生物组织光学成像基础.doc

一引言 近年来，光波在生物组织中的传输与分布，以及光波尤其是近红外光(700~1300nm)与生物组织相互作用的问题引起了广泛关注。近红外光光学成像与以往放射技术相比，有如下优势: (1)非电离化; (2)不同软组织之间的鉴别; (3)自然生色团的特征吸收，以至获得生物组织体的某些功能信息; (4)其光源价廉，可移动操作以及可较长时间地安全操作。 因此，利用近红外波段的光辐射进行生物组织的成像、诊断和检测是目前热门研究领域之一。 但是，光与生物组织的相互作用很复杂，与光波的特性、生物组织结构及其物理化学生物特性均有关系。700~ 1300nm的近红外光被称为“组织光窗(Tissue Optical Window)”，因为生物组织对此波段近红外光的吸收和散射效应均是最小。即使这样，生物组织对近红外光而言仍然是一种高散射介质，且其散射远大于吸收。因此当光射入组织体，光的方向性、相干性、偏振性等都会遭到不同程度的“破坏”，从中提取有用的生物组织内部信息是研究人员面临的最大问题。 二生物组织光学成像基础 组织光学成像的首要问题是光源的选择。近红外光与可见光相比组织对其吸收小，散射也小，有高透射率，导致灼伤的可能性小，做常规扫描时，长时间曝光不会对组织产生影响。基于激光良好的方向性、相干性、单色性及短持续性等特性，使生物组织光学成像成为可能。 生物组织是高散射介质，当激光入射到组织，一部分被吸收，大部分被散射。光的散射服从统计规律。经过组织的吸收和散射，入射光的特性(光强度、相干性、偏振性、方向性等)有所改变，其改变的程度取决于生物组织结构及入射光波长。 根据散射理论，透过生物组织的光有三种（图1）:弹道光子;蛇行光子;漫射光子。 HYPERLINK /uploadfile/xwjs/uploadfile/201007/20100723040442813.jpg 同时，生物组织的背向散射光也由三部分组成:单次背向散射光，与弹道光相似;几经散射的背向散射光，和蛇行光相似;以及背向漫射光，和透过漫射光相似。 三近红外光波段生物组织各种成像技术及其应用 生物组织光学成像技术在诊断中具有重大应用价值，主要由于其完全非侵入性、无损性、非电离化辐射，以及能够显示组织中各种化学组分，从而提供有用的功能信息。目前近红外光成像装置中一般可分为两种类型:时间分辨型及频域调制型，如图2所示。 HYPERLINK /uploadfile/xwjs/uploadfile/201007/20100723040615885.jpg 1.时间分辨型 时间分辨型是测量组织对超短激光脉冲(皮秒量级)的时间响应，一般用同步条纹扫描相机或时间相关的单光子记数(TCSPC)系统检测组织表面出射光的时间分布，利用光子飞行信息进行成像。弹道光子与蛇行光子合称为早期到达光，亦称为成像光，而漫射光是历经多次散射的，是非成像光。基于三种光子的特性，散射介质的时间分辨光学成像又大致分为以下两种类型:直接成像法和间接成像法，如图3所示。 HYPERLINK /uploadfile/xwjs/uploadfile/201007/20100723040600436.jpg a.分离短飞行时间光子法，即所谓的直接法成像。利用各种“门”技术分离出飞行时间短的光子，即提取出成像光子直接进行成像。这种方法应用了共轴扫描几何学原理。目前已有多种比较成熟的门技术，如空间门、时间门、偏振门、相干门等。这些技术利用光子经过散射后某些性质的变化，如方向性、时间延迟、偏振性、相干性等，将成像光子分离出来。 (1)空间门是通过对组织表面的溢出光子进行空间滤波实现的。应用准直探测的空间门技术空间分辨率很差，尽管采用尽可能大的辐照剂量及尽可能灵敏的探测器，对于人体软组织可探测的极限深度也仅有几毫米;应用该法对乳腺组织成像的尝试即是一例。 (2)偏振门利用线偏振光在散射介质中传播时偏振度会减小的特性，弹道光子的偏振度为1，而漫射光子的偏振度为0。 (3)超快快门又称为时间门技术，依据光子经过散射介质后到达探测器的时间不同而加以区分。可将其理解为一个快门，开启时间很短，只有几个皮秒(~10-12s)，让早到达的光子通过之后关闭，滞后的漫射光子不能通过。可以利用非线性光学现象的快门进行取样，取样的过程是对通过的强度进行调制，或对感兴趣的信号进行非线性放大，或对不要的光进行衰减。由于有限的动态范围和有限数量的被检测光子，该种技术穿透深度不超过几个毫米。基于这种原理的时间门有:光学Kerr门(Optical Kerr Gate，OKG); Raman放大器(Raman Amplifier，RA);二