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2008-07-07 11:07 |
生物組織光學(xué)成像技術(shù)詳細(xì)介紹
一 引言 E#?*6/
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近年來，光波在生物組織中的傳輸與分布，以及光波尤其是近紅外光(700~1300nm)與生物組織相互作用的問題引起了廣泛關(guān)注。近紅外光光學(xué)成像與以往放射技術(shù)相比，有如下優(yōu)勢(shì): 8q*MhH>6I
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(1)非電離化; R
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(2)不同軟組織之間的鑒別; 2 gLa4B-
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(3)自然生色團(tuán)的特征吸收，以至獲得生物組織體的某些功能信息; h >V8YJ
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(4)其光源價(jià)廉，可移動(dòng)操作以及可較長(zhǎng)時(shí)間地安全操作。 !pY=\vK;
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因此，利用近紅外波段的光輻射進(jìn)行生物組織的成像、診斷和檢測(cè)是目前熱門研究領(lǐng)域之一。 mGR}hsQpn
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但是，光與生物組織的相互作用很復(fù)雜，與光波的特性、生物組織結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)生物特性均有關(guān)系。700~ 1300nm的近紅外光被稱為“組織光窗(tissue optical window)”，因?yàn)樯锝M織對(duì)此波段近紅外光的吸收和散射效應(yīng)均是最小。即使這樣，生物組織對(duì)近紅外光而言仍然是一種高散射介質(zhì)，且其散射遠(yuǎn)大于吸收。因此當(dāng)光射入組織體，光的方向性、相干性、偏振性等都會(huì)遭到不同程度的“破壞”，從中提取有用的生物組織內(nèi)部信息是研究人員面臨的最大問題。 Gh; Ju[6
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二 生物組織光學(xué)成像基礎(chǔ) ." 9 t<<!
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組織光學(xué)成像的首要問題是光源的選擇。近紅外光與可見光相比組織對(duì)其吸收小，散射也小，有高透射率，導(dǎo)致灼傷的可能性小，做常規(guī)掃描時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間曝光不會(huì)對(duì)組織產(chǎn)生影響。基于激光良好的方向性、相干性、單色性及短持續(xù)性等特性，使生物組織光學(xué)成像成為可能。 +mP&B<=H)
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生物組織是高散射介質(zhì)，當(dāng)激光入射到組織，一部分被吸收，大部分被散射。光的散射服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。經(jīng)過組織的吸收和散射，入射光的特性(光強(qiáng)度、相干性、偏振性、方向性等)有所改變，其改變的程度取決于生物組織結(jié)構(gòu)及入射光波長(zhǎng)。 z* ?-*6W
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根據(jù)散射理論，透過生物組織的光有三種(見圖1): 彈道光子; 蛇行光子; 漫射光子。 ]l\'1-/
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同時(shí)，生物組織的背向散射光也由三部分組成: 單次背向散射光，與彈道光相似; 幾經(jīng)散射的背向散射光，和蛇行光相似; 以及背向漫射光，和透過漫射光相似。 q2v:lSFY
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三 近紅外光波段生物組織各種成像技術(shù)及其應(yīng)用 PAG.],"D
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生物組織光學(xué)成像技術(shù)在診斷中具有重大應(yīng)用價(jià)值，主要由于其完全非侵入性、無損性、非電離化輻射，以及能夠顯示組織中各種化學(xué)組分，從而提供有用的功能信息。目前近紅外光成像裝置中一般可分為兩種類型: 時(shí)間分辨型及頻域調(diào)制型，如圖2所示。 ,'[&" Eg
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1. 時(shí)間分辨型 -WiOs;2~/
時(shí)間分辨型是測(cè)量組織對(duì)超短激光脈沖(皮秒量級(jí))的時(shí)間響應(yīng)，一般用同步條紋掃描相機(jī)或時(shí)間相關(guān)的單光子記數(shù)(tcspc)系統(tǒng)檢測(cè)組織表面出射光的時(shí)間分布，利用光子飛行信息進(jìn)行成像。彈道光子與蛇行光子合稱為早期到達(dá)光，亦稱為成像光，而漫射光是歷經(jīng)多次散射的，是非成像光�；谌N光子的特性，散射介質(zhì)的時(shí)間分辨光學(xué)成像又大致分為以下兩種類型: 直接成像法和間接成像法，如圖3所示。 $B6CLWB
