌早期诊断和定位的临床重要意义,接着分析了现有鼻咽癌诊断方法存在的主要问题。在总结国内外光活检历史由来和发展现状的基础上,首次提出了利用激光诱导药物荧光成像技术进行早期鼻咽癌光活检的研究课题。 在第二章中,基于本项目采用荧光光敏药物作为鼻咽癌的标记物,首先综述了国内外光动力学疗法新型光敏剂的研究进展。以开展鼻咽癌的光动力学诊断应用为目的,首次利用三维荧光光谱比较研究了二磺基二邻苯二甲酰亚胺甲基酞菁锌、癌光啉和血啉甲醚等3种国内第二代新型光敏剂,以及第一代光敏剂血卟啉衍生物的光谱特性,实验结果表明血啉甲醚是应用于早期鼻咽癌光活检的最理想光敏剂,并初步确定了鼻咽癌光活检系统的最佳激发光源和特征荧光检测波长。在此基础上,还重点研究了血啉甲醚在Ar~+激光(488nm和514.5nm)辐照时的时间分辨荧光光谱特性和光漂白特性,相关结果为确定鼻咽癌光活检系统临床应用的可检测时限提供了理论依据。 在第三章中,简要介绍了用于描述生物组织光学性质的基本参数,全面总结了用于测量生物组织光学性质的技术和方法。在比较测量生物组织反射率和透射率的双积分球和单积分球实验装置的基础上,利用单积分球技术实验测量了在Ar~+和He-Ne激光辐照射下离体猪鼻咽组织的反射率、透射率和准直透射率,并分别利用Kubelka-Munk理论和Inverse Adding-Doubling方法首次获得了猪鼻咽组织的光学特性参数,同时还应用Monte Carlo方法模拟得到了光在鼻咽组织的光能流率分布和光学穿透深度,为早期鼻咽癌光活检系统的技术开发和样机设计提供了重要的原始数据。 在第四章中,实验测量了离体猪鼻咽组织在Ar~+激光(λ=488nm和514.5nm)辐照下不同靶位置的温度分布,重点研究了激光功率密度和激光波长对被辐照组 缀浙江大学博士学位论文(光电信息工程学系·光学工程) 织温度分布的影响。实验结果表明:组织中的温度分布与探测点的位置、激光波 长以及激光功率密度有关。在同一波长激光照射下,组织中的温度随着辐照射激 光功率密度的增大而增大。鼻咽组织在波长为 488urn和 5 14.sum激光的辐照下, 安全的光剂量阈值分别为l.85W儿m’和l.72W儿m’。此外,根据Pennes传热模型, 首次构建了激光在鼻咽组织中的一维传热模型,并得到了鼻咽组织中温度分布的 解析解。最后,通过数值模拟研究了波长、功率密度和辐照时间等参数对鼻咽组 织温度分布的影响,模拟结果与实验测量结果基本一致,为开展早期鼻咽癌的光 活检提供了安全光剂量的重要数据。 在第五章中,首次设计并开发了用于早期鼻咽癌诊断和定位的光活检系统, 系统由风冷氢离子激光器、白光光源、短焦距透镜、立方棱镜、鼻咽硬镜和像增 强器等组成。氢离子激光器发出的氮激光经过滤光片和耦合透镜后进入光纤传 输,光纤输出的氢激光经透镜、立方棱镜和鼻咽内窥镜的光纤传光束后照射到被 检组织。白光光源经聚光镜、保护玻璃、白光专用传光束和立方棱镜后也注入到 鼻咽内窥镜的光纤传光束,并到达被检组织。该系统的特征在于实现了微光图像 和荧光图像的共轴传输,进而可以在完成对患者实施高灵敏度和特异性荧光诊断 的同时;还能对病灶的解剖位置进行精确的白光定位,系统已获实用新型专利。 第六章中,介绍了CA6300图像板卡的工作原理和查找表函数库,重点讨论 了对鼻咽癌黑白荧光图像进行伪彩色增强处理的变换技术,从颜色上增强荧光图 像的衬比度。黑白荧光图像经过伪彩增强处理后的可鉴别度得到了极大的提高, 医生能从图像中获得病灶边缘效应、立体感及内部结构等方面的更多信息,有助 于对早期鼻咽癌病灶的诊断。 第七章中,讨论了鼻咽癌药物荧光图像的衬比度,以及系统中的图像信号处 理方案。在完成样机研制的基础上,利用鼻咽癌组织光学模型对早期鼻咽癌光活 检样机进行}性能测试。结果表明:系统样机不仅灵敏度高、成像质量好,而且 荧光图像的衬比度能够满足临床诊断的基本要求,取得了十分满意的结果。 最后总结了本论文所完成的主要研究工作和创新成果,并提出了今后还要继 续开展的相关研究工作。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:R739.63

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