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時(shí)間：2024-01-02 10:20:25
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光聲成像是近年來(lái)誕生的一種新型復(fù)合成像技術(shù)，是借助光聲效應(yīng)產(chǎn)生而來(lái)，光聲效應(yīng)的聲信號(hào)即光聲信號(hào)，其強(qiáng)度是由力學(xué)、光學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、熱學(xué)等特征來(lái)決定的，光聲成像具有聲學(xué)成像與光學(xué)成像的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，取得了理想的成果。
1光聲成像的優(yōu)勢(shì)
光聲信號(hào)產(chǎn)生的基本原理是：當(dāng)用短脈沖激光照射吸收體時(shí)，吸收體中的分子吸收光子后，當(dāng)滿足一定的條件時(shí)，吸收體分子的電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而處于激發(fā)態(tài)，而處于激發(fā)態(tài)的電子極不穩(wěn)定，當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應(yīng)用中通常會(huì)選擇合適波長(zhǎng)的激光作為激發(fā)源，使吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率最大，通常從光能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可達(dá)到90%以上。釋放的熱量導(dǎo)致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導(dǎo)致熱膨脹而產(chǎn)生壓力波，這就是光聲信號(hào)。與聲學(xué)成像相比，光聲成像利用了光吸收系數(shù)，在化學(xué)成分的分析方面，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，聲波能夠獲取物體的彈性參量、密度等力學(xué)特征，應(yīng)用在生物體中，可以將生物體的功能信息、生理結(jié)構(gòu)等清晰地反映出來(lái)。與光學(xué)成像相比而言，光聲成像對(duì)于組織有著非常高的分辨率，光學(xué)成像往往只能夠得出組織表層1mm深度左右的高質(zhì)量圖像，如果深度偏高，分辨率就會(huì)大受影響，與之相比，聲波的散射強(qiáng)度更小，在生物組織中的傳播有著低散射、低耗散的優(yōu)勢(shì)，空間分辨率的成像深度非常理想。此外，光聲成像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用更加安全，該種成像方式應(yīng)用的是激光、微波照射法，與X射線、CT相比，更加安全，只需要很少的電磁輻射能量，即可獲取到理想的光聲信號(hào)，避免對(duì)生物組織造成熱損傷。
2多參量光聲圖像在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用分析
2.1多尺度成像
多參量光聲圖像可以得出深層組織圖像，還能夠利用圖像參量來(lái)實(shí)現(xiàn)多尺度成像，揭示出生物體的功能與結(jié)構(gòu)信息。所參量光聲圖像的成像效果，與組織的生理功能、光吸收系數(shù)有著密切的關(guān)系，在應(yīng)用的過(guò)程中，需要根據(jù)各個(gè)組織的成分來(lái)合理選擇電磁波波長(zhǎng)，選擇性針對(duì)組織中的成分進(jìn)行分析，得出解剖、代謝、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外線吸收能力較強(qiáng)，利用紫外線作為激發(fā)光源，即可獲取到高對(duì)比度圖像。在臨床醫(yī)學(xué)中，如果細(xì)胞核形態(tài)存在異常，也就說(shuō)明，癌細(xì)胞DNA復(fù)制發(fā)生障礙，因此，該種診斷方式對(duì)于早期癌癥的診斷有著重要的意義；血紅蛋白主要吸收可見(jiàn)光頻段電磁波，利用光聲成像，可以獲取到關(guān)于血液系統(tǒng)的高對(duì)比圖像；油脂、水等對(duì)于近紅外段電磁波與微波段吸收情況良好，利用近紅外激光、微波作為光源，可以快速分析出其中的異常聚集問(wèn)題。在生物組織中，每一種化學(xué)成分的光吸收特性都是不同的，在診斷過(guò)程中，可以借助多波長(zhǎng)激光照射組織來(lái)獲取相關(guān)信息，通過(guò)定性分析與定量分析相結(jié)合的方式得出生物組織各項(xiàng)化學(xué)組分信息，利用波長(zhǎng)與電磁波吸收特性，既可以分析出血紅蛋白含量，還可以獲取到脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的相對(duì)含量，分析出血氧飽和度。血紅蛋白是生物體內(nèi)的重要載體，可以直接反映出生物的新陳代謝過(guò)程，這對(duì)皮膚疾病、腦血管疾病、腫瘤的早期診斷，有著重要的意義。
2.2生物組織黏彈特征
此外，借助多參量光聲成像，還可以檢測(cè)出生物組織黏彈特征，在檢測(cè)時(shí)，需要使用連續(xù)激光照射樣本，得出組織黏彈參數(shù)，利用光聲信號(hào)相位與強(qiáng)度，獲取到最終的檢測(cè)信息，與光吸收特性相比而言，該種方式從力學(xué)角度反映出組織硬度、血液粘稠度，可以直接計(jì)算出組織生物力學(xué)系數(shù)與光學(xué)參量，為診斷提供可靠的信息指導(dǎo)，在心血管疾病、腫瘤的早期診斷上，有著突出的作用。
2.3溫度分布情況
多參量光聲成像還能夠反映出溫度的分布情況，光聲信號(hào)強(qiáng)度與光吸收系數(shù)是密切相關(guān)的，與媒介系數(shù)為正比關(guān)系，在媒介溫度升高之后，媒介系數(shù)也會(huì)相應(yīng)升高，因此，利用該種系數(shù)可以反映出具體的光聲圖像。數(shù)據(jù)顯示，在每升高1℃，光聲升壓會(huì)增高5%。借助光聲成像，可以直接得出溫度系數(shù)，靈敏度高達(dá)0.16℃，能夠檢測(cè)出絕對(duì)溫度值，準(zhǔn)確度非常高。光聲成像還可以借助光聲多普勒效應(yīng)與光聲信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)得出血流速度的相關(guān)信息，檢測(cè)出信號(hào)多普勒頻移，借助這一原理，可以滿足血流速度精細(xì)成像的要求，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，得出低速流體信息。
2.4紅細(xì)胞形態(tài)特征
借助多參量光聲信號(hào)的功率頻譜參數(shù)，還可以得出亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)信息、細(xì)胞形態(tài)、聲學(xué)功率譜特性測(cè)出紅細(xì)胞形態(tài)特征，鑒別早期血栓與癌細(xì)胞的形成。根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)顯示，針對(duì)窄帶低頻光聲呈現(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行分析，可以鑒定出亞波長(zhǎng)尺寸微結(jié)構(gòu)信息，以頻譜斜率作為參數(shù)，計(jì)算出亞波長(zhǎng)尺寸結(jié)構(gòu)。在生物組織之中，存在大量的微米量級(jí)微結(jié)構(gòu)，如紅細(xì)胞、微鈣化斑點(diǎn)、黑素瘤等等，借助多參量光聲成像，能夠?yàn)橄嚓P(guān)疾病的診斷提供有價(jià)值的信息。此外，借助于物化譜參量呈現(xiàn)技術(shù)，可以將聲學(xué)功率譜與光學(xué)吸收譜分析相結(jié)合，得出組織的化學(xué)特征與物理特征，該種分析方式為物化譜分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析時(shí)，需要先利用不同波長(zhǎng)激光脈沖進(jìn)行照射，得出帶有組織化學(xué)成分信息的聲學(xué)功率譜，計(jì)算出一維功率譜，將亮相參數(shù)結(jié)合起來(lái)，即可獲取到組織的二維物理化學(xué)譜。物理化學(xué)譜可以清晰地反映出組織的微結(jié)構(gòu)特征與物理化學(xué)成分，得出組織特異化標(biāo)簽。
3多參量光聲成像的應(yīng)用分析
多參量光聲成像不僅具有深分辨率高的優(yōu)勢(shì)，也具備信息敏感、成像對(duì)比度高的優(yōu)勢(shì)，可以從血液流速、組織力學(xué)、溫度分布、生化組分、微結(jié)構(gòu)特性來(lái)分析生物的功能、解剖、基因、分子、代謝信息，選擇適宜的工作頻率和成像模式，可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率，深度也能夠達(dá)到50mm。多參量光聲成像技術(shù)的應(yīng)用滿足了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展需求，有著非常大的應(yīng)用潛力。但是，畢竟多參量光聲成像屬于新型技術(shù)，在應(yīng)用的過(guò)程中，還有一些難題需要突破。首先，該種技術(shù)的理論是建立在生物組織聲學(xué)特征均勻的基礎(chǔ)上，如果組織的聲學(xué)特征不均勻、分布復(fù)雜，必然會(huì)影響應(yīng)用效果。在人體組織中，空穴、骨骼的聲阻抗是存在差異的，容易致使聲傳播出現(xiàn)反射和散射的問(wèn)題。其次，雖然多參量光聲成像的深度已經(jīng)達(dá)到了50mm，但是對(duì)于更深組織成像，還具有局限性，這也是下一階段需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞： 光學(xué)相干層析成像；生物醫(yī)藥；圖像技術(shù)
Key words： optical coherence tomography；biological and medical；imaging technique
中圖分類號(hào)：TH744；O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）32-0255-02
0 引言
光學(xué)相干層析成像技術(shù)（Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱OCT）是近年來(lái)發(fā)展較快的一種最具發(fā)展前途的新型層析成像技術(shù)，特別是生物組織活體檢測(cè)和成像方面具有誘人的應(yīng)用前景，已嘗試在眼科、牙科和皮膚科的臨床診斷中應(yīng)用，是繼X-CT和MRI技術(shù)之后的又一大技術(shù)突破，近年來(lái)已得到了迅速的發(fā)展。
1 光學(xué)相干層析成像技術(shù)回顧
隨著科學(xué)的進(jìn)步，當(dāng)今醫(yī)學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)診斷中起著重要的作用，各種探測(cè)方法和顯示手段趨于更精確、更直觀、更完善從而有助于人們觀察生物組織，了解材料結(jié)構(gòu)，它的發(fā)展是物理、數(shù)學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等多門學(xué)科相互結(jié)合的結(jié)果。
從顯微鏡的發(fā)明到X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用使人們以圖像的形式觀察到了肉眼不能直接看到的形態(tài)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)了醫(yī)學(xué)診斷的發(fā)展。目前，各種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)不斷發(fā)展，用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，不同的成像原理可以用于觀察不同的器官組織，不但給出組織的形態(tài)，還對(duì)組織特征進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)。
各種成像技術(shù)中，光學(xué)相干層析成像（Optical Coherence Tomography）是一項(xiàng)新興的光學(xué)成像技術(shù)，當(dāng)從散射介質(zhì)中返回的彈道光子和蛇行光子與參考光的光程差在光源的相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)，發(fā)生干涉，而漫射光子與參考光的光程差大于光源的相干長(zhǎng)度，不能發(fā)生干涉，從而把帶有被測(cè)樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來(lái)，進(jìn)行成像，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織高分辨率的非侵入層析測(cè)量，具有廣泛的應(yīng)用前景。
光學(xué)相干層析成像技術(shù)是從光學(xué)相干域反射儀（或光學(xué)低相干反射儀）發(fā)展而來(lái)的，1991年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的David Huang等人在Science上首先報(bào)道了光學(xué)相干層析成像（簡(jiǎn)稱OCT）技術(shù)。之后Schmitt等將此技術(shù)用于生物組織光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量，取得了很好的效果。1996年Carl Zeiss Meditec Inc. of California把眼科的OCT系統(tǒng)做成臨床醫(yī)療器械投放市場(chǎng)。
OCT技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)為了擴(kuò)展它的應(yīng)用范圍和提高性能進(jìn)行了大量的研究工作，出現(xiàn)了許多新方法，為OCT技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。將OCT技術(shù)與多普勒技術(shù)相結(jié)合，形成一種新的檢測(cè)儀器――多普勒光學(xué)相干層析系統(tǒng)，可用來(lái)檢測(cè)眼部血管的血流速度和流向，還能測(cè)量介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性；把OCT技術(shù)與內(nèi)窺鏡結(jié)合起來(lái)形成OCT導(dǎo)管式內(nèi)窺鏡，能夠用于對(duì)心血管系統(tǒng)、胃腸道系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)及呼吸道等管狀生物組織的高分辨率成像；為了在高散射介質(zhì)中獲得更高的縱向分辨率和更大的探測(cè)深度，將OCT技術(shù)與光學(xué)共焦顯微術(shù)結(jié)合起來(lái)形成了光學(xué)相干顯微術(shù)，能夠有效的濾除高散射介質(zhì)遠(yuǎn)離焦面的雜散光。
