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第6章 生物物理技术 成像技术


第六章 成像技术 生物物理技术是指用物理学的原理来研究生物分子的技术。生物物理技术主要应用于研究生物 大分子,如蛋白质,核酸以及多糖的结构及其功能,从而了解它们的作用机制,解决一些实际问题。 目前生物物理技术不仅应用于生物领域,还被广泛的应用于医学界,为人类疾病的诊断和治疗做出 了巨大贡献。本文主要介绍一下一些常用的生物物理成像技术的原理及它们在生物医学领域的应 用,包括:激光共

聚焦荧光成像技术,双子荧光成像技术,漫射光成像技术,二次谐波成像技术, X 射线衍射技术,光学相干断层成像,以及医学上常用的核磁共振成像技术,热声成像技术,光声 成像技术等十四种成像技术。 目录 1.激光共聚焦显微镜系统的原理和应用................................................................... 错误!未定义书签。 1.1. 激光共聚焦显微成像的基本原理.......................................................... 错误!未定义书签。 1.2. 激光共聚焦显微成像的基本原理............................................................................................ 2 1.2.1.在细胞及分子生物学中的应用 ........................................................................................... 2 1.2.2.在神经科学中的应用........................................................................................................... 2 1.2.3.在耳鼻喉科学中的应用....................................................................................................... 2 1.2.4.在肿瘤研究中的应用........................................................................................................... 2 1.2.5.激光扫描共聚焦显微镜在内分泌领域的应用 ................................. 错误!未定义书签。 1.2.6.在血液病研究中的应用..................................................................... 错误!未定义书签。 1.2.7.在眼科研究中的应用......................................................................... 错误!未定义书签。 1.2.8. 激光扫描共聚焦显微镜在肾脏病中的应用 ................................... 错误!未定义书签。 2.双光子荧光成像 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 双光子荧光成像的原理................................................................................ 错误!未定义书签。 2.2 双光子荧光成像技术的应用.......................................................................................................... 4 3.漫射光成像技术 ........................................................................................................................................ 6 3.1 漫射光成像技术的原理.................................................................................................................. 6 3.2 漫射光成技术的应用...................................................................................................................... 8 4.近红外光谱成像技术原理及应用............................................................................................................. 9 4.1 近红外光谱成像的原理.................................................................................................................. 9 4.2 近红外光谱成像的应用................................................................................................................ 11 4.2.1 制药领域中的应用............................................................................................................. 11 4.2.2 农业和食品检测................................................................................................................. 11 4.2.3 其他领域中的应用............................................................................................................. 11 5.光声成像的原理及应用 .......................................................................................................................... 11 5.1 光声成像的原理 ........................................................................................................................... 11 5.2 光声成像在生物医学中的应用................................................................. 1 错误!未定义书签。 6.声光成像原理及应用 .............................................................................................................................. 14 6.1 声光成像的原理 ........................................................................................................................... 14 6.2 声光成像的应用 ........................................................................................................................... 15 7.热声成像的原理及应用 .......................................................................................................................... 16 7.1 热声成像的原理 ........................................................................................................................... 16 7.1.1 辐射频率的选择................................................................................................................. 16 7.1.2 装置 .................................................................................................................................... 16 7.1.3 空间分辨率......................................................................................................................... 17
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7.1.4 影像效果 ............................................................................................................................ 18 8.近场光学显微技术原理及应用............................................................................................................ 18 8.1 近场光学显微镜构成与工作原理................................................................................................ 18 8.2 近场光学显微技术的应用........................................................................................................... 19 8.2.1 物理领域 ........................................................................................................................... 19 8.2.2 生物领域 ........................................................................................................................... 20 8.2.3 高密度光存贮.................................................................................................................... 21 9.二次谐波成像原理及应用.................................................................................................................... 21 9.1 二次谐波成像的原理.................................................................................................................... 21 9.2 在心脏疾病检查中的应用............................................................................................................ 22 9.2.1 高血压病性心脏病、冠心病、心肌梗死 ......................................................................... 22 9.2.2 心肌病变 ............................................................................................................................ 23 9.2.3 在心脏声学造影中应用..................................................................................................... 23 9.3 在腹部疾病检查中的应用............................................................................................................ 23 10.X 光相衬成像技术的原理及应用 ................................................................... 2 错误!未定义书签。 10.1X 光相衬成像技术的原理 ........................................................................ 2 错误!未定义书签。 10.2X 光相衬成像技术的应用 ........................................................................................................... 24 11.扩散光子成像的原理及应用................................................................................................................. 25 11.1 扩散光子成像技术的原理.......................................................................................................... 25 11.2 扩散光子成像的应用.................................................................................................................. 26 12.核磁共振(MRI)成像技术原理及应用 ............................................................................................. 26 12.1 核磁共振(MRI)层析成像原理 .............................................................................................. 27 12.2 核磁共振检查目的...................................................................................................................... 27 12.3 核磁共振检查的优点.................................................................................................................. 28 12.4 核磁共振检查的缺点.................................................................................................................. 28 12.5 核磁共振检查必需的注意事项.................................................................................................. 28 13.生物电阻抗成像技术原理及应用...................................................................................................... 29 13.1 电阻抗断层成像原理................................................................................................................. 29 13.1.1 正常组织的阻抗变化....................................................................................................... 29 13.1.2 病变组织的阻抗变化....................................................................................................... 29 13.2 电阻抗断层成像在医学中的应用............................................................................................. 30 13.2.1 在消化道疾病诊断中的应用........................................................................................... 30 13.2.2 在肺换气及肺部病理检查中的应用 .............................................................................. 30 13.2.3 心动周期中的充盈变化.................................................................................................. 30 13.2.4 肿瘤治疗中监测温度变化............................................................................................... 30 13.2.5 其它方面的应用............................................................................................................... 30 14.光学相干层析成像技术原理及其应用.............................................................................................. 31 14.1 光学成像原理 ............................................................................................................................. 31 14.1.1 光学相干层析成像技术(OTC)简介 ........................................................................... 31 14.1.2 后向反射光相干层析成像............................................................................................... 31 14.1.3 透射光相干层析成像....................................................................................................... 33 14.1.4 光相干层析成像技术的进展........................................................................................... 33 14.2 医学中的应用 ............................................................................................................................. 33 14.2.1 眼科 .................................................................................................................................. 34 14.2.2 心血管 .............................................................................................................................. 34
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14.2.3 皮肤 .................................................................................................................................. 35 14.3 OTC 技术运用的限制................................................................................................................. 35 15.小结 ........................................................................................................................................................ 36

1. 激光共聚焦显微镜系统的原理和应用 激光扫描共聚焦显微镜是二十世纪 80 年代发展起来的一项具有划时代的高科技产品,它是在 荧光显微镜成像基础上加装了激光扫描装置,利用计算机进行图像处理,把光学成像的分辨率提高 了 30%--40%,使用紫外或可见光激发荧光探针,从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像, 在亚细胞水平上观察诸如 Ca2+ 、PH 值,膜电位等生理信号及细胞形态的变化,成为形态学,分子 生物学,神经科学,药理学,遗传学等领域中新一代强有力的研究工具。激光共聚焦成像系统能够 用于观察各种染色、非染色和荧光标记的组织和细胞等,观察研究组织切片,细胞活体的生长发育 特征, 研究测定细胞内物质运输和能量转换。 能够进行活体细胞中离子和 PH 值变化研究 (RATIO) , 神经递质研究,微分干涉及荧光的断层扫描,多重荧光的断层扫描及重叠,荧光光谱分析荧光各项 指标定量分析荧光样品的时间延迟扫描及动态构件组织与细胞的三维动态结构构件,荧光共振能量 的转移的分析,荧光原位杂交研究(FISH),细胞骨架研究,基因定位研究,原位实时 PCR 产物 分析,荧光漂白恢复研究(FRAP),胞间通讯研究,蛋白质间研究,膜电位与膜流动性等研究, 完成图像分析和三维重建等分析。(引用自网页) 1.1. 激光共聚焦显微成像的基本原理 传统的光学显微镜使用的是场光源,标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射或散射光的干扰; 激光扫描共聚焦显微镜利用激光束经照明针孔形成点光源对标本内焦平面的每一点扫描,标本上的 被照射点,在探测针孔处成像,由探测针孔后的光点倍增管(PMT)或冷电耦器件(cCCD)逐点 或逐线接收,迅速在计算机监视器屏幕上形成荧光图像。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是 共轭的,焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔,焦平面以外的点不会在探测针孔处成像, 这样得到的共聚焦图像是标本的光学横断面,克服了普通显微镜图像模糊的缺点。(引用自网页)

图 1 激光扫描共聚焦显微镜结构简图 1.2. 激光共聚焦显微镜系统应用领域:
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涉及医学、动植物科研、生物化学、细菌学、细胞生物学、组织胚胎、食品科学、遗传、药理、 生理、光学、病理、植物学、神经科学、海洋生物学、材料学、电子科学、力学、石油地质学、矿 产学。(引用自网页) 应用范围:细胞形态学分析(观察细胞或组织内部微细结构,如:细胞内线粒体、内质网、高 尔基体、微管、微丝、细胞桥、染色体等亚细胞结构的形态特征;半定量免疫荧光分析);荧光原 位杂交研究;基因定位研究及三维重建分析。(引用自网页) (1). 细胞生物学:细胞结构、细胞骨架、细胞膜结构、流动性、受体、细胞器结构和分布 变化;(引用自网页) (2). 生物化学:酶、核酸、FISH(荧光原位杂交)、受体分析(引用自网页) (3). 药理学:药物对细胞的作用及其动力学(引用自网页) (4). 生理学:膜受体、离子通道、细胞内离子含量、分布、动态(引用自网页) (5). 神经生物学:神经细胞结构、神经递质的成分、运输和传递、递质受体、离子内外流、 神经组织结构、细胞分布(引用自网页) (6). 微生物学和寄生虫学:细菌、寄生虫形态结构(引用自网页) (7). 病理学及临床应用:活检标本诊断、肿瘤诊断、自身免疫性疾病诊断、HIV 等(引用 自网页) (8). 遗传学和组胚学:细胞生长、分化、成熟变化、细胞的三维结构、染色体分析、基因 表达、基因诊断(引用自网页) (9). 激光共聚焦显微镜在医学领域中的应用(引用自网页) 1.2.1. 在细胞及分子生物学中的应用 (1). 细胞、组织的三维观察和定量测量

图 2 用激光共聚焦显微镜对细胞的三维观察 (2). 活细胞生理信号的动态监测 (3). 粘附细胞的分选 (4). 细胞激光显微外科和光陷阱功能 (5). 光漂白后的荧光恢复 (6). 在细胞凋亡研究中的应用(引用自网页) 2. 1.2.2.在神经科学中的应用 (1). 定量荧光测定 (2). 细胞内离子的测定 (3). 神经细胞的形态观察(引用自网页) 1.2.3.在耳鼻喉科学中的应用 (1). 在内耳毛细胞亚细胞结构研究上的应用 (2). 激光扫描共聚焦显微镜的荧光测钙技术在内耳毛细胞研究中的应用 (3). 激光扫描共聚焦显微镜在内耳毛细胞离子通道研究上的应用 (4). 激光扫描共聚焦显微镜在嗅觉研究中的应用(引用自网页) 1.2.4.在肿瘤研究中的应用 (1). 定量免疫荧光测定
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(2). 细胞内离子分析 (3). 图像分析:肿瘤细胞的二维图像分析 (4). 三维重建(引用自网页)

