[科普中國]-擴散光層析成像

擴散光學(xué)層析成像又稱漫射光學(xué)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(fā)展高靈敏的近紅外光子檢測儀器和基于生物組織光子輸運模型的圖像重建技術(shù)，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(nèi)部光學(xué)特性參數(shù)的三維分布，并使之與該組織的生理狀態(tài)(血紅蛋白濃度及氧飽和度等)相關(guān)聯(lián)。

擴散光的定義在近紅外光學(xué)窗口內(nèi)（600-900nm），大多數(shù)的生物組織體可被視為高散射、低吸收的媒質(zhì)，根據(jù)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后遭遇多次散射，從而失去了原來的方向性、偏振性、相干性，這些經(jīng)過組織體多次散射才出射的光被稱為擴散光。

圖1 準直光脈沖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(jù)圖1所示的出射光分類，成像技術(shù)也被分為早期到達光成像和擴散光成像。由于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(shù)一般只適合于薄層散射媒質(zhì)（大約1～5毫米）。

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

（1） 光子輸運模型（正問題）：擴散方程（Diffusion Equation, DE）是擴散層析成像常采用的輸運模型，由于擴散方程的解析解只可在規(guī)則幾何形狀和均勻光學(xué)參數(shù)分布的組織域條件下獲得，而對DOT中通常涉及的是復(fù)雜幾何形狀和不均勻光學(xué)參數(shù)分布下組織體，因此通常采用擴散方程的數(shù)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(yīng)的傳輸光測量量之時-空分布，基于特定的光子傳輸模型，求解組織體內(nèi)的光學(xué)參數(shù)三維分布。DOT成像的任務(wù)是同時重建組織域內(nèi)所有光學(xué)參數(shù)的分布，而在應(yīng)用中則常假定其中一個或兩個參數(shù)分布(通常是折射率)為已知常數(shù)以簡化問題的求解，也就是通常只是重建吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)。若不考慮隨機噪聲效應(yīng)，則圖像重建可由非線性最小二乘優(yōu)化問題表示，其中較常用的例如基于正向模型線性化的圖像重建技術(shù)-Newton-Raphson法。

（3） 擴散光測量系統(tǒng)：

與X射線CT類似，DOT的實現(xiàn)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），可采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(tǒng)主要有三種模式：時間分辨測量模式、連續(xù)光測量模式和頻域測量模式。

應(yīng)用與發(fā)展前景雖然DOT在空間分辨率方面無法與X射線，超聲和磁共振等常規(guī)結(jié)構(gòu)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(tài)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(yōu)勢。近年的研究成果表明，近紅外擴散光學(xué)檢測技術(shù)具有極大的實際應(yīng)用潛力，重要應(yīng)用包括：

（1）光學(xué)乳腺成像術(shù)（optical mammography）----乳腺腫瘤的早期診斷由于癌變組織具有明顯的血管化特征，從而相對正常組織呈現(xiàn)較強的光吸收特性；同時，癌變組織較良性組織呈現(xiàn)相對低的氧飽和度。兩者結(jié)合不僅有助于檢測惡性腫瘤，而且有潛力區(qū)分良性和惡性病變以及甄別病變發(fā)展的程度。以上生理表現(xiàn)以及乳房組織相對均勻的低吸收特性使得光學(xué)乳房成像術(shù)有望成為DOT技術(shù)最先臨床應(yīng)用的領(lǐng)域。美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）已對世界上從事光學(xué)乳房成像術(shù)研究的幾個主要研究實驗室進行了連續(xù)高強度的資助；歐盟則贊助推出了一個稱為“Optimamm”的光學(xué)乳房成像術(shù)研究聯(lián)盟；美國Imaging Diagnostic System公司、飛利浦公司、意大利米蘭大學(xué)、天津大學(xué)等發(fā)展了基于擴散光層析成像的乳腺癌檢查系統(tǒng)。

（2）新生兒大腦供氧狀況及血氧動力學(xué)觀測圍產(chǎn)期缺氧-缺血性腦損傷和腦血腫是引起早產(chǎn)或新生兒神經(jīng)傷疾后遺癥的主要原因，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(guān)重要。雖然人們正在開發(fā)新的人工介入技術(shù)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、準確地診斷發(fā)病的致因（缺血或血腫），以及實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)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(xué)參數(shù)的明顯變化，因而非常適于采用無創(chuàng)的光學(xué)檢測方法?；诙帱c測量的DOT技術(shù)將可進一步提供有關(guān)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(jiān)視人工介入治療的效果，而且通過連續(xù)監(jiān)測有潛力判定異常發(fā)生的起因和方位。

（3）腦成像DOT應(yīng)用于腦成像主要集中在腦功能成像和中風(fēng)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(tài)只能間接測量總的血紅蛋白濃度的變化，近紅外光學(xué)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(shù)而倍受關(guān)注。由于穿透深度的限制，光學(xué)方法尚不具備全腦成像能力，現(xiàn)實的實現(xiàn)是采用所謂的拓撲成像方法研究大腦皮層各調(diào)控區(qū)的應(yīng)激反應(yīng)過程。

（4）熒光分子層析成像熒光分子層析成像是DOT的一個拓展。隨著基因病理學(xué)研究的深入、基因和蛋白質(zhì)高通量篩選技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及組合化學(xué)技術(shù)的成熟，人們逐漸能夠準確辨識與特種疾病關(guān)聯(lián)的異?；蚣捌浔磉_蛋白模式，進而設(shè)計和合成具有靶分子綁定或激活功能的特異熒光探針，熒光成像的應(yīng)用也從一般的對比度增強功能迅速延伸至生物醫(yī)學(xué)研究的分子層面，如基因表達模式描述、蛋白質(zhì)功能剖析、細胞生理通道辨明、以及蛋白質(zhì)相互作用測定等。迄今已廣泛采用誘導(dǎo)發(fā)光蛋白、感應(yīng)蛋白嵌合體、有機熒光染料和納米熒光量子點等多種熒光探針，通過測量熒光強度、共振能量轉(zhuǎn)移和壽命等熒光特性參數(shù)，研究生物體內(nèi)的生化反應(yīng)過程及其微環(huán)境特征。近年來，近紅外靶標熒光造影劑、感應(yīng)熒光底物和紅偏移光蛋白等具有較高組織穿透力的熒光探針技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，熒光成像技術(shù)開始用于小動物模型內(nèi)部特異生物大分子活動規(guī)律的在體跟蹤和測量。

（5）內(nèi)窺DOT將DOT與內(nèi)窺技術(shù)結(jié)合從而實現(xiàn)具有體內(nèi)器官深部組織功能信息層析能力的新型醫(yī)用內(nèi)窺鏡也是DOT技術(shù)一個極具應(yīng)用前景的新領(lǐng)域，其應(yīng)用例如宮頸癌的檢查和前列腺癌的檢查等。

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本詞條內(nèi)容貢獻者為:

高峰 - 教授 - 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院趙會娟 - 教授 - 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院