在國(guó)內(nèi)，對(duì)OCT的研究也正在進(jìn)行，主要包括有：上海光機(jī)所和南開(kāi)大學(xué)進(jìn)行了OCT技術(shù)研究及生物組織光學(xué)的探討，建立了用SLD作為光源的OCT系統(tǒng)，采用了相位調(diào)制的外差探測(cè)方法；清華大學(xué)分別用飛秒激光器和SLD作為光源建立了OCT系統(tǒng)，并采用了傅立葉域光學(xué)延遲線的掃描方法，得到了洋蔥和兔子眼球的層析圖像；天津大學(xué)進(jìn)行了線聚焦OCT技術(shù)研究及PS-OCT的研究；華中科技大學(xué)對(duì)OCT技術(shù)作了理論闡述，并采用LED作為光源建立了OCT系統(tǒng)。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)于OCT的研究還只是局限于實(shí)驗(yàn)階段，與國(guó)外同行還有一定差距。
OCT是一種20世紀(jì)90年代興起的新型層析成像技術(shù)，它的出現(xiàn)及發(fā)展稱得上是醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域一次突破。自O(shè)CT技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，發(fā)展非常迅速，各種新技術(shù)不斷出現(xiàn)，從分離式OCT到全光纖式OCT，再到ODT和內(nèi)窺鏡式OCT，層出不窮，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，從最早用于眼科到今天用于對(duì)牙齒、心臟、腸胃道的清晰成像。但OCT不會(huì)取代超聲或者核磁共振成像，而是作為醫(yī)學(xué)成像的一個(gè)有益的補(bǔ)充。目前，OCT技術(shù)的研究在美國(guó)、西歐以及日本等一些發(fā)達(dá)的國(guó)家引起了重視，并投入了大量的人力物力，取得了高速的發(fā)展，而國(guó)內(nèi)由于資金和儀器設(shè)備等一些條件的限制，還處于理論研究或?qū)嶒?yàn)室研究的階段，需要國(guó)內(nèi)相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)加大投入力度，加強(qiáng)應(yīng)用研究，不斷縮小與國(guó)外的差距，使得OCT技術(shù)得到更迅猛的發(fā)展。
2 光學(xué)相干層析成像術(shù)的發(fā)展
當(dāng)前主流的OCT系統(tǒng)操作基本上是在所謂的時(shí)域OCT（Time-Domain Optical Coherence Tomography，TDOCT）系統(tǒng)中用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)探測(cè)方案來(lái)執(zhí)行的。
近來(lái)，一種新穎的OCT系統(tǒng)-基于光譜而非掃描干涉法的頻譜領(lǐng)域光學(xué)相干層析成像（Spectral-Domain Optical Coherence Tomography，SDOCT）正在興起。在SDOCT中，樣品的全部深度結(jié)構(gòu)（A-掃描）從光譜干涉圖中經(jīng)離散傅立葉轉(zhuǎn)換而同步獲得，無(wú)需深度掃描過(guò)程。其主要部件是邁克而遜干涉儀和光譜儀。早在1995年，F(xiàn)ercher等人就已提出譜域OCT概念。同年，Leitgeb等人給出了譜域OCT的結(jié)果與方法。自那以來(lái)，SDOCT已得到很大發(fā)展；2000年，Maciej Wojtkowski第一次報(bào)道了活體視網(wǎng)膜SDOCT成像。SDOCT相關(guān)的理論還被快速提升。
3 光學(xué)相干層析成像在非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
OCT研究的最初目的是為生物醫(yī)學(xué)的層析成像，并且醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍然繼續(xù)占主導(dǎo)地位。除了在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著OCT技術(shù)的發(fā)展，OCT技術(shù)正在向其他領(lǐng)域推進(jìn)，特別是工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，如位移傳感器、薄底片的厚度測(cè)量以及其他可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)物的測(cè)量。
最近，低相干技術(shù)已作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。OCT技術(shù)還可用于測(cè)量高散射聚合物分子的殘余孔隙、纖維構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的完整性。還可以用于測(cè)量材料的鍍層。OCT技術(shù)還能用于材料科學(xué)，J.P.Dunkers等人使用OCT技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了無(wú)損傷的檢測(cè)。M.Bashkansky等人利用OCT系統(tǒng)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了檢測(cè)，拓展了OCT技術(shù)的應(yīng)用范圍。S.R.Chinn等還對(duì)OCT在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)多層光學(xué)存儲(chǔ)和高探測(cè)靈敏度。
4 結(jié)語(yǔ)
OCT技術(shù)以其非接觸性和非破壞性、有極高的探測(cè)靈敏度與噪聲抑制能力、高分辨率無(wú)損傷和在體檢測(cè)上對(duì)活體組織無(wú)輻射等優(yōu)越性以及造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
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水下光學(xué)成像技術(shù)是當(dāng)前探索水下奧秘的基本方法之一，在生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、港口工程等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有重要的意義，但由于水本身的性質(zhì)，其作為介質(zhì)時(shí)的光學(xué)性質(zhì)與空氣有所不同，光線在水下傳播時(shí)水體對(duì)光線的吸收和后向散射會(huì)造成很大的圖像噪聲，降低圖像質(zhì)量，加之傳輸距離有限，一般的成像系統(tǒng)在水中使用時(shí)像差會(huì)發(fā)生變化，色差和畸變明顯增大，成像質(zhì)量差，圖像清晰度低，因此有必要對(duì)水的光學(xué)特性及其對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，以為適用于水下環(huán)境的特殊成像系統(tǒng)的研制提供理論基礎(chǔ)。
一、水的光學(xué)特性
光在水介質(zhì)和空氣介質(zhì)中的傳輸有著較大的差異，介質(zhì)的密度對(duì)光的吸收和散射有著很大的影響，空氣的密度小因而對(duì)光的吸收和散射也相對(duì)較小，水的密度為空氣的800多倍，對(duì)可見(jiàn)光有著嚴(yán)重的吸收和散射作用。水對(duì)光波的散射和吸收可造成光在水中的衰減，即使是在最純凈的水中，水對(duì)光也有著嚴(yán)重的衰減，且是按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，水介質(zhì)對(duì)光的衰減特性通常是使用衰減長(zhǎng)度表示。
（一）水對(duì)光的選擇吸收特性
水對(duì)光的吸收在不同的光譜區(qū)域是不同的，具有明顯的選擇性。水對(duì)光譜中的紫外和紅外部分表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，在可見(jiàn)光譜區(qū)段，吸收最大的分別是紅色、黃色和淡綠光譜區(qū)域。純凈水和清的大洋水在光譜的藍(lán)-綠區(qū)域透射比量大，其中波長(zhǎng)為462-475nm的藍(lán)光衰減最少。但在這個(gè)藍(lán)-綠窗口，水的吸收也足以使光的強(qiáng)度每米衰減約百分之四。其它顏色的光被吸收得更多，幾米之外幾乎完全消失了。
（二）水對(duì)光的散射特性
如果水下僅存在對(duì)光能量的吸收，可以通過(guò)加大照明光源功率來(lái)提高水下成像距離，但水對(duì)光的散射現(xiàn)象隨著照明的增強(qiáng)更趨嚴(yán)重，使水下成像更為困難。水中光散射是指光在水中傳播時(shí)，受到介質(zhì)微粒的作用，偏離原來(lái)直線傳播的方向。水中散射有兩種，即純水本身產(chǎn)生的散射和由懸浮粒子所引起的散射。散射方式主要有前向散射和后向散射。比入射光波長(zhǎng)小很多的無(wú)吸收粒子的散射遵從瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，存在著一個(gè)比較復(fù)雜的共振狀態(tài)，稱為米氏散射。
二、水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像質(zhì)量的影響
（一）水中光衰減對(duì)光學(xué)成像的影響
光在水中的衰減是在吸收和散射這兩個(gè)不相關(guān)的物理過(guò)程作用下發(fā)生的，光子消失的過(guò)程稱為吸收，被吸收的光子轉(zhuǎn)化為熱能從光束中被吸收，光子前進(jìn)方向發(fā)生變化稱為散射，除散射粒子外，水折射率的微小變化也可能引起光的散射，被散射的光子不同于被吸收的光子，其并未消失且有可能再次疊加入光束中，通常水對(duì)光的散射引起的光衰減多于水對(duì)光的吸收引起的光衰減，在清澈透明的水中，水中光衰減有60%是由散射引起，40%為吸收引起，而在渾濁的水中，由于懸浮粒子的增加，水對(duì)光散射增強(qiáng)，由散射引起的光衰減還會(huì)增加。
（二）水中光的吸收特性對(duì)光學(xué)成像的影響
水分子是極化分子，在紫外和紅外譜帶上有著強(qiáng)烈的由電子激發(fā)的紫外共振和由分子激發(fā)的紅外共振，因此對(duì)此區(qū)域吸收強(qiáng)烈，尤其是對(duì)紅外的吸收十分強(qiáng)烈。水對(duì)光吸收寬帶效應(yīng)使得光在水中傳播時(shí)雖然不存在光在空氣傳播中存在的“窗口”，但在藍(lán)綠區(qū)域水對(duì)光的吸收達(dá)到最小值，習(xí)慣上將此區(qū)域認(rèn)為是光在水中傳播時(shí)的“窗口”。
光束在水中傳播時(shí)，水對(duì)光的選擇性吸收，使得白光照射下，隨著拍攝物體所處深度的增加其顏色也會(huì)發(fā)生變化，通常在水下1-2m內(nèi)近距離拍攝時(shí)，物體的顏色基本可以較好地反映出來(lái)，而超過(guò)2m后被拍攝物體的顏色就會(huì)發(fā)生變化，一般在水下6m時(shí)紅色就會(huì)基本消失，在水下20m時(shí)黃色會(huì)消失，同時(shí)紅色會(huì)變成黑色，在30m時(shí)物體基本完全變成藍(lán)色或者藍(lán)綠色。
（三）水中光的散射特性對(duì)光學(xué)成像的影響
水對(duì)光的散射可對(duì)成像距離增加困難，使圖像對(duì)比度下降，隨著成像距離的增大，水下成像的畫面反差隨之降低，細(xì)節(jié)畫面也會(huì)隨距離增加而更模糊。
水對(duì)光的散射系數(shù)與散射粒子的大小相關(guān)，水中散射粒子的大小分布是不一致的，水分子、可溶性物質(zhì)、懸浮的無(wú)機(jī)顆粒、微生物等可對(duì)光產(chǎn)生散射作用的粒子大小從零點(diǎn)幾納米到幾毫米不等，對(duì)于水分子來(lái)說(shuō)，其對(duì)光的散射遵循瑞利散射規(guī)律，即是散射光強(qiáng)B與入射波長(zhǎng)λ的四次方成反比。
在波長(zhǎng)為480nm時(shí)，水分子引起的瑞利散射衰減系數(shù)約為0.004m-1，而純凈的蒸餾水光束的有效衰竭系數(shù)約為0.037m-1，可知水分子的瑞利散射衰減只是水中光衰減中的一小部分。
水中對(duì)光束可產(chǎn)生散射作用的散射粒子直徑與入射光波長(zhǎng)接近時(shí)，散射粒子對(duì)光的散射存在著一個(gè)復(fù)雜的共振狀態(tài)，此時(shí)散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有關(guān)系，而遵循米氏散射定律，其衰減系數(shù)SM以公式可表示為：
式中R表示散射粒子半徑，N為每立方米水體中的離子數(shù)，Ks為實(shí)際散射截面與幾何截面的比值，當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，近似考慮為散射截面與幾何截面相等，即Ks取1。
（四）水中照明對(duì)光學(xué)成像的影響
水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中傳播時(shí)，隨著深度增加更為分散直至趨于只與天頂角相關(guān)的漸進(jìn)分布，在淺層水?dāng)z影中，若天氣為晴朗的白天，則自然光所提供的照明已足夠進(jìn)行水下拍攝，而在深層水拍攝或夜晚攝影時(shí)，水下的光照度很低，水下使用成像系統(tǒng)時(shí)絕大多數(shù)情況下需要照明系統(tǒng)，因此有必要將水下照明對(duì)光學(xué)成像的影響進(jìn)行考慮。
三、結(jié)語(yǔ)
水對(duì)光波有著吸收和散射作用，可造成光在水中的衰減，水對(duì)光的選擇性吸收可使水下拍攝物體的顏色隨著其所處深度的增加而發(fā)生變化，水對(duì)光的散射可降低像的襯度，使成像系統(tǒng)不能接受到有用的信息。在設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)得到水的光學(xué)特性對(duì)水下光學(xué)成像的影響，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性，從而提高水下成像系統(tǒng)整體性能。