图 3 共聚焦激光显微镜分析 staurosporin 诱导 HeLa 细胞凋亡过程中 TFAR19 蛋白的核转移 (引用自 网页) 1.2.5. 激光扫描共聚焦显微镜在内分泌领域的应用 (1). 细胞内钙离子的测定 (2). 免疫荧光定位及免疫细胞化学研究 (3). 细胞形态学研究:利用激光扫描共聚焦显微镜(引用自网页) 1.2.6. 在血液病研究中的应用 (1). 在血细胞形态及功能研究方面的应用 (2). 在细胞凋亡研究中的应用(引用自网页) 1.2.7. 在眼科研究中的应用 (1). 利用激光扫描共聚焦显微镜观察组织、细胞结构 (2). 集合特殊的荧光染色在活体上观察角膜外伤修复中细胞移行及成纤维细胞的出现 (3). 利用激光扫描共聚焦显微镜观察视网膜中视神经细胞的分布以及神经原树枝状形态 (4). 三维重建(引用自网页) 1.2.8. 激光扫描共聚焦显微镜在肾脏病中的应用 可以系统观察正常人肾小球系膜细胞的断层扫描影像及三维立体影像水平,使图像更加清晰, 从计算机分析系统可从外观到内在结构,从平面到立体,从静态到动态,从形态到功能几个方面对 系膜细胞的认识得到提高。(引用自网页) 2. 双光子荧光成像 近红外光对生物样品的激发具有光损伤小、穿透深度深和荧光收集率高等优点。结合双光子激 发荧光(TPEF)与二次谐波(SHG),配以可调谐近红外激发光源的多光子显微镜技术,可以通过细胞 内的双光子激发荧光以及细胞外胶原纤维二次谐波提供实时的内生差异信息。 因TPEF/SHG图像能 很好地提供组织细胞内外结构形态方面的信息,多光子显微技术已经成功应用于脑、神经、皮肤、 眼科、口腔、肠胃等各种组织成像以及光学活检领域。 2.1 双光子荧光成像的原理 采用的仪器由双光子显微镜系统(Axiovert200,Zeiss LSM 510 META)和锁模钛宝石飞秒激光器(110 fs,76 MHz,波长范围700~980 nm)组成。实验装置如图1所示(AoM为声光调制器,MDBS为主二 色分光镜,IR为近红外滤波片,PMT为光电倍增管,BS为分束器)。飞秒脉冲激光经由主二色分光
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镜 (Main Dichroic Beam Splitter , MDBS) 进 入 共 焦 显 微 镜 的 扫 描 器 , 然 后 由 63×物 镜 (A Plan—Apochromat,63 X,NA一1.4 oilimmersion objective,Zeiss)聚焦于样品表面。扫描显微系统 主要由xy扫描器和步进电动机(HRZ200,Zeiss)组成。xy扫描器能快速扫描光束以获得XY图像。获 得图像中的每个像素所需时间为2.56fs。步进电动机则将样品在z方向移动,以便系统获取光学切 片, 实现光层析。 TPEF/SHG信号由一高质鼍反射光栅和32通道PMT阵列组成的META探测器接收。 META探测器前的红外(IR)滤光片(Zeiss,KP650)过滤激发光。激光激发波长为730 nm和850 nm。因 为730 nm激发波长最适合成像细胞结构,而在850 nm激发波长激发下,胶原纤维主要发生光学二次 谐波效应,这样可以避免产生自体荧光而损伤生物组织。(李钻芳等,2009)

图4

双光子荧光成像的原理(李钻芳等,2009)

2.2 双光子荧光成像技术的应用 主要应用于生物与医学领域。例如,在生物方面,双光子荧光探针可用于离子识别、DNA 片段 测定、特定蛋白质的荧光标记。在医学方面,双光子荧光探针可用于探测蛋白质表达的变化或异常 造成疾病的发生, 通过蛋白质双光子标记物研究疾病机理, 对疾病进行预警,防患于未然, 实 现对疾病的早期发现、 早期治疗和早期诊断, 同时开发针对各种疾病机理的高效药物等。

图 5 930nm 激光激发的双光子图像。样品是用 NIH 3T3 细胞中的经过着色的 Dil 油脂(黄池宝 等,2007)

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图 6 三种甲状腺组织的 TPEF/SHG 图像及对应 H&E 染色切片图(黄池宝等,2007)

图 7 双光子激光扫描显微镜观察的已用 ASP 和右旋糖酐结合的颈静脉的血管和近端小管(黄池 宝等,2007)
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Fig. 3 2c2pLSM image of MIN6 cells. Graphs on the right show fluorescence decay data averaged over the marked areas.The solid lines represent a biexponential function which fits the data best. τ 1 and τ 2 are the fluorescence lifetimes corresponding to this fit. Fluorescence lifetimes in the cytoplasm are higher than in the nucleus. The dark stripes(400 nm only, 800 nm only)show that other processes than 2c2p absorption are negligible

图 8 光子荧光成像观察的小鼠胰腺细胞(引自网页) 3.漫射光成像技术 3.1 漫射光成像技术的原理

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图 9 漫射光成像技术的原理(Feng Hua-cheng etal,2008) 在图9中,激光器(2)(VA671—200,Viasho,China)发出波长为671 nm,最大功率为200 mW的 激光(输出功率可调)。该激光由信号发生电路(1)(自制)输出的低频信号调制成5 kHz的正弦光信号, 以方便后续的信号处理,如噪声去除。调制后的光信号被耦合进一个1× 16的光开关(3)(SUN—FSW l× 16MM,SUN,China),轮流转接到16根发射光纤中的l根,在不同时刻照射组织表面的不同位置。 发射光纤与检测光纤束被固定在成像腔(4)(自制)周围的安装孑L上。 如果发射光纤与检测光纤束安装 在同一环小孔上,则系统用于2一D成像;安装在不同环的小孑L上,则可以用于3-D成像。盛有组织 仿体的玻璃杯被固定于成像腔内。光子在组织区域力内传播的过程中,有一部分被组织吸收,一部 分在经过多次散射后逃逸出组织边界扪。(Feng Hua-cheng etal,2008) 16根检测光纤束收集逸出组织边界的光子,并通过光学多路复用器(5)(自制)的切换轮流转接到 输出光纤柬并导入暗箱(6)(自制),照射暗箱中的PMT(R928,Hamamatsu。Japan),PMT将光信号转 换成电信号,后续放大电路(1)再对该电信号进行放大、滤波、检波等处理。光学多路复用器由马达 控制电路(7)(自制)驱动马达进行光接收通道的切换。发射光纤是芯径为62.5¨ m的标准通信光纤,这 样可以使得照射到组织表面的光源是一个比较理想的点光源,以方便系统建模和数学处理。检测光 纤束通过一个光学多路复用器进行切换。光学多路复用器是自制产品,其原理与光开关类似。为了 高效地收集逸出组织表面的光子,定制的检测光纤束芯径为1 mm,而输出光纤束的芯径为2 mm。 这样光信号从小芯径的检测光纤束传导进大芯径的输出光纤束,其能量损失会远小于相反的过程。 与光开关耦合的光纤芯径通常都要求在¨ m级别,不适合用于光子的高效收集,这是检测端使用自制 的光学多路复用器而不使用工业标准的光开关的原因。放大电路(1)(自制)是具有很高抗噪性能的锁 相放大电路,它有两路输入:一路是来自PMT的检测信号,另外一路是信号产生电路输出的参考信 号。锁相放大电路可以很有效地滤除微弱信号中的噪声,获得很高的信噪比。放大后的信号经采集 卡(8)(N15112,Nl,USA)进行A/D转换后采集进计算机(9),经过数字信号处理后用于图像重建。 图2是实际成像系统各分立部件的照片及其相互关系。系统控制以及数据采集软件协调控制系统各 活动部件的运动以及信号的采集与处理工作,使得系统具有较高的自动化程度。系统控制与数据采 集过程如下:计算机通过RS一232串口发送指令给光开关,切换光源通道,使得光源轮流照射组织 表面不同位置。7光源通道切换后,计算机通过串口发送指令给光学多路复用器的马达驱动电路, 驱动马达旋转,切换光接收通道,使得16根检测光纤束中的光信号轮流被导入到输出光纤束,并引 导到暗箱中照射PMT。PMT转换出的电信号是一个幅度调制信号,在经过放大、滤波、信号幅度提 取(检波)等处理后被采样进计算机,作为图像重建的原始数据。所有16个光接收通道转换一遍后再 切换光源通道,直到16个光源通道都切换完毕,这样可以得到16× 16(即256)个检测数据,再用这256 个检测数据重构组织内的光学参数。(Feng Hua-cheng etal,2008)
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3.2 漫射光成技术的应用 漫射光成像技术主要用于医疗检测中,如可以用漫射光成像技术检测乳腺癌、早期宫颈癌、胸 腔癌等的检测。

图10光成像用于对大脑活动的研究(许衡等,2000) 4. 近红外光谱成像技术原理及应用 近红外光谱(near infrared spectroscopy,NIR)技术可以快速高效地测定样品中的化学组成和物化 性质,成为工矿企业和科研部门不可或缺的一种分析手段,已广泛应用于农业、石化、制药、食品
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和临床医学等领域。近红外光谱技术得到的是样品某一点(或很小区域)的平均光谱,因而是样品组 成或性质的平均结果,非常适合用于均匀物质的分析。如果想得到不同组分在不均匀混合样品中的 空间分布及浓度分布,则需要采用光谱成像技术[3],如红外、近红外、拉曼和荧光光谱成像等。光 谱成像技术将传统的光学成像和光谱学方法结合起来,可以同时获得样品空间各点的光谱,从而进 一步得到空间各点的组成和结构信息。光谱成像先前多应用于遥感测量,如地质、农业、海洋、环 境以及军事等领域的测量,依据光谱分辨能力的不同称为多光谱成像(multispectralima—ging)或高光 谱成像(hyperspectral imaging)[4|。近些年,随着过程分析技术的兴起,现代化学计量学方法被应用 于光谱图像数据的分类和识别,光谱成像仪器逐渐走进了实验室和生产现场,成为分析检测中的一 种平台技术,光谱成像也越来越多地被化学成像(chemical imaging,CI)一词所替代。尤其是宏观的 近红外化学成像(NIR—CI)技术,目前正在成为传统近红外光谱的互补技术,在制药、农业和食品等 领域获得广泛关注,并得到了实际应用。(褚小力等,2008) 4.1 近红外光谱成像的原理 光谱图像是对样品的每一个空间点在多个离散或连续波长下扫描得到的,它实际上是由三维数据阵 (两维空间和一维波长)组成的,称为超立方阵(hypercube),如图11所示。(褚小力等,2008)

