擴散光層析成像

擴散光學層析成像又稱漫射光學層析成像（Diffuse Optical tomography or Optical Diffusion Tomography, DOT/ODT）是一種面向厚組織體的利用近紅外光（600-900nm）照射獲得的三維功能成像方法，其目標是通過發展高靈敏的近紅外光子檢測儀器和基於生物組織光子輸運模型的圖像重建技術，從多點激勵下表面擴散光的時間、空間和光譜分布測量信息中反演組織體內部光學特性參數的三維分布，並使之與該組織的生理狀態(血紅蛋白濃度及氧飽和度等)相關聯。

基本介紹

• 中文名：擴散光學層析成像
• 外文名：Diffuse Optical tomography or Optical Diffusion Tomography, DOT/ODT

擴散光的定義

在近紅外光學視窗內（600-900nm），大多數的生物組織體可被視為高散射、低吸收的媒質，根據組織體中光傳播的物理過程，可將透過生物組織的光分成三種類型：彈道光、蛇行光和擴散（漫射）光，如圖1所示。近紅外光通過厚組織體後遭遇多次散射，從而失去了原來的方向性、偏振性、相干性，這些經過組織體多次散射才出射的光被稱為擴散光。

圖1 準直光脈衝在組織體中傳播過程及出射光分類

擴散光層析成像的主要原理

根據圖1所示的出射光分類，成像技術也被分為早期到達光成像和擴散光成像。由於早期到達光在組織中近似直線傳播，因此攜帶了較好的空間分辨和對比度的信息，但早期到達光成像技術一般只適合於薄層散射媒質（大約1～5毫米）。

擴散光層析成像是已獲得廣泛套用的近紅外組織光譜技術( Near Infrared Spectroscopy, NIRS) 的空間分辨實現，完整的DOT方法包括：光子輸運模型（正問題）、圖像重建技術（逆問題）和擴散光測量系統等三個主要部分。

（1） 光子輸運模型（正問題）：擴散方程（Diffusion Equation, DE）是擴散層析成像常採用的輸運模型，由於擴散方程的解析解只可在規則幾何形狀和均勻光學參數分布的組織域條件下獲得，而對DOT中通常涉及的是複雜幾何形狀和不均勻光學參數分布下組織體，因此通常採用擴散方程的數值求解法，例如有限元方法。

（2） DOT圖像重建即為逆問題（inverse problem）：其正式定義為：給定組織體表面光源的時-空分布及與此對應的傳輸光測量量之時-空分布，基於特定的光子傳輸模型，求解組織體內的光學參數三維分布。DOT成像的任務是同時重建組織域內所有光學參數的分布，而在套用中則常假定其中一個或兩個參數分布(通常是折射率)為已知常數以簡化問題的求解，也就是通常只是重建吸收係數和約化散射係數。若不考慮隨機噪聲效應，則圖像重建可由非線性最小二乘最佳化問題表示，其中較常用的例如基於正向模型線性化的圖像重建技術-Newton-Raphson法。

（3） 擴散光測量系統：

與X射線CT類似，DOT的實現需要測量多點激勵（廣義地視為多角度掃描）下表面其它各點的光流分布（廣義地視為投影），可採用光纖直接接觸式或空間光進行光的投射和接收。目前擴散光測量系統主要有三種模式：時間分辨測量模式、連續光測量模式和頻域測量模式。

套用與發展前景

雖然DOT在空間解析度方面無法與X射線，超聲和磁共振等常規結構成像方法相匹敵，但在對組織功能變化的靈敏性、特異性和動態性、以及使用的安全性、便攜性和性價比等方面具有明顯的優勢。近年的研究成果表明，近紅外擴散光學檢測技術具有極大的實際套用潛力，重要套用包括：

（1）光學乳腺成像術（optical mammography）----乳腺腫瘤的早期診斷

由於癌變組織具有明顯的血管化特徵，從而相對正常組織呈現較強的光吸收特性；同時，癌變組織較良性組織呈現相對低的氧飽和度。兩者結合不僅有助於檢測惡性腫瘤，而且有潛力區分良性和惡性病變以及甄別病變發展的程度。以上生理表現以及乳房組織相對均勻的低吸收特性使得光學乳房成像術有望成為DOT技術最先臨床套用的領域。美國國立衛生研究院（NIH）已對世界上從事光學乳房成像術研究的幾個主要研究實驗室進行了連續高強度的資助；歐盟則贊助推出了一個稱為“Optimamm”的光學乳房成像術研究聯盟；美國Imaging Diagnostic System公司、飛利浦公司、義大利米蘭大學、天津大學等發展了基於擴散光層析成像的乳腺癌檢查系統。

（2）新生兒大腦供氧狀況及血氧動力學觀測

圍產期缺氧-缺血性腦損傷和腦血腫是引起早產或新生兒神經傷疾後遺症的主要原因，這是兩個臨床處理手段完全相反的病護過程，早期診治至關重要。雖然人們正在開發新的人工介入技術以盡力減緩由此引起的嚴重體智殘障，但目前尚無有效手段及時、準確地診斷髮病的致因（缺血或血腫），以及實現連續監護以評估損傷程度和介入治療方法的有效性。從另一角度看，腦組織的各種生理異常，如血腫，腦室溢血（IVH），局部缺氧和缺血等，均表征為光學參數的明顯變化，因而非常適於採用無創的光學檢測方法。基於多點測量的DOT技術將可進一步提供有關生理異常變化的準確位置和定量信息，從而不僅能夠評估損傷級別和監視人工介入治療的效果，而且通過連續監測有潛力判定異常發生的起因和方位。

（3）腦成像

DOT套用於腦成像主要集中在腦功能成像和中風的診斷兩方面。目前腦功能成像研究的主要手段是功能磁共振成像（functional MRI, fMRI），但該模態只能間接測量總的血紅蛋白濃度的變化，近紅外光學成像方法則能夠直接同時地提供氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白變化信息，因而在腦功能研究中作為一項新興技術而倍受關注。由於穿透深度的限制，光學方法尚不具備全腦成像能力，現實的實現是採用所謂的拓撲成像方法研究大腦皮層各調控區的應激反應過程。

（4）螢光分子層析成像

螢光分子層析成像是DOT的一個拓展。隨著基因病理學研究的深入、基因和蛋白質高通量篩選技術的廣泛套用以及組合化學技術的成熟，人們逐漸能夠準確辨識與特種疾病關聯的異常基因及其表達蛋白模式，進而設計和合成具有靶分子綁定或激活功能的特異螢光探針，螢光成像的套用也從一般的對比度增強功能迅速延伸至生物醫學研究的分子層面，如基因表達模式描述、蛋白質功能剖析、細胞生理通道辨明、以及蛋白質相互作用測定等。迄今已廣泛採用誘導發光蛋白、感應蛋白嵌合體、有機螢光染料和納米螢光量子點等多種螢光探針，通過測量螢光強度、共振能量轉移和壽命等螢光特性參數，研究生物體內的生化反應過程及其微環境特徵。近年來，近紅外靶標螢光造影劑、感應螢光底物和紅偏移光蛋白等具有較高組織穿透力的螢光探針技術獲得了長足的發展，螢光成像技術開始用於小動物模型內部特異生物大分子活動規律的在體跟蹤和測量。

（5）內窺DOT

將DOT與內窺技術結合從而實現具有體內器官深部組織功能信息層析能力的新型醫用內窺鏡也是DOT技術一個極具套用前景的新領域，其套用例如宮頸癌的檢查和前列腺癌的檢查等。

擴展閱讀

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