參考文獻(xiàn)：
1稀土上轉(zhuǎn)換納米材料結(jié)構(gòu)組成
UCNP通常由基質(zhì)、敏化劑與激活劑構(gòu)成。目前研究發(fā)現(xiàn)，以NaYF4作為基質(zhì)，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對(duì)共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長(zhǎng)并且一次合成過(guò)程可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米材料的制備及表面修飾等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的合成方法[4]。通過(guò)以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導(dǎo)致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)其進(jìn)行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
2.1生物傳感
UCNP具有多個(gè)發(fā)射峰且發(fā)射譜帶窄，以及近紅外激發(fā)下顯示出低背景自發(fā)熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應(yīng)用。UCNP已被廣泛用于檢測(cè)各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應(yīng)用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見(jiàn)用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對(duì)應(yīng)2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級(jí)躍遷，因此可以用來(lái)檢測(cè)溫度。MaestroLM等[5]設(shè)計(jì)了第一臺(tái)NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細(xì)胞測(cè)溫，使用它可以精確檢測(cè)單個(gè)癌細(xì)胞，如HeLa癌細(xì)胞的溫度（25℃~45℃，區(qū)間區(qū)分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉(zhuǎn)化作用的金納米棒與細(xì)胞共孵育后，向培養(yǎng)液中加入U(xiǎn)CNP，最后采用800nm激光對(duì)金納米棒進(jìn)行輻照，使其產(chǎn)生熱量，進(jìn)而引起細(xì)胞周圍溫度的升高，通過(guò)UCNP的熒光值計(jì)算出相應(yīng)位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應(yīng)用最廣泛的成像技術(shù)之一，該技術(shù)基于X射線衰減系數(shù)。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強(qiáng)的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數(shù)。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質(zhì)材料的UCNP應(yīng)用于CT成像。其他研究者也對(duì)基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進(jìn)行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構(gòu)建提供新的原料來(lái)源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準(zhǔn)確度。在元素周期表中具有最高數(shù)目未配對(duì)電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發(fā)現(xiàn)其造影劑在體內(nèi)釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入U(xiǎn)CNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標(biāo)記T細(xì)胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過(guò)T1加權(quán)MRI可以靈敏地跟蹤標(biāo)記過(guò)的T細(xì)胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權(quán)造影劑、3TT1/T2雙重加權(quán)造影劑和超高磁場(chǎng)高效T2加權(quán)造影劑。該造影劑主要特征是通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度而改變?cè)煊皠┑念愋?，此?xiàng)研究將極大地推動(dòng)MRI造影劑在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。
2.2.3光學(xué)成像
UCNP已經(jīng)引起了許多研究者對(duì)將其應(yīng)用于光學(xué)造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發(fā)下發(fā)出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉(zhuǎn)換熒光效率高和發(fā)光顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于小動(dòng)物成像[14]。ZhangK等[15]通過(guò)酰胺化反應(yīng)將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結(jié)合，制備出UCNP-ND用于光學(xué)成像和細(xì)胞中藥物遞送的新型納米平臺(tái)，由于強(qiáng)烈的上轉(zhuǎn)換熒光和pH響應(yīng)性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態(tài)成像
常規(guī)的單個(gè)成像技術(shù)有其固有的限制和缺點(diǎn)。多模態(tài)成像可以彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，使疾病在早期診斷階段得到更加準(zhǔn)確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態(tài)成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過(guò)熱解法首次合成具有優(yōu)異的MRI/CT成像性能和相對(duì)低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無(wú)法進(jìn)行細(xì)胞水平成像，光學(xué)成像在細(xì)胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點(diǎn)。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結(jié)合，可以獲得組織和細(xì)胞級(jí)的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優(yōu)異MRI/UCL/CT三模態(tài)成像性能、較低毒性且無(wú)熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結(jié)合制備一種多功能成像探針在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動(dòng)力治療
光動(dòng)力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發(fā)光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發(fā)將氧氣轉(zhuǎn)化為活性氧，殺死癌細(xì)胞的治療方法。其因具有微創(chuàng)性和時(shí)空選擇性被廣泛應(yīng)用于腫瘤治療領(lǐng)域。典型PDT由PS、激發(fā)光和氧氣構(gòu)成。常規(guī)PDT受到激發(fā)光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質(zhì)用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導(dǎo)的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對(duì)正常組織不可避免的光毒性仍然是一個(gè)棘手的問(wèn)題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動(dòng)力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應(yīng)性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時(shí)，PPN帶負(fù)電，沒(méi)有光活性，在腫瘤細(xì)胞外pH=6.5時(shí)快速將其表面電荷從陰性轉(zhuǎn)變?yōu)殛?yáng)性，并在腫瘤細(xì)胞內(nèi)/溶酶體pH=5.5時(shí)進(jìn)一步分解成單個(gè)UCNP，此過(guò)程促進(jìn)聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強(qiáng)PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導(dǎo)酸性腫瘤微環(huán)境中游離PS的光激發(fā)，從而殺傷腫瘤細(xì)胞。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)均表明，PPN可以克服傳統(tǒng)PS不足作為潛在新型PDT用于未來(lái)癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺死癌細(xì)胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數(shù)較低，在直接光照下轉(zhuǎn)化為熱能的能力有限。而當(dāng)其與較強(qiáng)消光系數(shù)等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時(shí)，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛(wèi)星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質(zhì)，基于CuS顯著的PTT效應(yīng)，CSNT可以在NIR照射下產(chǎn)生細(xì)胞毒性熱，還通過(guò)摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產(chǎn)生高度局部化的增強(qiáng)輻射效果。
2.3.3成像指導(dǎo)腫瘤治療
近年來(lái)，隨著納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，集多功能為一體的可視化成像指導(dǎo)的腫瘤診療成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。研究發(fā)現(xiàn)UCNP可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學(xué)成像，MRI、CT成像下進(jìn)行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對(duì)過(guò)表達(dá)Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細(xì)胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的上轉(zhuǎn)換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強(qiáng)MRI和CT成像。其在體外和體內(nèi)顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發(fā)將為臨床中過(guò)表達(dá)Y1受體的腫瘤診療提供一個(gè)新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實(shí)現(xiàn)療效互補(bǔ)、協(xié)同作用以增強(qiáng)抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實(shí)現(xiàn)集成的PTT/PDT和熒光成像，協(xié)同PDT/PTT對(duì)體外癌細(xì)胞抑制效率顯著增高。
【關(guān)鍵詞】 分子影像學(xué) 腫瘤 膠質(zhì)瘤
Abstract: Molecular imaging is a combination of medical imaging technique and molecular biology. It is a noninvasive and real?鄄time imaging on molecule level of the physiological and pathological process inside the human body by using advanced imaging technique， such as positron emission tomography(PET)，magnetic resonance imaging(MRI) and optical coherence tomography(OCT). The application to the diagnosis and treatment for gliomas is one of the most important aspects that molecular imaging concerned. In this article， the principle and the technique of molecular imaging， the applications of molecular imaging to the diagnosis and treatment for gliomas are reviewed.