图11 光谱成像得到的立方阵示意图(褚小力等,2008) 这个超立方阵可看作是由一系列空间分辨光谱(称为像元,pixel),或一系列光谱分辨图像(称为像平 面,image plane)组成。选择一个独立像元就会得到样品某一特定空间点的连续光谱,同样,选择一 个像平面就会得到样品所有空间点在某一特定波长下的强度响应(吸光度),即光谱图像。通过光谱 谱图库检索或现代模式识别技术,就可辨识出样品空间的组成分布信息,并由彩色的视图直观清晰 地表示出来,即化学图像。目前尚无方法能一次直接获取样品的超立方阵光谱图像数据,只能一次 获得两维数据,然后将其顺序排列堆积成三维数据阵。这可以由两种方式实现,一种是将样品放到
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可动载物台上,使其顺次沿着横纵两个方向移动,逐点测量光谱,最后组成三维光谱图像,称为推 扫式(push—broom)成像,也称为绘图式(mapping)成像,这种方式多使用单点检测器;对于传送带移 动的样品,也可使用线阵列检测器。推扫式测量方式花费时间长,测试一个样品往往需要数小时之 久。另一种是固定样品,利用二维阵列检测器逐个波长地获取样品的图像,称为凝视成像(staring imager)。由于液晶可调谐滤光器(LCTF)和声光可调谐滤光器(AOTF)技术的出现和得到越来越多的 应用∞],以及红外焦平面阵列(FPA)检测器逐渐由军用转向民用p^引,凝视成像被越来越多地用于 红外和近红外光谱成像系统。目前推扫式成像和凝视成像两种方式都有商品化仪器,尽管两者在成 像方式上有所差异,所用器件也不完全相同,但都由光源、成像光学系统、分光系统(波长选择)、 检测器和采集系统[11]几部分组成,如图2所示。与光谱测量相似,光谱成像也有漫反射和透射两种 测量方式,但目前多采用漫反射方式。依据不同的光学设计,分光系统可以位于样品和光源之间, 也可以位于样品和检测器之间。(褚小力等,2008) 在近红外光谱区域,光源通常采用石英卤素灯,也可采用一组发光二极管作为光源,而省去分 光系统。分光系统可采用滤光片(包括线性可变滤波片)、光栅、Hadamard变换、干涉仪及可调谐滤 光器等。由于可调谐滤光器(如AOTF和LCTF)机械结构简单灵活、没有可移动部件、成本相对较低 等原因,而被光谱成像仪器所采用。对于宏观成像,成像光学系统采用聚焦透镜,对于微观形态成 像,则采用显微镜物镜。目前,宏观成像技术越来越受到重视,得到越来越多的应用。 所采用的系统如图12所示。

图12 光谱成像仪器组成示意图(褚小力等,2008) 将样品放置于样品台上,由两侧的光源提供红外光源,照射到样品上,经过成像系统对所观察的样 品进行成像,再进分光系统进行处理,由检测器检测成像信息,经过数据采集和分析系统的处理和 分析,在电脑呈现所观测样品的三维图像。(褚小力等,2008) 4.2 近红外光谱成像的应用 近红外化学成像技术已在农业、食品、制药、临床医学等领域得到了较为广泛的研究和应用,如单 籽粒中不同化学组成的分布,谷物内部虫害检测,药品真伪鉴别以及均匀度的评价,果品压伤撞伤 等缺陷的检测,以及废旧塑料的分类识别等。(褚小力等,2008) 4.2.1 制药领域中的应用 Gowen A A等人综述了近红外和拉曼化学成像技术在制药领域的应用情况。由于近红外化学成像可 以得到不同物质在样品中的空间分布情况,因此通过统计分析可以很清晰地表达药品中不同物质的 混合均匀性;Lyon R C等人证明了成像技术将得到比光谱技术更满意的混合均匀性检测结果。将近
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红外化学成像的强空间分辨能力与光谱分析结合起来,能够鉴别出药品上的微量污染物和少量有效 成分的降解物,是传统近红外光谱分析技术很难实现的。更为重要的是,采用近红外化学成像可以 实现药品的高通量分析,用于假药、劣药的筛查以及制药厂的质量保证控制分析,例如它可以对一 板药片上用透明塑料泡包住的所有药片(30片)同时进行无损分析,实现真正意义上药品的逐片出厂 检测。(褚小力等,2008) 4.2.2 农业和食品检测 Gowen A A[引、邱白晶、徐惠荣伽、刘木华朝等人综述了近红外光谱成像技术在农产品和食品领域 中的应用。在农产品和食品领域,近红外光谱成像主要用来检测水果、蔬菜的缺陷,如损伤、压伤 和虫孔等瞳;水果、蔬菜和肉类表面上的微量污染物,如粪便和有机残留物;粮食中的害虫、食品 中的细菌和寄生虫等;还可以用于农产品和食品的品质分析,如葡萄的成熟度、桃的硬度、草莓的 总可溶性固形物含量,配合饲料的类别判断,谷物中油分和水分含量测量|,以及猪肉的大理石花纹 等级评价]等。(褚小力等,2008) 4.2.3 其他领域中的应用 除了医药、农业和食品领域,近红外化学成像技术还在高分子、化学合成以及生物医学等领域得到 了应用,例如废弃塑料和纸张的在线识别,环氧树脂固化过程不同位置的动力学研究,缩氨酸固相 合成的检测分析,临床医学诊断等。(褚小力等,2008) 5. 光声成像的原理及应用 5.1 光声成像的原理 光声层析成像(photoacoustic tomography,PAT)是近年来迅速发展的一种新的无损医学成像方 法, 它结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透深度特性的优点.在生物组织中的光 声成像,是一种以超声作媒介的生物光子成像方法,一束短脉冲(~10 ns)激光经过光学元件扩束后, 照射到生物样品,激光能量被组织内吸收体快速吸收,组织受热膨胀,产生压力波(光声波)这种现 象叫做光声效应,光声波将穿过组织向外传播,可被放置在样品周围的超声传感器探测到(图 1).通 过采用旋转扫描方式,或采用多元阵列探测器,就可以得到在激光照射下组织内不同区域的光声波 压力强度分布.光声波压力的大小与组织对激光能量的吸收程度直接相关,光吸收越强,则该处的光 声信号强度越高,因此,利用探测到的光声波分布数据,通过滤波反投影进行图像重建,就可以得 到组织的光吸收分布图像. 图 14 为一老鼠头部的光声成像图, 它清楚地给出了胚胎内的血管分布信 息.在光声成像中,样品和探测器常被置于水中(图 15),经扩束的激光束从上方照射样品,样品产生 的光声波被探测器(如水声器或多元线性阵列探测器等)接收,然后经放大器对信号进行放大再由示 波器或数据采集卡采集到微机,微机同时控制激光脉冲的发射和探测器或样品的同步旋转扫描,得 到样品的光声波强度分布数据.最后对采集到的光声数据进行数学处理, 采用合适的图像软件进行图 像重建,得到样品的光吸收分布图像. (谷怀民等,2006)

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图 13 光声成像的原理(谷怀民等,2006)

图 14 老鼠头部的光声成像图(谷怀民等,2006)

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图 15 光声成像实验装置示意图(谷怀民等,2006) 光声成像探测的是被测点吸收激光后的光声信号,它从原理上避开了光散射的影响,光声振幅 决定于吸收的光能量,由局部能流密度和作用目标的光吸收系数决定,与光散射引起的光子传播路 径无关,因此,其空间分辨率不受光散射影响.同时,由于组织对超声的衰减和散射远小于对光的衰 减和散射,用超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子,可显著提高成像深度和分辨率. 与传统的超声影像方法相比,PAT 可以区分声学参数相同而光学参数不同的待测样品,提供高分辨 率和高对比度的影像.研究表明,用 PAT 进行结构成像,其成像深度达 10~50 mm 左右,成像分辨 率可达到 20nm.超声在水中的穿透性好,而生物组织内 70%是水,光声信号在组织内具有非常好的 传输特性.生物组织内部产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息, 通过测量光声信号能重建出 组织中的光吸收分布.而生物组织的光学吸收系数、散射系数与组织的结构形态、生理特征、代谢功 能、病变特性甚至神经活动密切有关,例如,早期癌变组织的光吸收比正常组织高出 2~5 倍.因此, 对生物组织进行光声成像,可为研究生物组织的内部特征提供重要手段,在生物医学临床诊断以及 在体成像领域具有广泛的应用前景. (谷怀民等,2006) 5.2 光声成像在生物医学中的应用 光声信号既依赖于生物组织的光学特性,也依赖于生物组织的声学性质,因此光声成像能为医 学诊断提供更丰富的有价值的信息.PAT 是利用生物组织的光吸收来进行成像, 生物组织光吸收特性 与生物组织结构功能和病理特征紧密相关,通过这些光学参数的差异进行光声成像,在医学临床早 期诊断中具有重要应用价值.肿瘤是严重危害人类健康的高死亡率疾病, 虽然医学诊断技术的不断发 展已经显著地改善了肿瘤的探测方法,但目前的探测技术主要是针对临床表现已很明显的肿瘤进行 诊断,不能探测小的肿瘤病变.在大多数情况下,通过目前的方法探测到的肿瘤病变至少已长成接近 1 cm 的直径,肿瘤的自然发展过程已经过了三分之二.因此,在肿瘤发展到致命程度之前,这些技术 只给人们留下了一个很小的探测机会.但基于组织光学吸收的光声成像技术可为此提供有效的解决 方法,快速生长的恶性肿瘤通常需要更多的血液供应,伴随更多的微血管增生,血管中的血色素使 得病变组织对激光的吸收显著增强, 所以肿瘤组织与正常组织的光学吸收对比度很高.采用合适波长 的激光对病变区和其周围组织进行照射时,病变部位对激光的吸收将明显高于周围正常部位,病变 区的光声信号强度也将远高于正常组织.因此, 基于光吸收的光声成像可以为肿瘤检测提供高对比度 的光吸收分布差异,得到具有医学临床诊断价值的肿瘤影像,在对乳腺癌,口腔癌等进行光声检测 的应用基础研究中取得了重要的研究成果.Oraevsky 等研制了一种宽带超声传感器, 用于对仓鼠颊囊
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内的处于不同发展阶段的鳞状上皮细胞肿瘤进行成像, 采用波长为 532 nm、 脉冲宽度为 12 ns 的 YAG 激光激发,得到癌变前和癌变阶段的异形无定形组织的清晰的光声图像.Karabutov 等采用 1 064 nm YAG 激光作激发光源, 采用 32 元 PVDF 膜探测器探测光声, 对已被乳房 X 射线照相术或采用 X 射 线技术同其他技术结合确诊患有乳腺癌临床病人的病变部位进行光声成像,激光照射部位位于疑似 病变部位附近,但光声成像前并不能确定准确的病变部位,研究得到了比其他方法具有更高对比度 的肿瘤影像.在组织中对激光强吸收并产生光声信号的常见光吸收体是血色素, 光声成像的对比度决 定于血液相对于周围介质的吸收对比度,对于 550 nm 激发光,该对比度因子为 100,对于 850 nm 激发光,该对比度因子约为 10,同时,光声成像的成像深度深,如近红外的 850 nm 和 1 064 nm 激 光的组织穿透深度达几个厘米.因此,光声成像可对组织深层的层状结构进行结构分析成像,探测分 层组织中的隐藏目标或组织内部深层的血管分布.Kolkman 等根据光声成像所得到的吸收体的分布 图像,对组织内血管尺寸及其空间结构特征进行了定量的测定和分析.Wang 等通过对鼠脑部结构进 行三维光声层析成像,得到其脑部血管、小脑、海马状突起、海绵体结构的清晰图像.在光声成像基 础上,进一步对光声图像所反映的光学信息进行定量分析和标定,根据所测对象的光声信号强度与 相应生理学参数的对应关系, 能够定量推译出组织的血色素或葡萄糖的浓度、 血色素的氧饱和度等, 因为组织的光学吸收信息与这些参数的变化直接相关.生物组织的功能总是与某些特定的生命物质 相关,而不同的生命物质具有不同的特征光学吸收谱,根据物质的特征光学吸收峰,或者采用分子 探针进行预先标记,在光声成像中选择相对应波长的激发光源,可对这些特定的生命物质进行选择 性激发, 实现具有更高灵敏度的生物组织的特征结构和功能光声成像.组织的光学吸收特性与血氧消 耗、脑生理状态等密切相关,Esenaliev 等通过光声成像研究脑结构和脑部血管中血液动力学过程, 监控脑血氧的动力学变化,可以得到脑神经系统的动态信息和功能特征信息,在神经生理学和神经 病理学中具有重要的应用前景.Schuele 等通过光声成像监控激光辐照期间的视网膜色素上皮细胞的 温度变化,对于视网膜色素上皮来说,选择性的微光凝结技术是一种新的技术,它有望用于治疗多 种视网膜疾病,通过应用微秒激光脉冲(Nd:YLF 527 nm)照射视网膜色素上皮组织,可以选择性地 破坏这些病变细胞, 却不损伤周围的感光细胞和神经组织.同时由于视网膜色素上皮组织吸收激光能 量,因热弹膨胀而产生光声波,而光声压的大小决定于被激光照射的视网膜色素上皮组织的温度, 在光声振幅与温度之间存在线性关系,由此可以监测激光照射期间视网膜色素上皮中基底温度的变 化. (宋智源等,2006) 6. 声光成像原理及应用 6.1 声光成像的原理 声光互作用是指光波在介质中传播时, 被超声波场衍射或散射的现象。 由于声波是一种弹性波, 声波在介质中传播会产生弹性应力或应变这种现象称为弹光效应,介质弹性形变将导致介质的折射 率发生变化。当光波在介质中传播时,就会发生衍射现象,衍射光的强度,频率和方向等将随着超 声场的变化而变化。(曹跃祖等,2006) 如图 16 是其成像的核心部分器件。