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a.分離短飛行時(shí)間光子法，即所謂的直接法成像。利用各種“門”技術(shù)分離出飛行時(shí)間短的光子，即提取出成像光子直接進(jìn)行成像。這種方法應(yīng)用了共軸掃描幾何學(xué)原理。目前已有多種比較成熟的門技術(shù)，如空間門、時(shí)間門、偏振門、相干門等。這些技術(shù)利用光子經(jīng)過散射后某些性質(zhì)的變化，如方向性、時(shí)間延遲、偏振性、相干性等，將成像光子分離出來。 Ckd=t vL
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(1)空間門是通過對(duì)組織表面的溢出光子進(jìn)行空間濾波實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用準(zhǔn)直探測(cè)的空間門技術(shù)空間分辨率很差，盡管采用盡可能大的輻照劑量及盡可能靈敏的探測(cè)器，對(duì)于人體軟組織可探測(cè)的極限深度也僅有幾毫米; 應(yīng)用該法對(duì)乳腺組織成像的嘗試即是一例。
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(2)偏振門利用線偏振光在散射介質(zhì)中傳播時(shí)偏振度會(huì)減小的特性，彈道光子的偏振度為1，而漫射光子的偏振度為0。 ~P&Brn"=Rs
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(3)超快快門又稱為時(shí)間門技術(shù)，依據(jù)光子經(jīng)過散射介質(zhì)后到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間不同而加以區(qū)分。可將其理解為一個(gè)快門，開啟時(shí)間很短，只有幾個(gè)皮秒(~10-12s)，讓早到達(dá)的光子通過之后關(guān)閉，滯后的漫射光子不能通過。可以利用非線性光學(xué)現(xiàn)象的快門進(jìn)行取樣，取樣的過程是對(duì)通過的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，或?qū)Ω信d趣的信號(hào)進(jìn)行非線性放大，或?qū)Σ灰墓膺M(jìn)行衰減。由于有限的動(dòng)態(tài)范圍和有限數(shù)量的被檢測(cè)光子，該種技術(shù)穿透深度不超過幾個(gè)毫米�；谶@種原理的時(shí)間門有: 光學(xué)kerr門(optical kerr gate，okg); raman放大器(raman amplifier，ra); 二次諧波產(chǎn)生(second harmonic generation，shg); 光學(xué)參量放大器(optical parametric amplifier，opa); 等等。 &6!~Q,;K-
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(4)相干門利用漫射光子相干性的“破壞”分離出成像光子，并使其與原入射光分出來的參考光相互干涉進(jìn)行成像。相干門技術(shù)亦有許多種，如全息門法，光學(xué)相干層析成像法等。 |GPR3%9
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新近發(fā)展起來的光學(xué)相干層析成像技術(shù)(optical coherence tomography，oct)以其成像快速、非侵入、高分辨率等優(yōu)良特性對(duì)生物組織研究及臨床應(yīng)用均具有重要價(jià)值。oct利用寬帶光源的短程相干特性對(duì)活體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷層成像。oct系統(tǒng)一般由低相干光源(sld或超快激光器)和邁克爾遜光纖干涉儀組成。oct是結(jié)合了空間門、相干門及其他形式的門技術(shù)。目前oct可探測(cè)深度由幾個(gè)毫米到厘米量級(jí)，空間分辨率達(dá)到2~20mm。自1991年d.huang利用oct獲得視網(wǎng)膜和動(dòng)脈壁的顯微結(jié)構(gòu)開始，oct在十年之間飛速發(fā)展�；谠衞ct原理，已開發(fā)出反映組織不同特征信息的多種成像模式。目前眼科oct漸趨于成熟，已有產(chǎn)品應(yīng)用于臨床，其他領(lǐng)域的研究也在深入開展。 : B(F ?9qK
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彈道光子在散射介質(zhì)中傳播滿足朗伯比爾指數(shù)衰減定律，理想彈道光子的探測(cè)由量子點(diǎn)噪聲決定穿透深度，因此彈道光子的探測(cè)深度有限，大約能穿透30個(gè)散射自由程，而人體乳房組織卻有上千個(gè)散射自由程的厚度，利用蛇行光子成像，組織的探測(cè)深度可提高到厘米量級(jí)，但空間分辨率較低。那么，利用所有的漫射光子進(jìn)行成像是否能滿足分辨率和探測(cè)深度的要求呢？這就是間接法成像要解決的問題。 W_k;jy_{9
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b.記錄全部tpsf(時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù))方法，即間接法成像。漫射光子雖已失去入射光的特性，不再是介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顯函數(shù)，但漫射光子畢竟源于介質(zhì)，介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征一定隱含在漫射光中。利用所有散射光子找到光的散射規(guī)律，提供漫射光的參數(shù)，通過合適的數(shù)學(xué)模型和算法，沿著光散射路徑逆向追溯重建散射介質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像，將成像技術(shù)演變?yōu)槔眠m當(dāng)?shù)墓庾觽鬏斈Ｐ瓦M(jìn)行逆向問題求解。 jwsl"z L
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