Key words: molecular imaging; neoplasms; glioma
Lenin在20世紀(jì)早期曾斷言[1]：人們只有打破雞蛋才能做煎蛋卷，同樣，人類醫(yī)學(xué)史上，以前人們也認(rèn)為只有打開(kāi)人體取出組織才能探測(cè)到人體內(nèi)部的微觀變化，然而這樣的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了。近幾十年來(lái)，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，隨著影像設(shè)備的不斷改進(jìn)，一些顯示系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了微觀水平，這些技術(shù)上的進(jìn)步，就使以前的分子離體顯示形成現(xiàn)在的分子在體顯像，即分子影像學(xué)。分子影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)相結(jié)合的新學(xué)科，分子影像技術(shù)是利用現(xiàn)有的一些醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，主要是核醫(yī)學(xué)（positron emission tomography，PET），核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）和光學(xué)成像方法（optical coherence tomography，OCT），對(duì)人體內(nèi)部生理或病理過(guò)程在分子水平上進(jìn)行無(wú)損傷的、實(shí)時(shí)的成像。這一技術(shù)不同于經(jīng)典的影像學(xué)，它是應(yīng)用探針探測(cè)分子的異常，而不是獲取分子改變的結(jié)局。正因?yàn)樗翘綔y(cè)分子事件的過(guò)程，而不是結(jié)果，所以分子影像有助于了解人體目前分子生物學(xué)技術(shù)正在研究的疾病發(fā)生的啟動(dòng)階段、前期發(fā)病過(guò)程中的各階段的及疾病形成的分子表達(dá)，同時(shí)也可以在分子水平了解各種治療的反應(yīng)，進(jìn)而有助于認(rèn)識(shí)疾病機(jī)制，提高診治水平。
分子影像技術(shù)有三個(gè)關(guān)鍵因素，第一是高特異性的分子探針，第二是合適的信號(hào)放大技術(shù)，第三就是能靈敏地獲得高分辨力圖像的探測(cè)系統(tǒng)。
1 分子影像技術(shù)的探測(cè)方法
分子影像技術(shù)主要的探測(cè)方法有三種：核探測(cè)方法，核磁共振方法和光學(xué)方法。這些方法在探測(cè)靈敏度、空間分辨率、時(shí)間分辨率等性能方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)視需要解決的問(wèn)題來(lái)選擇。
1.1 核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)
核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)是目前分子成像中最為活躍的部分，主要包括PET、SPECT(single photon emission computed tomography)、Plannar成像。其中PET目前應(yīng)用最廣，基本原理是在體內(nèi)引入一種直接或間接參與體內(nèi)生化過(guò)程的放射性示蹤劑，并用PET等儀器在體外加以顯像，PET常用的放射性示蹤劑有11C、13N、15O和18F等。該種成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于腫瘤學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)、心臟病學(xué)和基因?qū)W的臨床基礎(chǔ)研究。在腫瘤的診斷和治療過(guò)程中，需要標(biāo)記的生化分子必然是某種腫瘤具有特異性顯像能力的物質(zhì)分子，這種分子或者和基因組中的某個(gè)功能團(tuán)或者與基因片段的配體具有特殊的親和力。通過(guò)放射性核素標(biāo)記過(guò)的生化物質(zhì)在人體內(nèi)的分布，用模型的方法對(duì)這種分布進(jìn)行解釋，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行進(jìn)一步分析，有可能得到對(duì)腫瘤診斷和治療有用的信息和規(guī)律。
1.2 MRI分子成像技術(shù)
用MRI對(duì)基因表達(dá)和成像的主要優(yōu)點(diǎn)是其空間分辨率高于PET，且能同時(shí)獲取生理與解剖信息，而有望在基因表達(dá)及分子成像中發(fā)揮重要作用，現(xiàn)有的磁共振分子影像技術(shù)主要包括功能磁共振（functional MRI，fMRI）和核磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。其中fMRI包括灌注成像、擴(kuò)散成像、局部血容積、局部腦血流和血氧水平依賴性對(duì)比度成像（blood oxygen level depended functional imaging，BOLD）等[2]。
1.3 光學(xué)成像技術(shù)
體內(nèi)基因表達(dá)的光學(xué)成像方法，包括熒光、光吸引、反射或利用生物發(fā)光作為對(duì)比劑，成像系統(tǒng)可基于彌散的光學(xué)圖，以表面為主的光學(xué)成像、相控矩陣光檢測(cè)、同焦點(diǎn)成像、多光子成像、活體內(nèi)顯微鏡下顯微成像等。
分子影像技術(shù)在疾病早期診斷和治療以及研究疾病發(fā)生和發(fā)展的生物學(xué)特性方面有重要作用。惡性腫瘤是臨床醫(yī)學(xué)研究中的熱點(diǎn)，腫瘤影像學(xué)是現(xiàn)代腫瘤研究中的核心技術(shù)之一，同時(shí)被認(rèn)為是現(xiàn)代六個(gè)重大科學(xué)機(jī)遇之一[3]。在腫瘤影像學(xué)的研究中，充分地展示了多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，核藥學(xué)、核生物學(xué)、影像物理學(xué)、放射光學(xué)、光電子學(xué)等。目前分子影像技術(shù)在腦膠質(zhì)瘤的診斷和治療中研究較多。
2 分子影像技術(shù)在膠質(zhì)瘤診斷中的應(yīng)用
分子診斷學(xué)是建立在分子探針和體內(nèi)靶（如酶、受體、mRNA messenger ribonucleic acid分子代謝物等）物質(zhì)的特異性結(jié)合的基礎(chǔ)上，使用靈敏度很高的測(cè)量系統(tǒng)，從而可以在探針?lè)肿拥臐舛缺容^低的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的檢測(cè)，并在不改變檢測(cè)過(guò)程的情況下得出被檢測(cè)人員是否有病或者是否具有某種癌前病變的前期征兆[4]。目前能夠用于分子成像的技術(shù)是正電子發(fā)射斷層成像（PET）為代表的核素成像、功能磁共振成像（fMRI）、核磁共振波譜成像（MRS）和某些光學(xué)成像（optical imaging，OI），這些成像手段可以對(duì)人體組織的生物或病理過(guò)程在分子水平上，進(jìn)行無(wú)創(chuàng)的靜態(tài)的或?qū)崟r(shí)初態(tài)的成像。
目前，分子、功能和基因配體成像在腫瘤診斷中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)層次上。第一個(gè)層次是基于某些腫瘤的形成機(jī)制和遺傳有關(guān)的事實(shí)，通過(guò)分析基因序列和腫瘤標(biāo)志蛋白質(zhì)，找出易感人群，開(kāi)展針對(duì)易感人群的預(yù)防腫瘤醫(yī)學(xué)。第二個(gè)層次是根據(jù)分子和基因配體成像可以檢測(cè)腫瘤早期疾病的癌前分子改變、基因變化、腫瘤細(xì)胞標(biāo)志物、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)等參數(shù)，檢測(cè)那些剛剛形成實(shí)體的腫瘤，為及時(shí)治療提供依據(jù)。第三個(gè)層次是用分子和基因配體成像技術(shù)，解決當(dāng)前臨床診療中的問(wèn)題。例如改進(jìn)目前在臨床上大量存在診斷信息單一，不能確定良惡性、分期和預(yù)后不準(zhǔn)確等問(wèn)題，進(jìn)一步提高診斷的準(zhǔn)確率。這三個(gè)層次形成了腫瘤影像診斷學(xué)當(dāng)前需要解決的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面的問(wèn)題。
2.1 基因配體和分子成像
這是在第一層次也是在最高層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤早期預(yù)防預(yù)測(cè)工作。因?yàn)槿梭w的病變首先開(kāi)始于基因調(diào)控的生物大分子紊亂，長(zhǎng)期的紊亂會(huì)造成生理參數(shù)的變化，生物參數(shù)的變化引起臟器的器質(zhì)性變化。所以基因配體和分子水平的病變是所有疾病的源頭。
p53基因是人體內(nèi)在腫瘤的發(fā)生中起著重要作用的抑癌基因，在正常情況下，p53基因是保護(hù)正常細(xì)胞不受外來(lái)侵襲的，但是突變后的p53基因不僅喪失了抑癌的作用，反而成了致癌的因素。在許多病人的很多種腫瘤中已經(jīng)被證實(shí)[5]， p53基本突變是腫瘤最為常見(jiàn)的遺傳變異。然而對(duì)p53基因還有很多問(wèn)題沒(méi)有搞清楚。只有在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用無(wú)創(chuàng)傷的人體成像方法對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行非常系統(tǒng)的深入研究之后，才能逐步把其中的規(guī)律搞清楚。
Parletich等[6]用X?鄄ray衍射方法測(cè)量得到p53基因和DNA連接的結(jié)構(gòu)圖，他們發(fā)現(xiàn)突變可能發(fā)生在p53基因和DNA相互作用時(shí)的6個(gè)活性物質(zhì)處，也可以以結(jié)構(gòu)斷裂的方式發(fā)生突變。這種結(jié)構(gòu)表明p53和DNA之間的特殊序列的結(jié)合方式是p53基因能夠起到抑癌作用的核心問(wèn)題。
從預(yù)防的角度看，很多種類的癌癥具有遺傳因素，因此通過(guò)對(duì)基因的分析可以幫助確定腫瘤的易感人群。對(duì)這類人群，一旦通過(guò)蛋白質(zhì)生物芯片技術(shù)，結(jié)合細(xì)胞水平高倍顯微鏡下觀測(cè)癌癥易感人群獲得足夠的知識(shí)，進(jìn)行早期檢查是完全可能的。這些易感病人可以因?yàn)樯顮顩r，環(huán)境的改善，原來(lái)的早期病變消失，所以對(duì)這些易感人群進(jìn)行預(yù)防輔導(dǎo)，包括心理輔導(dǎo)、飲食習(xí)慣和生活習(xí)慣的輔導(dǎo)，采取經(jīng)常進(jìn)行體檢的技術(shù)措施以及根據(jù)家族史對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行及時(shí)體檢，可以使這部分人群不發(fā)生癌癥或者發(fā)生癌癥之后及時(shí)得到處理。
2.2 膠質(zhì)瘤的早期診斷