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图 16 声光调制器示意图(曹跃祖等,2006) 由压电换能器、透明媒质、激光除入射系统构成的光学器件叫做声光调制器。成像过程是:样 品放置于透明胶质之中,用光波作用于透明胶质而间接地作用于生物样品,产生的声波信息以光信 号形式传递出,经过一个接收光栅接收信息,然后又换能器将光信号转换为电信号,在输入到电脑, 在电脑中可以得到样品的三维图像。(曹跃祖等,2006) 6.2 声光成像的应用 主要用于激光加工机、 激光通讯、 激光雷达、 激光图像遥感、 激光干扰、声光频谱分析领 域,, 产品已得到广泛应用, 从而大大扩大了激光的应用领域。也可用于激光印刷机和雷达波谱 分析器中。

图 17 声光成像的应用(郝爱华等,2005) 7. 热声成像的原理及应用 7.1 热声成像的原理 为了理解基本的光声作用,考虑一小球体元,其半径为 R,光学性质均一。该球浸在某均匀介 质中,介质对光(辐射)高度散射。假设一束持续时间为 τ 的光脉冲在瞬间传遍该介质,结果各向同 性地照亮该小球,一部分光能被吸收并被转化成热,由于瞬间的热膨胀产生压力波并向外传播,如 图,这就是热声现象。(严华刚等,2002) 7.1.1 辐射频率的选择 Kruger 等人在实验中采用了 434MHz 频率的电磁波作辐射源。原因如下:首先,在此频率下, 能量吸收比较充分,因此能获得较高的信噪比,这是从 Foster 和 Shepps 的研究结果中导出的,他们 假设水的含量在正常组织和癌变组织中分别为 0.7 和 0.8,计算出相对信噪比在频率为 100MHz 与 1GHz 之间时最大;其次,不同组织的吸收能力差异较大,研究表明在 300~500MHz 的频率范围内 乳腺中的癌变组织比周围的正常组织吸收辐射的能力要强 2~5 倍,原因在于癌变组织中含有较多的 水和钠离子;最后,该频率下的辐射可比较有效地穿透组织,适合应用于活体成像,如乳腺。

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图 18 热声成像的原理(严华刚等,2002) 7.1.2 装置 Kruger 等人设计的热声成像仪以研究乳腺成像为目的,装置示意图如图 2。对该装置说明如下: (1) 整个装置放在水中,有弹性薄膜把水分成上水池和下水池,以减少声波的反射和折射; (2) 人体组织样品放在弹性薄膜中央; (3) 换能器均匀排列在半球面上; (4) 换能器所在半球可以绕中心轴旋转,以消除换能器响应不一致带来的伪影以及提高信噪比。 图 19 只显示了装置结构的简单框架, 数据的采集和重建也是其装置的重要部分,Kruger 在 1999 年使用的计算机是 Pentium Pro 180MHz, 重建一 256× 256× 256 像素 10cm× 10cm× 10cm 大小的图像耗 时约 1 小时。(严华刚等,2002) 7.1.3 空间分辨率 三维成像的空间分辨率比较复杂,对于如图 19 所示简易的扫描热声成像装置,轴向的分辨率 受辐射脉冲宽度和超声换能器的时间响应宽度限制;换能器带宽越宽,时间响应越好;辐射脉冲宽 度越宽,分辨率越低,但信号越强。横向(侧向)分辨率主要受超声换能器的焦直径影响。(严华刚 等,2002)

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图 19 断层成像的装置示意图 Kruger 等人设计的断层成像的装置示意图。64 个换能器阵列以螺 旋的形式分布在半球上。软组织置于弹性膜之上,被半球底部的天线 434MHz 的频率辐照。整个装 置处在水中,弹性膜把水池分为上下两部分。(严华刚等,2002)

图 20 简易的扫描热声成像装置示意图 (严华刚等,2002) 7.1.4 影像效果 Kruger 等人在 1999 年得到了羊肾的断层图像,后来在图 2 装置的基础上稍做改进得到了第 1 张人 体乳腺的热声图像。(严华刚等,2002) 7.2 热声成像的应用 虽然由于原理和技术本身的许多问题使得热声成像技术似乎难以在临床上有广泛的应用,但由 于热声断层成像原则上可利用非常大范围频率的电磁辐射源(可见光,红外光,微波),因此其潜在 的应用前景不可低估。恰当地结合生物光谱学的实验结果,将来可望用来作为功能成像的一个廉价 的有效的诊断方法。(严华刚等,2002)

图 21 热声成像的应用(严华刚等,2002) 8、近场光学显微技术原理及应用 8.1 近场光学显微镜构成与工作原理 近场光学显微镜由探针、信号传输器件、扫描控制、信号处理和信号反馈等系统组成。近场产生和 探测原理:入射光照射到由许多大小不一的小物体组成的大物体上,这些小物体被入射场激发而重 新发光,产生的反射波包含限制于物体表面的隐失波和传向远处的传播波。隐失波来自于物体中的 细微结构(小于波长的物体),而传播波则来自于物体中粗糙的结构(大于波长的物体),后者不含任何
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物体细微结构的信息。如果将一个非常小的散射中心作为纳米探测器(如探针),放在离物体表面足 够近的地方,将隐失波激发,使它再次发光。这种被激发而产生的光同样包含不可探测的隐失波和 可传播到远处探测的传播波,这个过程便完成了近场的探测。隐失场(波)与传播场(波)之间的转换是 线性的,传播场准确地反映出隐失场的变化。如果用一个散射中心在物体表面进行扫描,就可以得 到一幅二维图象。根据互逆原理,将照射光源和纳米探测器的作用相互调换一下,采用纳米光源(隐 失波)照射样品,因物体细微结构对照射场的散射作用,隐失波被转换为可在远处探测的传播波,其 结果完全相同。(方哲宇等,2007)

图 22 近场光学显微成像原理图(方哲宇等,2007) 近场光学显微是由探针在样品表面逐点扫描和逐点记录后数字成像的。图 22 是一种近场光学显微 镜的成像原理图。 图中 x-y-z 粗逼近方式可以用几十纳米的精度调节探针至样品的间距; x-y 扫描 而 及 z 控制可用 1 nm 精度控制探针扫描及 z 方向的反馈随动。图中的入射激光,通过光纤引入探针, 并可根据要求改变入射光的偏振态。当入射激光照射样品时,探测器可分别采集被样品调制的透射 信号和反射信号,并由光电倍增管放大,然后直接由模-数转换后经计算机采集或通过分光系统进入 光谱仪,以得到光谱信息。系统控制、数据采集、图像显示和数据处理均由计算机完成。由以上成 像过程可以看出,近场光学显微镜可同时采集 3 类信息,即样品的表面形貌、近场光学信号及光谱 信号。(方哲宇等,2007) 8.2 近场光学显微技术的应用 8.2.1 物理领域 近场光学显微技术源于物理,在物理领域应用极其广泛。首先,可用于光学成像。由近场光学所成 像的分辨率达到了纳米量级。其次用于基本物理过程:如场条件下的光谱学研究。目前的各类光谱 测量方法大都在宏观平均值水平,即使用微区光谱也只限于微米尺度观察。而用低温近场光谱研究 CaAs/A1CaAs 单量子线、多量子线的光致发光现象,可以在纳米尺度明确无误地揭示不同光谱的来 源及其本征值。由于量子线的尺度是已知的,因此可准确地测定分辨率,而无须用附加的校正方法 来确定仪器的响应函数。用近场光谱仪可以区分几十纳米量子线的光发射及单个或多个量子阱的发 射谱,并且在研究量子点、纳米晶体、表面缺陷与位错、量子球与多孔硅等方面发挥了它独特的作 用。另外,利用 C-mode PSTM,通过收集产生于波导表面的隐失波,对绝缘光波导进行高分辨率无 损探测。利用这种方法发现了光波导微波长散射源,从而提高了在设计中形成导层掩模的精确性, 减少了导管的导波损失。在国外,用近场光学显微镜已经探测到来自单个染料分子的荧光,其高分 辨率是传统远场探测的光学显微镜无法达到的。在大规模集成电路当中,利用反射式 NSOM,对 SRAM 芯片进行表现成像来测量电路的线宽,将有非常广泛的应用前景。(方哲宇等,2007)
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8.2.2 生物领域 将近场光学显微术应用于生物研究领域,可以得到亚波长级生物分子的结构图像,也可得到生物标 本的细胞膜厚度以及聚合构特征尺寸,如细胞膜内连接元素等纳米级精细结构信息;还可用光波相 变法观测内部与外部结构在某一特定条件下发生的微小变化。国外利用 PSTM 已得到椭圆头直径为 100 nm 和圆柱尾直径为 10 nm 的纳米生物标本噬苗体细菌图像, 以及作为分子级典型代表的沙门氏 苗体鞭毛图像,其鞭毛直径为 25 nm,并且由鞭毛一部分核断面放大图给出了一个小于 10 nm 分辨 率的估计。1992 年,AT&T 贝尔实验室利用自己研制的镀膜光纤探针扫描近场光学显微镜,得到了 4×4μm 区域内吸附在 30 nm 厚的 PMMA 膜上的染料分子探针 DiIC12(3)的分布。所得到的单个分子 的相对位置可以确定到 5~15 nm,其光强分布信息可以很好地被理论解释,并可以推断出这些染料 分子的取向。对染色荧光分子的研究只是近场光学显微镜技术迈向生物领域的第一步。作为首先被 光学显微技术发现和研究的细胞, 自然而然地就成为近场光学显微镜应用的主要方向之一。 1994 年, 美国太平洋西北实验室报道,他们利用近场光学显微镜研究叶绿素系统中的一些独立蛋白合成物在 thylakoN 膜上的分布情况。劳伦斯-伯克利国家实验室将血红蛋白用红、绿两种荧光分别染色,在获 得形貌像的同时,得到了荧光分布,从而分析了两种蛋白在内膜上的分布相关性。(方哲宇等,2007)

