生物組織光學

組織光學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其吸收小,散射也小,有高透射率,導致灼傷的可能性小,做常規掃描時,長時間曝光不會對組織產生影響。基於雷射良好的方向性、相干性、單色性及短持續性等特性,使生物組織光學成像成為可能。

基本介紹

  • 中文名:生物組織光學
  • 首問題:是光源的選擇
  • 擁有:散射也小,有高透射率
  • 目的:使生物組織光學成像成為可能
成像基礎,套用,時間分辨型,頻域調製型,發展概況,

成像基礎

生物組織是高散射介質,當雷射入射到組織,一部分被吸收,大部分被散射。光的散射服從統計規律。經過組織的吸收和散射,入射光的特性(光強度、相干性、偏振性、方向性等)有所改變,其改變的程度取決於生物組織結構及入射光波長。
根據散射理論,透過生物組織的光有三種(圖1): 彈道光子; 蛇行光子; 漫射光子。
同時,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。

套用

生物組織光學成像技術在診斷中具有重大套用價值,主要由於其完全非侵入性、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: 時間分辨型及頻域調製型,如圖2所示。

時間分辨型

時間分辨型是測量組織對超短雷射脈衝(皮秒量級)的時間回響,一般用同步條紋掃描相機或時間相關的單光子記數(TCSPC)系統檢測組織表面出射光的時間分布,利用光子飛行信息進行成像。彈道光子與蛇行光子合稱為早期到達光,亦稱為成像光,而漫射光是歷經多次散射的,是非成像光。基於三種光子的特性,散射介質的時間分辨光學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。

頻域調製型

頻域調製方法中,組織被強度調製的光束照明,激勵生物組織漫射光子在組織中傳播,強度隨時間和位置而變化形成光子密度波(Diffuse Photon Density Wave,DPDW),出射的DPDW的幅度、相位和調製深度通常套用外差法進行測量。頻域方法採用連續波光源和探測器,價格較低。頻域法是基於漫射光子密度波圖像形成的基礎,由計算機重建不均勻介質的圖像。漫射光子密度波與組織的吸收係數和散射係數有關,通過這些變化的測量數據利用某些合適的逆算法進行成像。頻域法缺點是目前難以得到大功率高重複頻率源,目前一般採用的都是幾兆赫茲,等效於幾個納秒的時間解析度,光子密度波長為米量級。

發展概況

超聲輔助光學成像(UAOI)
超聲具有良好的穿透性、可聚焦性等特點,但聲信號檢測時抗電磁干擾能力較差。根據生物組織光學特性參數的差異成像的方法前面已經介紹,但由於光的傳輸規律,外部激發光源很難選擇性地激發生物組織內部特定的待測區域。將光學技術和聲學技術結合起來,可充分發揮二者各自的優點。目前已經開展的該領域研究有三個方面: 光聲成像、聲光成像及聲螢光成像。
a.光聲效應是一種能量轉換過程,光聲信號的傳播與介質的聲學特性有關,因而用光聲信號來成像可大大豐富圖像信息,提高診斷的準確度。
b.生物組織聲光成像的研究近幾年剛開始,且一般都限於模擬實驗。
c.聲螢光成像通過接收聲致發光產生的光信號進行成像。
光聲結合用於生物組織成像,可改善接收信號的信噪比,所得圖像的對比度不僅取決於目標周圍的聲學參數差異,還與光學參數,甚至熱學參數的差異有關,因此圖像的解析度會大大提高。
螢光成像
因光波波長在散射介質中傳播時發生變化,以螢光成像為主的新的成像技術相繼發展起來。當激勵光子發生非彈性散射時,就會產生螢光磷光及Raman散射等。螢光的光譜分布、量子產率、螢光壽命等可以用作產生成像對比度的物理參量。利用螢光光譜的成像有單光子、雙光子和多光子螢光顯微成像。基於激發螢光信號與自發螢光信號在光譜段的重疊,為了減少自發螢光的干擾,有研究者利用時間門和螢光光譜成像結合起來。利用螢光的時間特性或螢光壽命進行成像是螢光成像的另一個方向,是一種功能成像方法,在醫學成像中發揮很大作用。前述的各種成像方法均可以用於螢光成像,如演變為螢光DPDW、時間分辨的螢光成像等,但需要加光譜分辨裝置選取合適的光譜範圍。

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