腫瘤的亞臨床病灶是指人體內(nèi)存在的癌細(xì)胞團(tuán)容量小于目前醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在臨床上能夠達(dá)到的空間分辨率，因而不能在臨床上檢測(cè)出來(lái)。國(guó)際上公認(rèn)的看法是：實(shí)體部分直徑小于4mm的腫瘤被認(rèn)為還沒(méi)有“生根”，也就是說(shuō)其血管還沒(méi)有完全生長(zhǎng)，和人體的正常組織的聯(lián)系還比較弱，是容易治療的癌癥，被稱為腫瘤亞臨床病灶。我們目前所說(shuō)的早期診斷是指那些癌組織的實(shí)體在10mm以下水平的臨床病灶[7]。
解決膠質(zhì)瘤的早期診斷問(wèn)題，主要的成像工具是PET，因?yàn)镻ET的本征空間分辨率已經(jīng)達(dá)到2mm~3mm的水平，而且PET使用的放射性核素包括11C、13N、15O及18F，由這些放射性核素標(biāo)記的化合物非常多，從而為分子和基因配體成像提供了機(jī)會(huì)。在所有示蹤劑中，2＇?鄄脫氧?鄄18F?鄄葡萄糖（18F?鄄FDG）臨床上使用最廣泛。對(duì)頭部腫瘤進(jìn)行研究的生物學(xué)根據(jù)是腫瘤對(duì)18F?鄄FDG攝取率的增加[2]。葡萄糖攝取率對(duì)正在癌變的細(xì)胞相當(dāng)敏感，這類癌細(xì)胞的葡萄糖攝取率增加的幅度相當(dāng)大[8]，但在實(shí)際操作上，企圖直接從18F?鄄脫氧葡萄糖PET圖像中檢測(cè)到病灶是不可能的。因?yàn)槠咸烟谴x是每個(gè)人都有的代謝，而且葡萄糖代謝的分布具有個(gè)體差異。因此采集大量的體檢人員的PET圖像，進(jìn)行有針對(duì)性的處理和分析是必要的。除了蛋白質(zhì)生物芯片檢測(cè)技術(shù)以外，建立不同年齡段正常人群葡萄糖代謝的標(biāo)準(zhǔn)圖譜也是一種必要的方法。
另一種方法是用藥載動(dòng)力學(xué)來(lái)分析經(jīng)過(guò)放射性核素標(biāo)記的藥物在人體內(nèi)分布，通過(guò)藥載動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究，可以把正常的代謝和異常的代謝區(qū)分開(kāi)來(lái)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠質(zhì)瘤內(nèi)部組織細(xì)胞活性的度量，并和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)病理水平上的腫瘤組織分割，得到膠質(zhì)瘤組織的不同邊界，用這種方法確定膠質(zhì)瘤的亞臨床病灶的問(wèn)題。
光學(xué)成像方法可以探測(cè)到體內(nèi)基因表達(dá)。對(duì)組織蛋白酶B和H蛋白激酶的成像能發(fā)現(xiàn)直徑1mm以下的腫瘤。
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2.3 分子影像技術(shù)在當(dāng)前膠質(zhì)瘤臨床診斷中的應(yīng)用
在PET成像中，示蹤劑18F?鄄FDG在臨床上使用最廣泛，被證明是探測(cè)腦神經(jīng)膠質(zhì)瘤、對(duì)膠質(zhì)瘤分級(jí)、預(yù)測(cè)預(yù)后、評(píng)價(jià)治療效果及鑒別復(fù)發(fā)與壞死的有效工具。它可以進(jìn)行參數(shù)成像，對(duì)人體內(nèi)的生化過(guò)程或者腫瘤病理進(jìn)行定量或半定量的分析[9，10]，還可以根據(jù)大腦對(duì)葡萄糖的生物攝取清楚顯示大腦的解剖結(jié)構(gòu)[2，11]。11C標(biāo)記的氨基酸在探測(cè)腫瘤殘余組織方面比18F?鄄FDG優(yōu)越[2]。11C標(biāo)記的甲硫氨酸（MET）在高級(jí)別和低級(jí)別的神經(jīng)膠質(zhì)瘤中均能濃聚，其在劃定腫瘤范圍時(shí)具有比18F?鄄FDG更好的效果，特別是在鑒別低級(jí)別的膠質(zhì)瘤時(shí)，腫瘤與周圍正常組織的對(duì)比度比較高。MET的這一特點(diǎn)可用于放療計(jì)劃中劃定治療的外部邊界。把18F?鄄FDG和MET結(jié)合起來(lái)預(yù)測(cè)膠質(zhì)瘤的級(jí)別及預(yù)后是一種更好的方法。Bruno Kashten[12]等提出了一種對(duì)切除前的膠質(zhì)瘤進(jìn)行評(píng)價(jià)的定量計(jì)算方法：用T/MCU值的大小來(lái)衡量膠質(zhì)瘤的級(jí)別，其中T代表腫瘤對(duì)示蹤劑的攝取值，MCU表示大腦皮質(zhì)對(duì)示蹤劑的攝取值。當(dāng)T/MCU?鄄F?鄄FDG≤0.8且T/MCU?鄄MET
fMRI可深入細(xì)胞、分子水平來(lái)評(píng)價(jià)膠質(zhì)瘤功能性改變，包括擴(kuò)散成像、灌注成像和局部血容積、局部腦血流和血氧水平依賴性（BOLD）對(duì)比度成像等。
擴(kuò)散成像之彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是利用組織中水分子彌散的各向異性探測(cè)組織微觀結(jié)構(gòu)成像方法。有研究發(fā)現(xiàn)DTI可清楚顯示膠質(zhì)瘤與白質(zhì)纖維的關(guān)系，確定皮質(zhì)脊髓束與腫瘤間的距離，可用于指導(dǎo)手術(shù)[13]。在腦膠質(zhì)瘤的鑒別診斷上，Krabbe等[14]指出腦轉(zhuǎn)移瘤增強(qiáng)部位的ADC值高于高級(jí)別的膠質(zhì)瘤的瘤周水腫。
MR灌注成像定量、半定量分析毛細(xì)血管的血流灌注情況，反映生理與病理情況下組織的血液動(dòng)力學(xué)改變，評(píng)估局部組織活力及功能，對(duì)腫瘤灌注值的分析可以幫助腫瘤的診斷與鑒別診斷。
MRS可以測(cè)定生物體內(nèi)局部的特定分子的信號(hào)，具有很高的化學(xué)特異性，與18F?鄄FDG?鄄PET探測(cè)能量代謝率不同，MRS探測(cè)的是代謝產(chǎn)物，它是在分子代謝產(chǎn)物的水平上提供癌細(xì)胞活性的信息，許多1H譜技術(shù)表示腦膠質(zhì)瘤腫瘤區(qū)與正常組織明顯不同[15]，表現(xiàn)為NAA(N?鄄acetyl aspartate)下降，Cho(choline?鄄containing compounds)上升，Cr(creamate)下降，NAA/Cho與Cho/Cr比值非常有助于鑒別高低級(jí)別的膠質(zhì)瘤，NAA/Cho比值越低，表示腫瘤惡性程度越高，相反Cho/Cr比值與腫瘤的惡性程度呈正相關(guān)性。Law等[16]通過(guò)對(duì)腫瘤周圍區(qū)的波譜研究發(fā)現(xiàn)，高級(jí)別膠質(zhì)瘤腫瘤周圍區(qū)的Cho/Cr值明顯高于轉(zhuǎn)移瘤周圍區(qū)的相應(yīng)值。
3 分子影像技術(shù)在膠質(zhì)瘤治療中的應(yīng)用
3.1 基因治療
基因治療是將外源性正常的治療性目的性基因用基因轉(zhuǎn)移技術(shù)導(dǎo)入到靶細(xì)胞中，通過(guò)基因表達(dá)過(guò)程，使其表達(dá)產(chǎn)物起到對(duì)疾病的治療作用。在基因治療中需要及時(shí)監(jiān)測(cè)目的基因的轉(zhuǎn)染及表達(dá)情況。如果將目的基因和標(biāo)記基因拼接起來(lái)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)標(biāo)記基因來(lái)判斷目的基因的存在情況，在此理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)了影像標(biāo)記基因技術(shù)。
有學(xué)者[17]對(duì)某種特殊的癌癥進(jìn)行臨床初步試驗(yàn)的結(jié)果表明，利用有缺陷的E1B?鄄55KD型腺病毒和有缺陷的p53基因結(jié)合在腫瘤細(xì)胞中復(fù)制，有可能激活p53基因使得癌細(xì)胞自殺，從而達(dá)到治療腫瘤的目的。單純皰疹病毒Ⅰ型胸苷激酶（HSV?鄄TK）作為許多抗腫瘤基因治療中的前體藥物轉(zhuǎn)化酶，HSV?鄄TK可以將低毒的藥物轉(zhuǎn)化成毒性化學(xué)物，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的死亡[18~20]。通過(guò)核技術(shù)的基因表達(dá)成像說(shuō)明了HSV?鄄TK的可行性。雖然至今許多實(shí)驗(yàn)尚未能進(jìn)入臨床應(yīng)用，但設(shè)計(jì)在某類腫瘤異性表達(dá)的分子靶作為分子影像的靶點(diǎn)，是可以借鑒該類思路的。
3.2 化 療
高分辨率的microPET的出現(xiàn)，為新藥的研究和開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)新的技術(shù)平臺(tái)，它能在同一活體動(dòng)物上全程監(jiān)測(cè)放射核素標(biāo)記的新藥在體內(nèi)的變化，也可在任意時(shí)間間隔無(wú)創(chuàng)傷地重復(fù)研究。此舉可大大提高新藥研究的有效性和準(zhǔn)確性，縮短新藥研究的周期，減少新藥研究的投入資金，故已引起了全球醫(yī)藥界的極大關(guān)注。
臨床上腫瘤化療的失敗主要是由先天性和獲得性腫瘤多藥耐藥（multidrug resistance，MDR）引起的。MDR現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)閯?dòng)物和人類基因組中本身就存在著MDR基因，那些對(duì)化療不敏感或療效較差的腫瘤中往往有MDR基因的過(guò)度表達(dá)。MicroPET是研究體內(nèi)功能性轉(zhuǎn)運(yùn)的有效技術(shù)，因此，在腫瘤細(xì)胞多藥耐藥的基礎(chǔ)研究和多藥耐藥逆轉(zhuǎn)成分的研究中，可發(fā)揮獨(dú)到的作用。MDR顯像在臨床上有很大的用途：（1）診斷和定位MDR相關(guān)基因過(guò)度表達(dá)的腫瘤；（2）預(yù)測(cè)化療的療效；(3) 篩選MDR調(diào)節(jié)劑，確定MDR調(diào)節(jié)劑的用藥劑量和抑制MDR作用的時(shí)間。目前用得最多的MDR顯像劑是99mTC標(biāo)記的脂溶性+1價(jià)陽(yáng)離子，如99mTC?鄄MIBI、99mTC?鄄tetrofosmin。
3.3 放 療
11C標(biāo)記的甲硫氨酸在劃定膠質(zhì)瘤范圍時(shí)具有很好的效果，它在腫瘤中的累積相對(duì)較高，而在正常腦實(shí)質(zhì)中的累積相對(duì)較低，MET的這一特點(diǎn)可用于放療計(jì)劃中劃定治療的外部邊界。另外用fMRI方法一次采集腫瘤及其周圍組織盡可能多的參數(shù)，例如局部血容積、局部腦血流、BOLD等參數(shù)成像，并用氧灌注成像的方法進(jìn)行氧增強(qiáng)的灌注成像，把這些結(jié)果和PET/SPECT的成像結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)圖像信息進(jìn)行整合和系統(tǒng)分析，并把研究結(jié)果用一個(gè)生物學(xué)模型歸納到膠質(zhì)瘤放療的生物學(xué)模型，從而有效指導(dǎo)放療計(jì)劃。而對(duì)于腦膠質(zhì)瘤外科手術(shù)切除后的殘余腫瘤實(shí)行放療中最大的問(wèn)題是易復(fù)發(fā)，其中重要的一個(gè)原因是膠質(zhì)瘤中存在有大量的乏氧細(xì)胞，這些乏氧細(xì)胞對(duì)射線不敏感。已有多個(gè)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，對(duì)膠質(zhì)瘤術(shù)后病人給予吸入高壓氧后立即進(jìn)行放療能顯著改善病人預(yù)后，延長(zhǎng)存活時(shí)間[21，22]。