图 23 近场光学显微术应用于生物研究领域(方哲宇等,2007) 8.2.3 高密度光存贮 信息技术的核心是信息的高密度存储。由于近场光学显微镜对环境条件要求低,在目前成熟的光盘 技术基础上,它已成为各种近场高密度信息存储技术的强有力竞争者。理论分析近场存储密度可达 6.5 Tb/in2。目前,已在光盘上得到直径为 50 nm 的光斑,在透射情况下,可以 4.5 Gb/in2 和 E1q 密 度向磁光盘写入或从该密度盘中读出信息。 存储材料一般为光刻 b 相交材料和光致变色薄膜等几种, 其中光致变色材料具有高分辨率、高灵敏性及可多层记录等性质,具有很大的研究和发展潜力。由 于近场光存储中探针处于样品表面近场区域内,且孔径很小,因而投射到样品表面的光斑很小,甚 至比一个分子还小,只有处于光斑中的分子吸收光子发生光色反应,才能实现利用分子双稳态来存 储信息。目前,对于光致变色材料的存储和读取,国外已提出一种比较理想的读出方法——荧光探 明法。利用这种方法,可以得到具有高信噪比和高密度的近场光致变色存储。采用近场技术,读写 斑的尺寸可以减小到 20 nm,存储密度可以提高到 125 Gbit/cm2。按此密度计算,一张 30 cm2 光盘 的总容量可以达到 1014bit,相当于美国国会 100 年档案信息的总和,接近人脑的总存储能力。由此 可见,近场光学显微镜在提高信息存储密度方面有着巨大的潜力。另外,光刻技术也是因乐学的衍 射,只能加工微米量级的图像,而当波长小于 193 nm 时,就很难找到合适的镜头材料。NSOM 可 用来对材料表面进行局域改性,所以它也可作为纳米光刻的一种技术。激光通过光纤探针对光刻胶 曝光,这方面已取得了很多实验结果。(方哲宇等,2007)

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图 24 质脂体 SNOM 图像(方哲宇等,2007) 9 二次谐波成像原理及应用 9.1 二次谐波成像的原理

图 25 SHG 实验装置示意图(屈军乐等,2006) 二次谐波成像既往多用于观察声学造影剂对心腔及心肌的造影增强效果,而对组织谐波的成 像技术,探头以低频率发射基波,基波在体内传播过程中,使介质中每个质点发生位移,产生与基 波频率呈非线性关系的振动波,其中整倍于基波频率的振动波称为谐波(harmonic),2 倍于基波频率 的振动波为二次谐波,3 倍于基波频率的振动波为三次谐波。二次谐波成像时探头接收频率是发射 频率的 2 倍,即发射频率为 1· Hz,则接收频率为 3· Hz。谐波中带有丰富的组织结构信息,可用 8 6 于成像,以显示组织结构特征,但二次谐波信号通常较微弱,在常规超声成像过程中被忽略。在组 织谐波成像技术中,探头只接收组织振动所产生的二次谐波信号,并对其进行放大成像,因此可降 低噪声伪像,提高对比度,明显增强图像分辨力和清晰度,从而提高诊断率。其原理在于:(1)二次 谐波的宽度窄,可提高侧向分辨力;(2)随着二次谐波的增加,反射脉冲的长度逐渐减小,使轴向分 辨力提高;(3)主声束的二次谐波高于旁瓣,使谐波图像中杂波簇(cluster)减小,因旁瓣作用随谐波
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的增加而减少。利用人体回声信号的二次谐波成分构成人体器官的图像,又可分为对比(造影)谐波 成像(contrast harmonic imagig,CHI)和组织谐波成像(tissue harmonic imaging,THI)两种。对比谐波 成像需静脉注射造影剂,谐波频率能量来自于造影剂微气泡产生的散射。而组织谐波成像中,谐波 频率能量由超声波在组织中传播时逐渐产生,虽声能强度小于前者,但无需注射造影剂,简便易行。 (屈军乐等,2006) 9.2 在心脏疾病检查中的应用 应用常规二维超声图像(基波显像)时,由于肥胖、肋间隙狭窄、胸廓畸形、肺气肿及高龄等因素的 影响,FI 声束产生杂波簇,并与生物组织本身的基波混杂在一起,使图像产生多次反射伪像,影响 图像质量。 二次谐波图像能明显增强心肌与心内膜的显示效果, 提高对细小病变的分辨力与对比度。 (罗福成等,2001) 9.2.1 高血压病性心脏病、冠心病、心肌梗死 上述心脏病患者伴肥胖症时,常规超声探查图像较模糊,换用 NTHI 后,图像两侧的噪声干扰明显 被抑制,心肌与心内膜显示增强,可清晰地观察和准确地测量高血压性心脏病患者的室壁厚度,对 心肌梗死的范围显示更为清晰。 有学者对心肌病 47 例成像困难者中, 应用 NTHI 后约 59%的节段左 心室心内膜显示能力(EBD)改善,而在全部模糊或不可见的节段中约 67%明显改善,以心尖切面的 左心室前壁、侧壁改善尤为明显,占 51%。与左心室长轴、乳头肌短轴、左心室二腔心切面比较, 四腔心切面 EBD 改善情况最佳。此为观察冠心病患者的室壁运动提供了重要信息。(罗福成等, 2001) 9.2.2 心肌病变 NTHI 可清晰显示感染性心内膜炎患者主动脉瓣和二尖瓣上赘生物的位置、大小与数目,也能清晰 地显示扩张型心肌病的心肌与心内膜。有人对心尖肥厚型心肌病 20 例的诊断中,应用二次谐波显 像,使 82%的患者确诊,且 50%是弥漫型心尖部肥厚,93%的患者心功能减退。我们认为,二次谐 波显像是对二维超声心动图检查不可缺少的补充。(罗福成等,2001)

图 26 NTHI 显示感染性心内膜炎(罗福成等,2001) 9.2.3 在心脏声学造影中应用 NTHI 主要是针对心肌的谐振特性进行心脏解剖结构的成像研究。心肌的不同层次在声波的作用下, 通过相互挤压也可产生非线性谐振效应,虽然此特性较微泡造影剂的谐振效应弱(相差数千倍),但
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通过放大处理仍能获得心脏结构的二维谐波声像图,特别是对肥胖者等透声条件不好者能改善图像 质量,增加心内膜造影清晰度,减少乳房影的干扰等。吕清等应用声学造影检查 30 例中,确诊为 分流性先天性心脏病 18 例,并与传统基波成像比较,发现前者右心室影更强,密度更高,散在造 影剂微泡粗而亮,并能清晰显示左心少量穿肺造影剂,这是传统造影检查难以探及的,但要达到心 肌显像,还要开发新的心脏声学造影剂。此外,应用二次谐波检查对心包积液,可更清晰地显示积 液内纤维条索样回声数量及心包壁层、脏层粘连程度,以及左、右心房肿瘤、室壁瘤等部位、大小、 边界及与周围结构的关系。(罗福成等,2001) 9.3 在腹部疾病检查中的应用 近年来,二次谐波成像技术逐步趋于成熟,国内开始应用于心脏以外的器官和组织检查。主 要有两种方式:一是组织频谱谐波成像;二是通过超声造影剂实现血流对比谐波成像。该项技术用 于腹部疾病的检查,国外尚处于动物实验阶段,国内已有用于肝脏、胆道等疾病研究的报道。 肝脏肿瘤 罗淑荣等报道,弥漫型肝癌组常规超声检查时,肝内回声强弱不一,分布不均匀,无明 显界限,与肝硬化不易鉴别。利用 NTHI 后粗大的点状回声增强,可清晰显示包块轮廓,如对门静 脉内癌栓形态、范围及管腔间隙,以及对巨块型肝癌包块边界及周围组织受挤压变形和结节型肝癌 包块的图像均可显示,尤其能显示常规超声不能确定的小坏死灶无回声区的大小。董宝玮等采用能 量多普勒超声(CDE)和能量谐波(powerharmonicimaging,PHI)检查肝占位性病变 12 例,结果 PHI 检查示肿瘤组织内细小、低速血流信号 8 例,恶性肿瘤血流信号增强 6 例,强度评分为 2;良性肿 瘤 4 例,评分为 1。我们认为,PHI 可客观评价肝组织及其病变血流灌注状态,特异性强,灵敏度 高,能显著提高肝脏肿瘤性质的鉴别诊断水平。非均匀性脂肪肝采用二次谐波成像显示肝内低回声 区域边界清楚,“低回声灶”内血管壁回声增强,可分辨低回声灶与血管走向,从而得以排除占位性 病变。(罗福成等,2001) 10.X 光相衬成像技术的原理及应用 10.1 X 光相衬成像技术的原理 由一整块完美硅单晶分割成三块完美晶体平行放置,形成一个x射线干涉仪。第一块晶体将经 过单色仪之后的x射线光束分束,分成透射波和衍射波,在对称的实验装置安排中,在晶体准确的 布拉格位置上,两束波的强度完全相等;中间的晶体作用类似于一个镜子,将两束光合束;第三块 晶体则作为分析晶体。样品放置在其中一束光的光路中,位于合束晶体和分析晶体之间,并由此引 入相位变化,使波前发生畸变。将经过样品的物光与参考光干涉而产生干涉条纹,条纹对于经过样 品之后产生的相移非常敏感。(陈建文等,2005)

图 27 X 射线干涉仪(陈建文等,2005) 同步辐射源产生的 X 光源经过单色器后, 由第一块晶体将光束分为两束: 透射光束和衍射光束, 再经过中间的晶体后经分析晶体会聚后经探测器探测成像信息。样品放置于第二块晶体和第三块晶 体之间的任何一束光束中。由于样品的加入,会使原先的相衬光频率发生改变,因此,样品后的光 束不能再与原先的光形成相干干涉,但是样品前的光束没有发射改变,还可以与原先的光相干,从 而形成相干干涉图样。经过探测器探测信号,在经过光电倍增管进行光电信号的转换,将获得的电 信号输入计算机从而得到样品的图像。在连接上层析装置后,可以得到样品的三维图像。
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10.2 X 光相衬成像技术的应用 肿瘤等的早期诊断; 软组织内的微小结构, 包括血管、 气管、 神经系 统等探测, 为生物 医学和病理学研究提供一个很好的手段; 加工好的食物内异物检测; 石油勘探时岩石和土壤中的 流体流研究; 艺术精品和赝品的鉴别; 材料力学特性、 界面扩散研究 ;陶瓷、 合成纤维等新 材料的特性分析。

图 28 蛋白质的衍射图(陈建文等,2005)

