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。

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。

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。

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。

2. 频域调制型

频域调制方法中，组织被强度调制的光束照明，激励生物组织漫射光子在组织中传播，强度随时间和位置而变化形成光子密度波(Diffuse Photon Density Wave，DPDW)，出射的DPDW的幅度、相位和调制深度通常应用外差法进行测量。频域方法采用连续波光源和探测器，价格较低。频域法是基于漫射光子密度波图像形成的基础，由计算机重建不均匀介质的图像。漫射光子密度波与组织的吸收系数和散射系数有关，通过这些变化的测量数据利用某些合适的逆算法进行成像。频域法缺点是目前难以得到大功率高重复频率源，目前一般采用的都是几兆赫兹，等效于几个纳秒的时间分辨率，光子密度波长为米量级。

生物组织其他方式光学成像技术的发展概况

1. 超声辅助光学成像(UAOI)

超声具有良好的穿透性、可聚焦性等特点，但声信号检测时抗电磁干扰能力较差。根据生物组织光学特性参数的差异成像的方法前面已经介绍，但由于光的传输规律，外部激发光源很难选择性地激发生物组织内部特定的待测区域。将光学技术和声学技术结合起来，可充分发挥二者各自的优点。目前已经开展的该领域研究有三个方面: 光声成像、声光成像及声荧光成像。

a.光声效应是一种能量转换过程，光声信号的传播与介质的声学特性有关，因而用光声信号来成像可大大丰富图像信息，提高诊断的准确度。

b.生物组织声光成像的研究近几年刚开始，且一般都限于模拟实验。

c.声荧光成像通过接收声致发光产生的光信号进行成像。

光声结合用于生物组织成像，可改善接收信号的信噪比，所得图像的对比度不仅取决于目标周围的声学参数差异，还与光学参数，甚至热学参数的差异有关，因此图像的分辨率会大大提高。

2. 荧光成像

因光波波长在散射介质中传播时发生变化，以荧光成像为主的新的成像技术相继发展起来。当激励光子发生非弹性散射时，就会产生荧光、磷光及Raman散射等。荧光的光谱分布、量子产率、荧光寿命等可以用作产生成像对比度的物理参量。利用荧光光谱的成像有单光子、双光子和多光子荧光显微成像。基于激发荧光信号与自发荧光信号在光谱段的重叠，为了减少自发荧光的干扰，有研究者利用时间门和荧光光谱成像结合起来。利用荧光的时间特性或荧光寿命进行成像是荧光成像的另一个方向，是一种功能成像方法，在医学成像中发挥很大作用。前述的各种成像方法均可以用于荧光成像，如演变为荧光DPDW、时间分辨的荧光成像等，但需要加光谱分辨装置选取合适的光谱范围。