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中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）45-0076-02
伴隨光學(xué)顯微鏡技術(shù)的飛速發(fā)展，顯微技術(shù)也在相應(yīng)的不斷進(jìn)步。經(jīng)過(guò)有關(guān)光學(xué)系統(tǒng)及信息處理能夠使顯微鏡的分辨率大幅提高，用于生物樣品三維信息的獲取、記錄、處理和顯示的顯微鏡成像系統(tǒng)也得到了很大發(fā)展。在顯微鏡成像過(guò)程中，其所獲取的每一幅圖像都包含了焦平面和焦平面外的光信息，焦平面外的信息對(duì)所成圖像造成了很大的模糊干擾，因而使得圖像清晰度降低甚至無(wú)法識(shí)別。為了去除這些離焦光信息，人們嘗試了許多解決辦法。激光掃描共焦技術(shù)在熒光顯微成像的基礎(chǔ)上克服了離焦平面信息的干擾，從而得到了清晰地聚焦平面的圖像。但是其缺點(diǎn)也是很顯然的：其價(jià)格昂貴不利于技術(shù)的普及;不能得到樣品完整、真彩的圖像;由于需作二維逐點(diǎn)掃描，其成像速度受到限制，不能對(duì)樣品實(shí)施快速動(dòng)態(tài)成像。寬場(chǎng)顯微鏡是一套傳統(tǒng)的顯微鏡，其價(jià)格便宜，可廣泛用于各種行業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的快速觀測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的三維觀察，首先需要對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)切片，在基于寬場(chǎng)顯微技術(shù)的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)對(duì)顯微鏡的改進(jìn)，可采用各種方法實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)顯微鏡的光學(xué)切片成像。隨著對(duì)微觀世界更深入的研究，人們希望進(jìn)一步提高光切片質(zhì)量和切片的速度等。本文將介紹幾種基于寬場(chǎng)顯微技術(shù)的快速三維成像技術(shù)。
一、非干測(cè)量的寬場(chǎng)光切片技術(shù)
細(xì)胞膜的活動(dòng)在細(xì)胞的力學(xué)中扮演著重要的角色，因此觀測(cè)細(xì)胞膜的三維結(jié)構(gòu)是非常重要的。一般我們使用相襯和熒光顯微鏡技術(shù)去觀察它的活動(dòng)，然而這種光學(xué)觀察只能提供細(xì)胞邊界的信息，很難去了解細(xì)胞表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了清楚實(shí)時(shí)地觀察到生物樣品的三維結(jié)構(gòu)，這種儀器應(yīng)該滿足分辨率高、成像速度快、視野大等多種要求。在基于寬場(chǎng)顯微光切片的技術(shù)基礎(chǔ)上，可以采用一種新的光學(xué)技術(shù)――非干涉測(cè)量的寬場(chǎng)顯微鏡光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。這一技術(shù)不需后期的掃描機(jī)制即可得到三維圖像，系統(tǒng)中探針是浸入水的物鏡，它的工作距離在毫米范圍內(nèi)。圖1顯示的是實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置采用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡作為主要的設(shè)備，使用一個(gè)功率固定的鎢鹵素?zé)糇鳛楣庠?，它的功率波?dòng)范圍為小于1%，帶通濾波片的波長(zhǎng)范圍為350～610納米。這套系統(tǒng)使用柵格圖案在空間相位0，2π/3，4π/3獲得三幅圖像，然后使用零查探測(cè)原理去刪除這個(gè)柵格圖案獲得光學(xué)剖面圖像，通過(guò)對(duì)圖像的后期處理即可呈現(xiàn)樣品的3D結(jié)構(gòu)。
二、基于Z軸自動(dòng)控制寬場(chǎng)光切片技術(shù)
在對(duì)細(xì)胞或者微小的樣品進(jìn)行觀察時(shí)，顯微鏡是必不可少的工具，但是一般的顯微鏡包括寬場(chǎng)顯微鏡只能觀察他們的二維圖像，為了得到三維的圖像，需要在顯微鏡的z軸方向上進(jìn)行光學(xué)切片，得到不同焦平面的圖像，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)。為了在寬場(chǎng)顯微鏡中得到Z軸上不同的焦平面信息，需要對(duì)軸進(jìn)行微調(diào)，Z軸方向每上升或者下降一定的距離獲取一副圖像。傳統(tǒng)的方法是用手動(dòng)的方式去調(diào)節(jié)Z軸的旋鈕，達(dá)到Z軸上升或下降的目的。這種方式使得得到的斷層掃描圖像難以獲得足夠的精度和足夠薄的切層厚度，而且各個(gè)斷層圖像的層厚變得不均勻，這樣將在很大程度上影響圖像的三維重構(gòu)效果，同時(shí)在進(jìn)行斷層掃面時(shí)圖像的拍攝時(shí)通過(guò)手動(dòng)的方式控制拍攝，這樣拍攝一副斷層圖像需時(shí)過(guò)長(zhǎng)，在熒光樣品拍攝前往往已經(jīng)暴露在激發(fā)光的強(qiáng)光之下，這樣大大增加了樣品被強(qiáng)光漂白導(dǎo)致?lián)p傷的危險(xiǎn)。因此，一種采用全自動(dòng)寬場(chǎng)顯微光切片的技術(shù)將具有重要意義。
這種技術(shù)能通過(guò)計(jì)算機(jī)控制顯微鏡物鏡Z軸作精確的微動(dòng)，來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行逐層掃描成像，其精度可達(dá)到納米級(jí)，同時(shí)它還能控制攝像系統(tǒng)對(duì)每層斷層圖像進(jìn)行自動(dòng)的攝取與存儲(chǔ)，不需人工干預(yù)。因此，在光路中加裝一套激發(fā)光快門開(kāi)合系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)同步控制快門開(kāi)合系統(tǒng)和自動(dòng)數(shù)碼成像（或視頻圖像）拍攝系統(tǒng)，這些裝置的增加對(duì)寬場(chǎng)顯微光切片技術(shù)有著非常重要的意義。這樣的一套系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)和生物研究領(lǐng)域，特別是需要觀察三維斷層的相關(guān)領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)成像與生物醫(yī)學(xué)材料的領(lǐng)域，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。
三、變形光柵光切片技術(shù)
要想得到物體不同層的圖像，傳統(tǒng)的方法是移動(dòng)透鏡或者相機(jī)，但是在一些應(yīng)用中物體或者成像條件是快速變化的，需要設(shè)備能在相同條件下同時(shí)捕獲多個(gè)層的圖像。其中一種方法是采用分束器，將一束光分成幾束，然后使用多個(gè)相機(jī)來(lái)獲得圖像，通過(guò)移動(dòng)相機(jī)來(lái)達(dá)到獲取不同焦平面圖像的目的。但是這種方法會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)并且需要多個(gè)同步相機(jī)。一種使用特別設(shè)計(jì)的變形光柵能被當(dāng)作分束器使用，在單圖像平面同時(shí)記錄多個(gè)物體不同焦平面的信息，這將只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)同時(shí)獲取不同層面的圖像，大大降低了成本。使用變形光柵同時(shí)得到多個(gè)物層面圖像的方法原理在于，變形光柵是一個(gè)二元位相光柵。其暗區(qū)域能增加光學(xué)厚度，它在非零衍射序列具有聚焦的功能。特別設(shè)計(jì)的光柵在每一個(gè)變形序列上具有不同焦長(zhǎng)的透鏡的作用，在圖像視野產(chǎn)生假的三維圖像。光柵焦長(zhǎng)和圖像面的分離是通過(guò)設(shè)計(jì)光柵結(jié)合物體放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)的基礎(chǔ)是變形的衍射光柵，它的光柵線由一個(gè)半徑為二次方程的光柵線構(gòu)成。它產(chǎn)生的光柵線是圓弧并且它的中心是偏離透鏡軸中心的，如圖2所示，變形光柵扮演一套透鏡的功能，它能修改每一個(gè)衍射序列（+1，0，-1）的焦長(zhǎng)，這導(dǎo)致三個(gè)物面在同一個(gè)探測(cè)器面上呈現(xiàn)。當(dāng)光束進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，零序列衍射產(chǎn)生一幅激光束焦斑圖像，+1和-1序列提供光束焦平面后和焦平面前兩個(gè)層面的圖像。因此，利用這種技術(shù)可在不需要任何掃描特別是縱向掃描，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品多層面同時(shí)一次成像。但是缺點(diǎn)是一次只能進(jìn)行三層成像，需要更多層數(shù)成像需要加裝Z軸掃描裝置。
四、基于變焦透鏡的寬場(chǎng)顯微光切片技術(shù)
這種技術(shù)原理類似于前面介紹的基于Z軸自動(dòng)控制寬場(chǎng)光切片技術(shù)，將Z軸的機(jī)械控制裝置用可變焦的透鏡來(lái)代替。通過(guò)改造寬場(chǎng)顯微鏡可實(shí)現(xiàn)這一功能，如圖4所示。在該設(shè)備中，需要自制一模塊，該模塊包含一些透鏡和可電控的變焦透鏡放置在靠近物鏡的地方和成像端口想連接，同時(shí)為了在目鏡中能觀察到清晰的圖像許在目鏡端口加裝一相同變焦透鏡。這一裝置進(jìn)行光學(xué)切片的原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算機(jī)或者其他裝置控制變焦透鏡的驅(qū)動(dòng)裝置，改變電流，透鏡的焦距會(huì)隨著電流大小發(fā)生變化，焦距變化后可得到樣品不同層的光學(xué)信息，完成光學(xué)切片的功能。通過(guò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)寬場(chǎng)顯微鏡光學(xué)切片技術(shù)。另外為了讓顯微鏡的改造變得更加簡(jiǎn)單，可以在顯微鏡的成像接口處加裝一套帶有變焦透鏡的中繼成像裝置。這一技術(shù)在原理上并不復(fù)雜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要加裝機(jī)械掃描裝置，減少了使用機(jī)械裝置進(jìn)行掃描時(shí)帶來(lái)的震動(dòng)，同時(shí)通過(guò)精密電流控制可使得描層厚均勻，但是掃描需要時(shí)間比較長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速的掃描帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