图 29 X 光相衬成像用来观察高尔基体(陈建文等,2005) 11. 扩散光子成像的原理及应用 11.1 扩散光子成像技术的原理 目前基于DPDW 的相位调制检测系统有/种基本形式(零差式)外差式和单边带式。 图为零差式系 统的基本结构"其直流干扰较大!精度相对较低"外差式系统的基本结构图如图30,优点是克服了零差 式系统直流干扰大的缺点!理论上可以达到很高的精度"缺点是系统较复杂!并且两高频信号源间的 串扰和相互混频现象较严重"单边带系统的基本结构见图, 173"它可实现有效的光学调制和信号探测! 具有外差式系统的所有优点!同时由于只需一路高频信号!从而避免了多路高频信号间的串扰和相互 混频!使系统精度显著提高"另外系统所有射频功率都集中在由低频振荡源确定的一个窄SSB内!即有 用信号内!提高了功率的利用率。 典型的SSB接收机含有多级外差探测!每一级都有相应的窄带滤波器! 从而防止了噪声累加"在/种基本形式的基础上!演变出多种适于不同应用的系统"包括用于组织参数 的测量系统)用于提高探测灵敏度和定位精度的幅度相消系统及成像系统。
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图 30 扩散光子成像技术的原理(Wu Gui-ling etal,2001) 11.2 扩散光子成像的应用 扩散理论是研究光子在高散射’大体积组织中传输的有效模型%基于扩散理论的()(* 技术+可获 得大组织内部很多有用的信息+在生物医学领域有着广泛的应用前景DPDW 技术自被提出以来+在 国际上引起了广泛的关注,并已取得了相当大的进展%美国宾夕法尼亚大学的Chance领导的实验室 最早开展这一技术的研究+已在肿瘤组织的定位上取得了较好的临床实验结果+如已获得了乳腺癌 的定位图像等组织功能成像方面也已取得了一定的进展+已获得了与核磁共振成像结果非常吻合的 大脑功能成像。..另外,通过相关检测技术+还实现了对血流的监测及烧伤深度的测量!,国际上开展 这项研究的单位还有德国的洪堡大学’荷兰菲利普公司及美国伊利诺伊斯大学等%从已经报导的数 据和实验结果来看DPDW技术可获得足够的信息量和良好的性能价格比与技术相比,CT、MRI该技 术在探测深度和分辨率方面还存在一定差异+但简单’经济及无损等显著优点使其有着强大的吸引力 和广阔的应用前景, 在小的源:探测器间距下确定组织的微结构的研究是当前的引人关注的方向+ 且在理论和实验方面都已取得了进展。(Wu Gui-ling etal,2001) 12. 核磁共振(MRI)成像技术原理及应用 核磁共振技术早期仅限于原子核的磁矩、电四极矩和自旋的测量,随后则被广泛地用于确定分 子结构,用于对生物在组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等诸多方面。 还可以用来观测一些动态过程(如生化过程、化学过程等)的变化。核磁共振是一种物理现象,作 为一种分析手段广泛应用于物理、化学、生物等领域。到 1973 年才将它用于医学临床检测。为了 避免与核医学中放射成像混淆,把它称为核磁共振成像术(MRI)。(李超等,2009) MRI 是一种生物磁自旋成像技术,这是利用原子核自旋运动的特点,在外加磁场内,经射频脉冲激 后产生信号,用探测器检测并输入计算机,经过处理转换在屏幕上显示图像。MRI 提供的信息量不 但大于医学影像学中的其他许多成像术,而且不同于已有的成像术,因此,它对疾病的诊断具有很
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大的潜在优越性。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像,不会产生 CT 检测中的伪影;不需注射造影剂;无电离辐射,对机体没有不良影响。(李超等,2009) MRI 对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤(胶质瘤、垂体瘤、颅咽管瘤、髓母细胞瘤、血管 母细胞瘤、脑膜瘤、听神经瘤、转移瘤)、多发性硬化(脱髓鞘病变)、颅内动脉瘤、动静脉血管 畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效,同时对腰椎椎间盘 后突、膝关节半月板损伤、原发性肝癌、房间隔缺损等疾病的诊断也很有(李超等,2009) 效。MRI 也存在不足之处。它的空间分辨率不及 CT,带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的 部位不能作 MRI 的检查,另外价格比较昂贵。(李超等,2009) 12.1 核磁共振(MRI)层析成像原理 一般在作体格检查时常要做心电图的检查,在身体上几处贴上电极片,然后用心电检测仪测 绘出心电图,再根据心电图来诊断心脏活动是否正常?是否有什么疾病?这是因为人的心脏活动会 产生心脏电流,而心脏活动的正常与否便会反映在心脏电流随时间的变化上。这种心脏电流变化称 为心电图。但心电图会受电极片接触情况的影响,而且心电图不能反映心电流的直流分量,电极片 更不能离开人体。但我们知道,电流会产生磁场,因此心脏电流会产生心脏磁场,原理上同心电图 一样也会有心磁图,但是同心电图相比较,要测量心磁图却很困难,可是从心磁图获得的心脏信息 却更多和更有其优点。磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像,简称核磁共振 成像,又称核磁共振 CT(CT 是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和电子计算 机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素,也即这种核素的化学元 素的浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的 X 射线层析成像(又称 X 射线 CT)具有更多的优点。 例如, 射线层析成像得到的是成像物的密度分 X 布图像,而核磁共振层析成像却是成像物的原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的 密度分布图像,但氢元素是构成人体和生物体的主要化学元素。因此,从核磁共振层析成像得到的 氢元素分布图像,要比从 X 射线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。例如人体头部外 CT 成像和 X 射线成像,层头骨的密度高,而内层脑组织的密度较低,因此从人头部的 X 射线层析 成像难于得到人脑组织的清晰图像,但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组织的氢 原子核即氢元素分布的清晰图像,从而可以看出脑组织是否正常。又例如,对于初期肿瘤患者,其 组织同正常组织尚无明显差异时,从 X 射线层析成像尚看不出异常,但从核磁共振层析成像就可看 出其异常了。在核磁共振层析成像中可以检查出的脑瘤(A),但在 X 射线层析成像中却看不出来。 目前核磁共振层析成像应用的虽然还只有氢核一种原子核素,但从科学技术发展看,可以预言将会 有更多的原子核素,如碳核和氮核等的核磁共振层析成像也将进入应用。(张坤毅等,2008) 12.2 核磁共振检查目的 磁共振成像术(MRI)也有称之为核磁共振,英文缩写为 MRI。其基本原理是在强大磁场的 作用下,记录组织器官内氢原子的原子核运动,经计算和处理后获得检查部位图像。目的:颅脑及 脊柱、脊髓病变,五官科疾病,心脏疾病,纵膈肿块,骨关节和肌肉病变,子宫、卵巢、膀胱、前 列腺、肝、肾、胰等部位的病变。(张坤毅等,2008) 12.3 核磁共振检查的优点 (1)MRI 对人体没有损伤;(张坤毅等,2008) (2)MRI 能获得脑和脊髓的立体图像,不像 CT 那样一层一层地扫描而有可能漏掉病变部位; (3)能诊断心脏病变,CT 因扫描速度慢而难以胜任;(张坤毅等,2008) (4)对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于 CT。(张坤毅等,2008) 12.4 核磁共振检查的缺点 (1)和 CT 一样,MRI 也是影像诊断,很多病变单凭 MRI 仍难以确诊,不像内窥镜可同时获得 影像和病理两方面的诊断;(张坤毅等,2008) (2)对肺部的检查不优于 X 线或 CT 检查, 对肝脏、 胰腺、 肾上腺、 前列腺的检查不比 CT 优越, 但费用要高昂得多;(张坤毅等,2008)
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(3)对胃肠道的病变不如内窥镜检查;(张坤毅等,2008) (4)体内留有金属物品者不宜接受 MRI。(张坤毅等,2008)

图 31 腰椎间盘突出核磁共振成像检查的影像图片(张坤毅等,2008) 12.5 核磁共振检查必需的注意事项 (1)检查前须取下一切含金属的物品,如金属手表、眼镜、项链、义齿、义眼、钮扣、皮带、 助听器等; (2)装有心脏起搏器的患者禁止做 MRI 检查; (3)做盆腔部位检查时,需要膀胱充盈,检查前不得解小便。有金属节育环者须取出才能进行; (4)体内有弹片残留者,一般不能做 MRI; (5)手术后留有金属银夹的病人,是否能做 MRI 检查要医生慎重决定; (6)胸腹部检查时,要保持呼吸平稳,切忌检查期间咳嗽或进行吞咽动作; (7)MRI 对饮食、药物没有特别要求; (8)检查时要带上已做过的其他检查材料,如 B 超、线、CT 的报告。(张坤毅等,2008) 12.6 新型扫描仪核磁共振与 X 射线相结合——XMR 核磁共振检测仪可以准确的找出病人体内的病变组织,但是由于它辐射较强,患者长时间接收 检测可能会导致癌变。为此,美国最近推出了一种新的检测仪,减少核磁共振检测带来的负面影响。 这个新型检测仪是由美国加利福尼亚大学医疗研究中心研制出来的,名叫 XMR,X 代表 X 射线, MR 代表核磁共振,顾名思义,这个检测仪就是将两种检测仪合二为一。(李超等,2009) 病人在进行检测时,浮床会带着病人在核磁共振检测区到 X 射线检测区之间来回移动。医生 先通过核磁共振准确的找到病人的病变组织, 然后通过 X 射线进行拍片分析, 因为 X 射线的辐射毕 竟比核磁共振小得多,这样在大大减少了病人受到的辐射量同时,还能尽量延长检测时间检测也就 更细致,结果更准确。XMR 检测仪摆脱了过去核磁共振仪只用于检测病人肿瘤等局部病变组织的 局限,可以对病人的主要动脉血管进行检测,从而对治疗心脏病和中风有很大帮助,另外,它还能 帮助医生观察癌症病人对药物的吸收情况。但是,虽然 X 射线检测的辐射少,但它的精确度毕竟比 核磁共振低,因此研究人员希望将来研制出更先进的硬件和软件,来代替 XMR 检测仪中的 X 射线 检测设备。(李超等,2009)

13、生物电阻抗成像技术原理及应用 13.1 电阻抗断层成像原理
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电流通过导体时,其空间电流分布与导体空间阻抗分布相关。在被检测的目标组织表面施加安 全的激励电流(电压),并测量电流(电压)分布情况后,由所测信号计算出相应阻抗,再根据图像重建 算法得到被检测组织内阻抗(变化)的二维和三维分布图像。(唐化勇等,2000) 13.1.1 正常组织的阻抗变化 大多数生物组织的电学特性都具有各向异性。沿不同方向测量时,其阻抗各不相同,因此可 以根据各方向测得的阻抗重建组织的阻抗图。 实验观察发现, 人体器官在完成生理活动的不同阶段, 相应组织的阻抗可发生变化,如肺在呼吸和胃在进食及排空过程中,容积和位置要发生变化,其阻 抗也会发生相应变化。利用生物组织的这一特性,可以观察人体器官的生理活动情况。 13.1.2 病变组织的阻抗变化(唐化勇等,2000) 生物组织出现病变时,其阻抗和相应正常组织阻抗相比在 3 个方面有较大变化:(1)正常组织 和病变组织在某些特定频率处有不同的绝对阻抗;(2)疾病发作时,有关组织阻抗会出现较大变化; (3)组织病变过程中其阻抗变化情况同正常生理活动时的阻抗变化也不相同。EIT 成像可以反映人体 组织生理功能的变化,它是一种功能成像技术。以阻抗绝对值为成像目标的称为静态 EIT,以阻抗 的变化量为成像目标的称为动态 EIT。如今已出现了以人体三维阻抗分布为成像目标的三维 EIT, 以外围线圈激励的感应 EIT 以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频 EIT 等技术。唐化勇等, ( 2000) 成像系统图 32:

图 32 电阻抗断层成像原理(唐化勇等,2000) 13.2 电阻抗断层成像在医学中的应用 13.2.1 在消化道疾病诊断中的应用 测量胃排空速度是 EIT 最有效的应用领域之一。过去胃排空速度的测量一般广泛采用让患者 吞食带有放射性标记物质,再测量胃区的 γ 射线计量以确定胃排空速度,但这种方法存在潜在的放 射性危害。后来采用了插管检查法,即把特定的染色物质经插管送入胃内,再经插管随时对胃内成 分取样,根据样品染料物质浓度来估计胃的排空速度。但这种方法患者有不适感,且有一定风险, 因而希望有可替代的检查方法。(唐化勇等,2000) 1988 年 Boone KG 等在 18 个婴儿身上用 EIT 成像发现,喝一定量的饮料后,患幽门狭窄疾 病的婴儿胃排空 1/2 的平均时间为 46min,而未患这种疾病的婴儿的平均时间为 12 min,表明可 以利用 EIT 无创监测胃的排空过程。Erol RA 等[2]在实验中发现,胃-食管返流时相应部位的阻抗 有异常变化,出现呕吐的重要先兆,呕吐又常与中枢神经病变相关。因而 EIT 可以用来研究出现呕
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吐的生理过程。有学者用 EIT 来监测胃酸分泌的情况,结果表明 EIT 有望用于无创测试胃酸分泌, 进而研究胃的消化过程。(唐化勇等,2000) 总之,胃部阻抗不仅与胃大小有关,同时也与胃中食物成分有关,胃酸对胃的阻抗影响非常 大。EIT 已被建议用来监测胃肠运动、胃运送能力和食道运动情况。虽然这些方面的研究已表明胃 生理活动同其生理测量有密切内在联系,但还不清楚 EIT 技术是否能为临床常规检测提供足够的测 量精度。如吞咽时引起食道区域的阻抗下降,在胃肠回流时却不能显示可靠的阻抗变化。(唐化勇 等,2000) 13.2.2 在肺换气及肺部病理检查中的应用 由于肺组织膨胀和收缩时阻抗对比大,以及胸腔大部分都被肺占据,EIT 成像可用于监测肺 换气情况。研究表明,肺吸入空气量同阻抗变化有紧密联系。不论在自然或人工控制的被动呼吸状 态,肺内空气量同局部胸部阻抗有很好的线性关系,胸部功能阻抗分布图还可提供胸部典型解剖特 征,表明 EIT 可用来监测呼吸功能。(唐化勇等,2000) 研究表明正常个体和肺部疾病患者的阻抗图有显著差异,用 EIT 可以检测出肺部组织液体异 常变化的肺部病变。因而,可以通过 EIT 成像来检查和确定肺部的某些疾病,例如肺气肿、肺癌、 慢性支气管炎、胸膜腔积液、气胸等,进而取代有放射危害的 X 线检查。(唐化勇等,2000) 13.2.3 心动周期中的充盈变化 在心动周期中,胸部阻抗也将发生周期性变化,这主要是由于血液在心房、心室、大血管、 肺部等部位流动变化所引起,但比肺换气过程中的阻抗变化相比要小一些。Brown DC 等 1987 年 首次应用 ECG 信号的 R 波同步采集胸部 EIT 成像数据,每秒典型采样 20 幅,再将 20 幅阻抗图象 进行迭加平滑处理以得到心动周期中的阻抗变化。研究人员认为血液依次流过主动脉、心房、心室 及肺等,EIT 图像的特征不一样。McArdle FJ 等 1993 年比较了胸部充血时 EIT 图像和 M 型 ECG 信 号,并对照早期的研究结果,得出的结论是 EIT 只适合处理一个动脉和一个心房的区域,但仍有交 迭现象。这样,胸部区域的阻抗变化幅度变小,因为动脉下降的阻抗将抵消主动脉阻抗的增加,而 且在呼吸周期中心脏会在胸腔内运动,将进一步使心脏不同部分的对比度减小,只有通过增大采样 数目才能克服这种不足。(唐化勇等,2000) 13.2.4 肿瘤治疗中监测温度变化 肿瘤的治疗可以通过人工加热的方法来进行,且需要一种技术来精确监测温度变化,并使热 源集中在肿瘤上,以免对周围组织造成损伤。由于身体温度改变 1℃时,阻抗增加约 2%,EIT 成像 可以通过监测组织阻抗的变化来监测温度。 Conway J 等于 1992 年在一些自愿者身上进行试验, 从 中发现温度变化和 EIT 图象变化间有良好的对应关系。(唐化勇等,2000) 13.2.5 其它方面的应用 Jossinet J 等在 1995 年已证实肿瘤组织和正常组织间阻抗差异很大,这需要测定绝对阻抗,多 频 EIT 成像在这方面可能有较大优势。骨盆静脉充血可使盆腔静脉扩张,常引起女性某些疾病。 Thomas DC 等 1991 年对 12 名患者从仰卧位变为站立姿势时的骨盆阻抗变化作 EIT 图象,因盆腔 内血液重新分布,而盆腔前后之间的阻抗分布发生了显著变化。目前检测乳腺癌的方法是乳腺 X 线 成像,因过度使用有放射性损害的危险,EIT 成像则可能成为一种实用的乳腺肿瘤检测方法。在脑 部局部缺血时,相应部位的脑组织阻抗将增大 100%,可用 EIT 成像技术来确定中风部位及其严重 程度。(唐化勇等,2000) 尽管 EIT 系统价格低廉,具有安全可靠、便于携带以及无电离辐射等优点,但由于成像所需的 软硬件技术还有待更进一步的发展,其影像的空间分辨率还不够高及个体差异较大等原因,目前还 没有把它作为常规诊断工具。(唐化勇等,2000) 14、光学相干层析成像技术原理及其应用 14.1 光学成像原理

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其实早在维多利亚时代的医生就用过以烛光探测胸部肿块的无效尝试,但随着光源强度的增 加、检测微弱光信号技术、计算机重建图像技术的成熟,光学生物成像技术现在可以成功地完成区 分、定位、诊断生物内部组织。因为光在组织中穿行被吸收和散射时,入射光的强度、相干性以及 偏振情况将发生改变,这些特性的变化程度取决于光的波长、组织的类型和厚度。光的吸收是由于 组织内部原子和分子不同能级间的电子跃迁产生的。光的散射是由于组织中微观和宏观结构折射率 的改变造成的。因而从介质出射的光与人射光相比,具有许多特性的改变,这种特性的改变包含了 大量的组织内部结构和成分的信息,也就是说不同生物介质具有独特的光谱特性。提取这部分信息 可以获得组织表面清晰的结构图,医生根据此来区别不同的组织,准确地查出存在隐患的部位及恶 性发作的危险性。(刘伟等,2002) 14.1.1 光学相干层析成像技术(OTC)简介 光学相干层析成像系统是基于低相干光的干涉特性,在干涉仪中,一束光分为两部分,经过不 同的路径后再结合。只有当这两束光相干(即相位差保持恒定)时才能形成干涉条纹。常见的光学相 干层析成像仪有 2 种,一种为采用后向反射光相干的光纤迈克尔(Michelson)干涉仪系统,另一种是 采用透射光相干的马赫一泽德(Maeh 一 Zehnder)干涉仪。(刘伟等,2002) 14.1.2 后向反射光相干层析成像 图 33 为 David.Huang 等人在 1991 年研制的 OCT 扫描成像设备,原理相当于迈克尔干涉仪。 它以超发光二极管(SLD)作为光源,采用光纤代替普通的空间光路,这样一方面可以减少干涉仪光 路安装和调整的困难,并且能使仪器结构小型化、简单化,另一方面可以通过简单的采用在被测环 境中增加传感光纤的长度来提高相位调制对环境系数的灵敏度,从而使干涉测量技术从实验室走向 更多场合的应用。光经过光纤祸合器分为两束进人干涉仪的采样臂和参考臂的光纤,光在采样臂上 样品的后方散射和照射到参考反射镜的反射光合成干涉后把相位调制信息解调成幅度变化。来自样 品的光相干特性信息提供了光的反射处边界和后向散射的地点。当 OCT 系统采样臂执行一个多点 纵向扫描时便会提供样品的一个二维横向图像, 这种操作方式类似于 B 超的成像方式, A/D 转换 经 采集和处理后由计算机分析得到一幅组织断面上的二维图像。图 33 光纤后向反射光相干成像系统 示意图。. (刘伟等,2002) 由于低相干的原因,如果采样臂和参考臂的光不匹配时,光信号衰变得很快,因而探测到的 信号很微弱,这样对于样品的反射信号来说可以有着很高分辨率。OCT 系统的纵向分辨率仅由光源 的相干长度所限制,这样 OCT 即使在人射光孔很小的情况下,仍可保持较高的深度分辨率。这个 特性在对体内深层组织的测量时特别有用。为了获得二维影像的数据,在一系列高速、连续运动进 行纵向扫描时,光束要在扫描之间做侧向移动。图像的侧向分辨率由光束在样品中的直径所限制。 在样品中光反射边缘的测量在周围没有强反射的情况下,定位的精度可以控制在 2 微米以内。由于 OCT 图像只是确定样品中某一兴趣点的深度和横向位置,可以看作为一个灰度或伪彩影像(暖色彩 代表高反射区域,冷色彩代表低反射或不反射区域),这样它在图像重建时所需的计算量比 X 线 CT 和 MRI 少的多。(刘伟等,2002) OCT 对反射光信号有着极高的灵敏度,对于仅 20 微瓦的人射光功率,系统可以以 10fW 场的 灵敏度探测到 5× -10 瓦的人射强度。 10 这样的高灵敏度由光外差探测得到。光外差探测信号比直接探 测高 7 一 8 个数量级,光外差探测器输出的中频功率正比于信号和本振光平均功率的乘积;而直接 探测器的输出正比于信号的平均功率,当光信号功率很少时就不能检测到。而光外差检测器,尽管 在信号光功率非常少,只要本振光功率足够大,仍能得到可观的功率输出,同时光外差技术抑制噪 声,大大提高了信号的信噪比。光干涉信号被多普勒移相和正弦压电调制在一个很高的频率上。参 考反射镜被固定在一步进电机上以 1.6mn 口, 的运动作纵向扫描, 同时也产生一个 3.8kHz 多普勒频 移。使信号光和参考光束之间形成差频干涉,从而避开探测器的低频噪声带,通过电子技术处理使 光源噪声只改变信噪比,而不影响干涉输出数据。采集臂的光纤在压电传感器作用下,给采样光信 号提供 21.2kHz 正弦相位调制,使相干光束间的相位差作周期性变化,从而形成正弦波相位调制。 在一系列纵向扫描后进行侧向光束位置移动,完成信号的整个采集过程。当 2 路符合干涉条件光信
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号被探测器输人后,以 25kHz 的解调复原干涉信号幅度输出。这样通过调制和解调后加一特定带宽 滤波器处理,可大大去除其他噪声的干扰,同时由于光外差检测方法对光强波动和低噪声不敏感, 可提高整个系统的信噪比(94db)。最后经 A/D 转换存储在计算机中,进行图像重建处理形成二维图 像。成像图像的时间由纵向扫描速度所决定。如:以 1.6mn/的扫描速度,在 2mm 深度做 150 个点 的纵向扫描,最低的成像时间为 1905。同时成像时间也受系统探测灵敏度和信号带宽折中考虑而影 响。如果人射光功率(ANSI 允许眼部最大安全曝照剂量)为 200 微瓦,以光学摄影的信噪比条件下, OCT 成像时间仅为 200ms。当然在更小部位和粗糙的图像情况下可以更快。在非眼部的 OCT 成像 中,由于允许人射光的功率可以加大,成像时间故而较短。(刘伟等,2002)

