生物组织中的光学成像研究

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  医学成像在医学诊断中有着重要的作用,有助于人们观察生物组织,了解材料结构,它的发展是物理数学、电子学、计算机科学和生物医学等多门学科相互结合的结果。目前,各种医学成像技术不断发展,常用的医学成像方法有:(1)超声波医学成像;(2)X 射线计算机层析成像;(3)放射性同位素成像;(4)核磁共振医学成像。

  各种成像技术由于不同的工作原理,决定了其不同的功能特点、不同的适用范围和局限性.
  
  为了进一步提高成像分辨率,降低对人体的损害,需要发展更有优势的成像技术,而光学成像技术以其非侵入性、低成本等特点成为了一个重要的研究方向。

  1 生物组织中的光学成像研究

  在生物医学等领域中,混浊介质(生物组织)特性的研究是一个很重要的方向,这就需要发展相应的技术应用于对它的研究。随着激光技术、光电子技术与光子学的发展和逐步完善,光学技术在混浊介质特性的研究中正显现出其优势,特别在生物医学中的应用,光与生物组织相互作用的问题,尤其是光波在生物组织中的传输与分布引起人们的广泛关注,并且出现了一个以光子学和生命科学相互融合和促进的学科分支-生物医学光子学,主要包括利用光子来研究生命的生物光子学和为了探索导致疾病的规律而研究医学诊断和治疗的新方法的医学光子学。其中医学光子学的理论基础为光在生物组织中的传播规律,研究内容主要有医学光谱技术、医学成像、医用半导体激光及其应用。随着对光在生物组织中传播规律的深入研究,各种用于医学成像的光学技术不断出现,光学成像技术在生物医学领域展现出巨大优势。

  由于生物组织是高散射的介质,光与生物组织的作用机理复杂,不仅与光波的特性有关,而且与生物组织的结构、物理化学及生物特性有关,所以要研究生物组织中的成像,首先要对光在散射介质中的传播特性进行分析。光在散射介质中传播时,存在吸收和散射,其中吸收是因为组织内部原子和分子不同能级间的电子跃迁产生的,散射是因为组织中的结构折射率的改变造成的,并且组织的散射和吸收导致探测光的光强沿探测深度指数衰减,导致有用信号被噪声所湮没,为此,需要设法将有用信号从噪声中提取出来,目前主要有两种方法:一类是从“杂乱无章”的光子中挑选出能直接成像的光子,从而产生了各种门技术,使得能直接用于成像的光子与噪声背景光子相分离;另一类则相反,探测组织在不同方向的所有散射光子,然后借助光的传播模型,通过合适的算法在时域或频域内进行逆向图像重建,从而得知物体的位置和性质。

  在散射介质中传播的光子根据受散射的次数可以分为没有经过散射的弹道光子,少数散射的蛇行光子和多次散射的漫射光子。弹道光子保留了入射光子的大部分特征,传播方向与入射光相同,通过生物组织的光程最短,携带生物组织的信息最多,蛇行光子保留了入射光子的一些初始特征,携带部分生物组织内部结构的信息,传播轨迹比弹道光子长,而漫射光子丢失了大部分的入射光的初始特征。经过散射介质后弹道光子最先到达探测器,然后是蛇行光子和漫射光子。门技术就是将可以直接用于成像的弹道光子和蛇行光子与漫射光子相分离的技术。

  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,弹道光子和蛇行光子到达的时间早,而漫射光子到达的时间晚,由时间门的选通作用达到滤除漫射光子的目的。

  空间门技术利用对漫射光子方向性的限制进行滤波,共焦显微成像和傅立叶空间滤波就是两种常见的空间门技术。

  相干门技术利用弹道光子和蛇行光子保持了入射光子的相干性,能够与从原入射光中分离出来的参考光束相干涉,而漫射光子却不能与参考光束相干涉,从而提取出带有介质信息光子的成像方法,达到了滤除漫射光子的目的。

  偏振门则利用了弹道光子保持了入射光子的偏振态,而漫射光子是随机偏振的特点,用来滤除漫射光子。

  为了获得更高的分辨率,上述各种门技术通常是综合在一起运用的。如空间门技术不能滤除入射光前进方向上的散射光子,而将空间门技术与时间门技术结合,就可以很好的解决这个问题。

  基于各种门技术的成像技术中,光学相干层析成像是一项新兴的光学成像技术,当从散射介质中返回的光与参考光的光程差在光源的相干长度范围内则发生干涉,否则不能发生干涉,从而把带有被测样品信息提取出来进行成像,它可以实现对生物组织高分辨率的非侵入层析测量,具有广泛的应用前景。

  2 结语

  光学成像技术以其非接触性和无损伤、及高灵敏度、高分辨率等优越性,在生物医学等领域有着重要的应用价值和广阔的发展前景。

  参考文献:

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