五、小結(jié)
上面介紹的快速寬場(chǎng)顯微鏡光切片技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，他們大多數(shù)需要對(duì)Z軸進(jìn)行掃描，不僅影響了掃描速度，而且使用高精密的控制設(shè)備成本也比較高，掃描層厚也不均勻，針對(duì)這些缺點(diǎn)，我們可以在寬場(chǎng)顯微鏡的基本框架結(jié)構(gòu)上，結(jié)合多種寬場(chǎng)光切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察樣品，另外發(fā)展一套新的快速實(shí)時(shí)寬場(chǎng)顯微光切片技術(shù)。例如在顯微鏡的成像接口處加裝一套變形光柵系統(tǒng)和變焦透鏡，可以在改變一次變焦的同時(shí)獲得三層切片圖像，可大大縮短切片的時(shí)間，降低樣品長(zhǎng)時(shí)間暴露在強(qiáng)光下導(dǎo)致的光損傷，它能快速的進(jìn)行實(shí)時(shí)光學(xué)切片。這樣的一個(gè)系統(tǒng)預(yù)期可廣泛應(yīng)用于各種需要進(jìn)行實(shí)時(shí)三維斷層觀測(cè)的領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)，生物材料等領(lǐng)域，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
0 引言
從第一次近紅外光學(xué)成像運(yùn)用于嬰兒的腦功能成像研究到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年了。未來(lái)10年NIRS不斷的改良和應(yīng)用將會(huì)對(duì)我們了解發(fā)展的大腦做出重大的貢獻(xiàn)。我們相信fNIRS會(huì)在我們現(xiàn)在對(duì)于發(fā)展的大腦的皮層活動(dòng)的了解與成人大腦功能之間架起一個(gè)重要的橋梁。同時(shí)，現(xiàn)在的大量的前言語(yǔ)階段嬰兒行為研究絕大多數(shù)應(yīng)用的是注視時(shí)間范式，很大一部分發(fā)展的認(rèn)知神經(jīng)研究的水平還比較低。fNIRS允許我們解釋在人類早期發(fā)展中皮層活動(dòng)定位和行為反應(yīng)之間的關(guān)系。此外，NIRS系統(tǒng)并不昂貴，也還比較便攜，能夠允許嬰兒坐在父母的膝上一定程度的活動(dòng)，而且更重要的是血液動(dòng)力學(xué)的空間定位結(jié)果可以跟成人的腦功能fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。fNIRS是理想的研究嬰兒的工具。
神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生于神經(jīng)元細(xì)胞的電傳導(dǎo)活動(dòng)。在神經(jīng)元活動(dòng)的新陳代謝中，神經(jīng)元細(xì)胞會(huì)發(fā)生一些改變，氧消耗會(huì)顯著的增加，附進(jìn)的腦血流量和氧提供也會(huì)增加。一個(gè)典型的成人皮層神經(jīng)活動(dòng)的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)是血流中的含氧血紅蛋白的增加和一個(gè)不那么顯著的去氧血紅蛋白的減少，這些導(dǎo)致了血流中總血紅蛋白的增加。神經(jīng)影像學(xué)方法分為兩種：一種是腦活動(dòng)直接激活的觀察（EEG、MEG）；另一種是隨之發(fā)生的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)（PET、fMRI、fNIRS）。
這些技術(shù)都是建立在成年被試身上的，運(yùn)用于嬰兒被試要么是有一些嚴(yán)格的限制因素，要么干脆就不能夠運(yùn)用，也有一些運(yùn)用這些技術(shù)研究嬰兒的文章公開(kāi)發(fā)表過(guò)，①但是這些研究一般都是限制在睡著的、昏昏欲睡的年幼嬰兒被試身上。許多年來(lái)，研究清醒嬰兒的腦功能成像的首要選擇是EEG，這是一種非介入式的技術(shù)，擁有很高的時(shí)間分辨率，但是空間分辨率非常低。fNIRS的出現(xiàn)提供了研究嬰兒腦功能成像的一種新的選擇。
運(yùn)用NIRS研究嬰兒的腦功能活動(dòng)是一個(gè)增長(zhǎng)很快的領(lǐng)域。自1998年以來(lái)論文的數(shù)量每年以5倍于上年的速度增長(zhǎng)。但是早期的fNIRS研究關(guān)注的是對(duì)于基本刺激的大腦皮層的激活區(qū)域，如語(yǔ)音知覺(jué)的聽(tīng)覺(jué)區(qū)，或者是高頻閃光的視覺(jué)區(qū)，直到最近以來(lái)，研究者們才開(kāi)始關(guān)注對(duì)一些復(fù)雜刺激的多種腦區(qū)的的激活。此外，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注清醒嬰兒的編碼問(wèn)題，如客體加工、社會(huì)交往、生物運(yùn)動(dòng)加工、運(yùn)動(dòng)觀察、人臉加工。在這些研究中，fNIRS被用來(lái)定位一些特殊皮層的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，如顳上溝（注視、生物運(yùn)動(dòng)加工），眶額皮層（母親面孔、情緒感知），感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)（動(dòng)作觀察），前額皮質(zhì)（客體永恒性），枕顳皮層（動(dòng)態(tài)對(duì)象）。定位激活的皮層區(qū)域，允許被試輕微運(yùn)動(dòng)，這是用fNIRS研究人類早期發(fā)展的大腦最顯著的特點(diǎn)。
1 近紅外光學(xué)成像：基本原則和方法
這項(xiàng)光學(xué)技術(shù)中，光線從發(fā)射器中發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)皮膚、顱骨、下面的腦組織反射回接收器。②光線（波長(zhǎng)在650nm-1000nm）的衰減即取決于組織對(duì)光線的吸收，也取決于光的散射效應(yīng)。此外，含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對(duì)于近紅外光線的吸收有不同的特性，這樣，血氧水平就可以被測(cè)量了。假設(shè)散射是恒定的，那么測(cè)量出來(lái)的近紅外光線衰減的改變值就能夠用來(lái)計(jì)算含氧血紅蛋白(HbO2)、去氧血紅蛋白（HHb）、總血紅蛋白（HbT=HbO2+HHb）的值了。了解完組織中的光學(xué)路徑，HbO2、 HHb 、HbT可以用molar為單位表達(dá)出來(lái)。這種血氧蛋白的改變可以用來(lái)標(biāo)記大腦血流的變化，因此它可以為研究腦功能提供一個(gè)新方法。③
先前的研究指出，NIRS得到的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)和fMRI得到的BOLD（血氧依賴水平）是相似的。值得注意的是，不同于fMRI的BOLD數(shù)據(jù)，fNIRS可以分別測(cè)量HbO2和HHb的濃度數(shù)據(jù)。
2 嬰兒fNIRS研究的發(fā)展和應(yīng)用
嬰兒fNIRS研究相對(duì)于以成人為被試的研究會(huì)有更高的剔除率。剔除的這部分其中大概有40%是不符合要求的數(shù)據(jù)。這很大一部分可以歸因于設(shè)計(jì)這樣一個(gè)方法是困難的，它要求將一個(gè)復(fù)合的發(fā)射-接收器探頭戴到嬰兒頭上，并且要既有效又舒適。因此，很多的時(shí)間跟精力被用在改進(jìn)NIRS上，為使它成為嬰兒研究的有效工具。一個(gè)能夠用于嬰兒研究的NIRS頭套要求是它必須舒適，輕巧，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)安置完畢，必須提供在每一個(gè)通道提供穩(wěn)定的光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)。不像成人實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，在嬰兒頭上停止實(shí)驗(yàn)調(diào)整頭套，然后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)是不可能的。頭套必須能夠穩(wěn)固的固定在頭上，嬰兒任何的移動(dòng)都不會(huì)改變發(fā)射-接收器束帶的位置，這樣可以排除光學(xué)信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽跡。頭套上一系列的通道必須被一個(gè)半剛性的結(jié)構(gòu)包圍，還要有一些柔韌性使之能夠貼合頭部，同時(shí)，每個(gè)發(fā)射器和接收器之間還要維持一個(gè)固定的間隔距離。脆弱的光纖從頭套出來(lái)的時(shí)候要遠(yuǎn)離嬰兒的面部和他能夠用手夠到的距離。在戴頭套的過(guò)程中，嬰兒不能過(guò)分的搗亂（這會(huì)導(dǎo)致他們不想開(kāi)始實(shí)驗(yàn)），在記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中，頭套不能顯眼，以避免嬰兒在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中分心。
在未來(lái)，fNIRS一個(gè)可能的研究領(lǐng)域是調(diào)查個(gè)體間的差異，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，它也許可以幫助確診嬰兒身上一些典型和非典型的癥狀，看他是否有可能患上孤獨(dú)癥這種發(fā)展異常的疾病，從而對(duì)診斷和治療提供一些貢獻(xiàn)。這種臨床研究的樣本量通常會(huì)很小，因此頭套的最優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，這樣才能得到完整的光學(xué)數(shù)據(jù)，并且使剔除的數(shù)據(jù)盡量變得更少。
參考文獻(xiàn)
前言：對(duì)光電成像系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)主要涉及光學(xué)系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化。在對(duì)光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程中，涉及材料、機(jī)械和電子等多門學(xué)科。隨著科技的不斷發(fā)展，陣列探測(cè)器更新?lián)Q代的速度相對(duì)較快，為了滿足陣列探測(cè)器的發(fā)展需求，加強(qiáng)對(duì)光電成像系統(tǒng)的研究，并且對(duì)其進(jìn)行性能優(yōu)化具有重要的價(jià)值。
1.對(duì)光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化
對(duì)光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化目標(biāo)主要是對(duì)光學(xué)和電學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且提升光電成像系統(tǒng)的性能，同時(shí)降低系統(tǒng)的制作成本。在光電成像系統(tǒng)中，探測(cè)器的性能主要是由電荷擴(kuò)散、幾何尺寸和位相時(shí)鐘等因素決定。在使用的過(guò)程中，探測(cè)器的性能同樣受到環(huán)境、運(yùn)輸和溫度等因素的影響。