图 33 光纤后向反射光相干层析成像示意图(刘伟等,2002) 14.1.3 透射光相干层析成像 原理上透射相干光成像系统类似于反射系统(图 34)。是美国 Miehael.R.Hee 阎等人 1993 年发表 的研究成果。用 80MHz 的锁模 Ti:A1203 激光器产生波长为 830nm 的超短光脉冲(50~400fs),并祸 合到纤维光学马赫—泽德干涉仪中,使参考延迟反射镜后向反射的光与通过样品的透射光汇合,观 测其干涉现象。比较迈克尔干涉仪其优点在于:可以避免干涉光路中的光再反射回光源,降低对光 源的影响,有利于降低光源的不稳定噪声,并且可以获得双路互补干涉输出,便于信号接收和处理。 这个系统能探测到人射光功率为 4.5× 10-5mW,3mw 的相于透射光。参考光束与样品出射的信号光 束干涉产生外差增益。压电纤维扩展器相位调制干涉信号为 10kHz,并应用锁定探测器滤掉 1/f 的 机械噪声。双平衡器用于消除激光随机强度涨落并实现量子发射探测噪声极限探测。本系统局限在 一些样品的检测,不能用于人体体内的实时检查。数的宽度,从而提高了系统的纵向分辨率。早期 OCT 系统在参考臂的光学延迟是由一个线性电流计或绕在光纤上的压电晶体来改变。 然而一般商用 的电流计不能提供足够大的机械位置移动来保证图像的实时性;压电晶体光纤虽可以完成快速扫 描,但仍需要更大的电力消耗和由于滞后、非平衡补偿偏振分散和差的温度稳定性引起非线性条纹 调制。现在设计了一套利用相位控制技术的高速光学延迟线,包括一个安置在参考臂上的傅立叶透 镜,和电流计相连的反射镜固定在傅立叶透镜平面上,当改变电流计上反射镜的角度时可以改变光 束的延迟,这样可以达到在 3mm 的延迟光路上,每秒钟可以扫描轴向点 2000 个。提高了系统成像 的时间阴。(刘伟等,2002)

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图 34 光纤投射光相干成像系统示意图 (刘伟等,2002) 14.1.4 光相干层析成像技术的进展 光相干层析成像的纵向分辨率取决于光源的相干波长。超亮二极管(SLD)光谱波长在 15~70nm 之间,对应的相关波长为 43 一 10 微米。普通发光二极管也可以达到 10 微米左右的相干波长,但 在一些医疗特定领域它的分辨率还是不够。通过拓宽光源的光谱宽度来提高纵向分辨率,其成本的 增加是十分昂贵的 Zhangyan 囿等人采用了在干涉仪参考臂上设置 3 个特定间距的参考镜,来代替 传统 OCT 系统一个参考镜的方法产生参考光束,通过调节 3 个参考镜之间的相对距离和相对强度, 可以减少轴向点扩展函(刘伟等,2002) 14.2 医学中的应用 现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断工具,在临床医学中开始发挥其巨大的作用, 因为 OCT 图像的轴向分辨率可以达到 10 林 m,比现在任何一种临床诊断设备的分辨率高达 10 倍 以上,且这种光纤式结构不仅便宜而且很容易进人导管、内窥镜进行合作,在人体内部的组织器官 检查中得到很高的分辨率,特别在眼科学、心脏学、皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。(刘伟 等,2002) 14.2.1 眼科 对于青光眼的诊断和处理目前在临床是十分棘手的问题,眼内压测量经常不能准确预测出青 光眼的病情进展,只有在视网膜神经纤维缺少 50%以上时,视野缺损和视神经乳头凹陷这样的后期 临床症状才能检测到。OCT 对视网膜结构的高分辨率成像,对眼科临床上诊断青光眼、斑变质和斑 水肿十分可靠。视网膜神经纤维层是在青光眼中受影响的解剖结构,由于 OCT 的高分辨率可敏感 地测量视网膜神经纤维层的厚度且观测到视盘的外形变化,可以在 OCT 中明确的判别。相对于玻 璃体和视网膜结构,视网膜神经纤维层是一个相对高散射的介质层,由于视神经纤维的圆柱形状, 视网膜神经纤维层的后散射信号强度依赖于人射光的角度,这种角度依赖性导致了神经纤维变成视 神经的视盘边缘的视网膜神经纤维层信号的衰减。现在通过察看患者的视网膜神经纤维层厚度就可 以估测出青光眼病情的进展,这在以前对青光眼的诊断上是没有一个客观标准。对青光眼的诊疗上 是一个突破,而且 OCT 检查几乎不会给病人造成任何不适。另外,SchaudigU 等人在对 22 例脉络 膜恶性黑色素瘤病人的检查中证实:荧光血管造影术和 OCT 均可对一般视网膜水肿和分离做出准 确诊断,但是其中 2 例小的视网膜分离仅有 OCT 能够识别出,但对脉络膜肿瘤的鉴别诊断 OCT 成 像没有太大的意义。. (刘伟等,2002)

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图 35 光纤投射光相干成像在眼科中的应用(刘伟等,2002) 14.2.2 心血管 OCT 对冠状动脉成像,对于激光消融术和其它去除血管阻塞物技术十分重要,以往的技术无法 明确地区分病理和健康组织的外形轮廓。现在 OCT 可以在开放的外科手术中和导管外科手术中探 测血管壁。在冠状动脉 OCT 影像中,由于较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影效应,脂肪钙化 斑状层,纤维动脉粥样化和正常动脉壁对比十分明显。绝大多数的心肌梗塞是由心脏中的动脉中小 的粥样斑块破裂造成,而不是大粥样斑块破裂引起,而这小粥样斑块破裂的趋势在目前技术中是检 测不出来的,具有高分辨率的 OCT 可以做到。光在血液中占多数的散射是由于在红细胞质和血清 之间折射系数不同引起的,当增加血清的折射系数接近细胞质时(这时需要在血管中充盈盐水、也可 以通过泵人葡萄糖、静脉对比剂实现),散射可以大大降低,血管壁的细微结构可以清晰可见,可和 病理学的分辨率相媲美(当然由于血管的波动会产生一些运动伪影),提高了 OCT 在血液中对血管壁 的成像图像质量。(刘伟等,2002) 14.2.3 皮肤 由于大多数的皮肤疾病都伴有其结构的改变,现在各种各样的诊断方法都努力提高显示皮肤 结构图像的空间分辨率。目前 OCT 对皮肤结构成像的分辨率可达 15~20 微米,这比其它的诊断方 法要高出一个数量级。普通的 OCT 对皮肤成像的深度为 1.5-2.Omm,对一般皮肤疾病的检查诊断是 足够的。由于它的无创伤性和没有任何副作用的特点,以及不仅提供组织结构信息,而且还可以提 供组织功能信息,OCT 可以检测人体内部诸如:炎症、坏死等病理反应,特别对角化过度、角化不 全和真皮内空洞形成等皮肤疾病方面显示出极大的优势。(刘伟等,2002) 14.2.4 基于导管—内窥镜光学生检现在影像技术对人体组织结构检查的分辨率从 100 微米一 l 毫米, 但对一些疾病的早期征兆,如:癌症、脂肪粘滞性动脉硬化症,仍不能有效的检测到,因为这些组 织的结构变化需要微米级的分辨率。OCT 可以和导管或内窥镜相结合在体内检查中达到中 lmm 的 分辨率,这种方法称之为光学生检。光学生检被认为是一个强有力诊断方法,它不需要组织切除,
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对组织微观结构的成像质量接近或达到组织病理学的水平。应用光学生检可以降低以前活检切除术 的盲目性和失败率,还可以避免给病人造成较大的伤害。OCT 还可以在一些常规做切除活检术十分 困难的部位或不可能达到的情况下做活检检查,如:眼球、冠状动脉、胸部、神经组织。OCT 可以 通过内窥镜以最小伤害途径来观察。在一些必须做活检的部位,OCT 可以引导外科医生选择最佳的 取样点。基于导管—内窥镜 OCT 系统包括一个密封可旋转的中空导线和单膜光纤。通过以 4r/s 的 频率旋转导线、光纤和内部固定的光学部件来完成光束的扫描。导管—内窥镜的直径为 lmm,它足 够小,允许进人人体的冠状动脉或内窥镜系统。OCT 图像可以显示出食管、气管、血管各种管壁层 的结构。基于导管的 OCT 系统,对食道组织各层的分辨率可达到 10 微米,超过了 MRI、超声的影 像分辨率。现在认为对于食管癌治疗的最重要问题是早期发现,OCT 系统可以快速实时确诊组织的 恶变部位,这对于一般内窥镜是无法做到的。同时也为内窥镜的进一步治疗提供了指导方向。最后 OCT 系统图像在细胞水平上分辨率可以对冠状动脉成像术、 微血管修复等外科和显微外科手术的提 高起到促进作用。(刘伟等,2002) 14.3 OTC 技术运用的限制 (1) OCT 不能像电子显微镜那样确定组织的分子结构,它的分辨率要小于活检组织镜检。应用 短脉冲光源 OCT 可以把纵向分辨率提高到 2-4mm,但横向分辨率提高十分困难。同时理论的分辨 率有时会在实际应用有所降低。(刘伟等,2002) (2) OCT 成像探测组织的深度为 2-4mm,在较深的下边,光子便会多次散射丧失相干的可能。 (刘伟等,2002) (3) 对于组织内部细微的差别(如正常细胞和癌细胞的区别)这时需要一个光谱特性具有高度灵 敏度,这在 OCT 系统做不到,因此不能完成诸如基因改变等诊断。(刘伟等,2002) (4) 由于在体内组织中反射和后散射自然特性, OCT 的应用设置了一些限制。 给 (刘伟等, 2002) 参考文献: [1]. [2]. [3]. [4]. [5]. [6]. [7]. [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. [13]. [14]. 黄池宝, 樊江莉, 彭孝军, 孙世国.双光子荧光探针研究及其应用. 化学进展.2007, (11) 19 : 1807-1812 李钻芳, 黄祖芳, 陈荣, 力起.甲状腺组织双光子荧光成像. 中国激光. 2009, (3) 766-768 36 : 许衡,张永红,陈南光,白净.近红外漫射光子乳腺癌检测成像系统.仪器仪表学报 2000, 21(5):45-47 Feng Hua-cheng , Bai jing.Development and design of diffusion optical tomography system.Space medicine & medical Engineering.Vol 21 No.4 Aug 2008:344-347 赵会娟,姜颍婷,缪辉,高峰.近红外漫射光层析成像试验研究.光子学报. 2007,36(6): 1143-1146 褚小力,陆婉珍.近红外化学成像的原理、仪器及应用.分析仪器. 2008:32(5):2-5 谷怀民,杨思华,何良忠.光声成像机器在生物医学中的应用.生物化学与生物物理发 展.2006.33(5):431-437 宋智源,刘英杰,王瑞泉等.光声成像技术.中国激光医学杂志. 2006,15(2):125-127 曹跃祖. 声光效应原理及应用.物理学工程. 2006,10(5):46-52 郝爱华,毛智礼,葛海波.声光技术在激光技术领域中的应用研究.西安邮电学报. 2005,10 (3):112-114 严华刚,刘成.一种新型的医学成像技术——热声成像.医疗设备信息. 2002,7(5):37-43 Wang.Hai gang ,Liu fei.Summarization of near-feild optical microscopy .J applied optics.May 2005,26(3):36-40 方哲宇,刘丹等.近场光学显微技术的进展及其应用.电子显微学报.2007 年第 1 期:78-85 屈军乐,陈升妮,杨建华等.二次谐波成像及其在生物医学中的应用. 深圳大学学报. 理工 版. 2006,23(7):1-9
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