在設(shè)計(jì)師對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)成像倍率和瞬時(shí)視場(chǎng)角來(lái)決定光學(xué)系統(tǒng)的焦距；并且要根據(jù)信噪比來(lái)設(shè)計(jì)孔徑；同時(shí)要根據(jù)尺寸來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的視場(chǎng)角；另外，要根據(jù)使用換環(huán)境和加工難度來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳遞函數(shù)余量。在理想的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，艾里斑直徑為2.44λF，光學(xué)系統(tǒng)函數(shù)的截止頻率為1/λF，探測(cè)器函數(shù)的截止頻率為1/d，當(dāng)艾里斑直徑為1個(gè)像元時(shí)，艾里斑直徑為d，光學(xué)函數(shù)截止頻率為2.44/d。但是當(dāng)艾里斑為一個(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)明顯的缺乏采樣，繼而會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器受到一定程度的限制。當(dāng)系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的頻譜時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致成像失真[1]。
針對(duì)系統(tǒng)成像的失真問(wèn)題，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中，可以采用增加空間采樣頻率的方式來(lái)提升系統(tǒng)的分辨率。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，當(dāng)系統(tǒng)的艾里斑直徑為2個(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)同樣欠缺采樣，這種設(shè)計(jì)方式主要應(yīng)用于航空相機(jī)和空間相機(jī)，其傳遞函數(shù)相比于設(shè)計(jì)值較低。第二，當(dāng)艾里斑函數(shù)為3個(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)較為容易達(dá)到0.1，其一般應(yīng)用于中小型的光電成像系統(tǒng)。第三，當(dāng)艾里斑函數(shù)為4個(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的分辨率相對(duì)較高，適用于實(shí)驗(yàn)室等設(shè)計(jì)環(huán)境。由此可見(jiàn)，在光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中，增加系統(tǒng)空間采樣頻率的方式可以較好的提升系統(tǒng)的分辨率，進(jìn)而可以達(dá)到光電系統(tǒng)的使用性能[2]。
2 系統(tǒng)誤差對(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于涉及、制造和使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，繼而會(huì)降低傳遞函數(shù)，從而會(huì)影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。根據(jù)科學(xué)研究顯示，其影響性能的因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
2.1波像差對(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，波像差會(huì)對(duì)系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生較大的影響，而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加工環(huán)境、設(shè)計(jì)和使用等變化均可以影響波像差的變化，從而會(huì)影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。在光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其下降因子與波像差之間的關(guān)系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系統(tǒng)的波像差，單位是波長(zhǎng)，ATF（v）是函數(shù)的下降因子，表示空間頻率。當(dāng)系統(tǒng)的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125時(shí)，系統(tǒng)的下降因子會(huì)達(dá)到在最低值。因此，在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的過(guò)程中，需要對(duì)波像差和函數(shù)下降因子進(jìn)行合理的分析，以便可以保證系統(tǒng)的使用性能[3]。
2.2離焦對(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)調(diào)焦過(guò)程中出現(xiàn)誤差，對(duì)系統(tǒng)的函數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)離焦的彌散斑直徑是d的時(shí)候，離焦的函數(shù)如公式2所示：
在公式2中，MTF（u）為離焦，當(dāng)探測(cè)器像元的尺寸分別為10%d-d時(shí)，離焦函數(shù)的下降幅度越來(lái)越大。在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中，為了保證系統(tǒng)的分散率，必須將探測(cè)器的像元尺寸控制在30%d以內(nèi)，以便可以保證光電成像系統(tǒng)的使用效率。
2.3像移對(duì)函數(shù)的影響
在光電成像系統(tǒng)的使用過(guò)程中，在曝光時(shí)間內(nèi)，像在像面內(nèi)會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，從而會(huì)在一定程度上導(dǎo)致函數(shù)下降。像移主要包括線性異動(dòng)、高頻隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)的線性位移數(shù)值為d時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空間頻率，當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)器像元的尺寸分別為10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d時(shí)，像移的下降幅度會(huì)逐漸增大。
在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，光電的函數(shù)主要是由波像差、離焦和像移的乘積得到。對(duì)于光學(xué)遙感中的光電成像系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以將空間頻率設(shè)置在0.5左右，在光電系統(tǒng)加工后，其函數(shù)應(yīng)該控制在0.2左右。而系統(tǒng)最終應(yīng)用的函數(shù)應(yīng)該控制在0.1左右[4]。因此，在光電成像系統(tǒng)的使用過(guò)程中，只有設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際使用要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可以達(dá)到最佳的使用性能。
3 系統(tǒng)的平均傳遞函數(shù)
在光電成像系統(tǒng)中，光學(xué)傳遞函數(shù)在線性空間內(nèi)屬于不變的系統(tǒng)，但是探測(cè)器取樣會(huì)不斷的發(fā)生變化。在系統(tǒng)的使用中，為了滿足系統(tǒng)的使用需求，設(shè)計(jì)師可以采用平均函數(shù)的方式來(lái)表示空間頻率的變化，以便可以更好的對(duì)光電成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化。在光電成像系統(tǒng)的使用中，隨著系統(tǒng)sin函數(shù)和cos數(shù)值的不斷增加，系統(tǒng)的相位值會(huì)逐漸縮小，并且逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)理論值。在數(shù)據(jù)的使用過(guò)程中，規(guī)定相應(yīng)的相位等于0.因此，在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)該盡量的減少函數(shù)的數(shù)值，以便可以保證系統(tǒng)的分辨率。
4 系統(tǒng)的信噪比
在光電成像系統(tǒng)的使用過(guò)程中，信噪比是影響系統(tǒng)的重要指標(biāo)。在信噪比的使用過(guò)程中，主要分為紅外系統(tǒng)信噪比和光系統(tǒng)信噪比。其分別如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示紅外系統(tǒng)的信噪比，其中F為孔徑數(shù)，L為地面的輻射亮度。通過(guò)公式4，可以較好的對(duì)系統(tǒng)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。
在公式5中，Se為信號(hào)電子數(shù)，Ne為噪聲電子數(shù)，De為暗信號(hào)輸出的電子數(shù)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理的選擇信噪比的數(shù)值。
結(jié)語(yǔ)：光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系著其分辨率的大小，繼而會(huì)影響人們對(duì)光電系統(tǒng)的使用性能。希望通過(guò)本文的相關(guān)介紹，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)光電成像系統(tǒng)的過(guò)程中，可以合理的設(shè)計(jì)像移、離焦和波像差，以便可以更好的提升光電系統(tǒng)的使用性能。
參考文獻(xiàn)：
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近年來(lái)新興的活體成像技術(shù)為生物醫(yī)學(xué)研究提供了新的平臺(tái)。其可從細(xì)胞或亞細(xì)胞水平對(duì)體內(nèi)的生物學(xué)過(guò)程進(jìn)行直觀觀察和量化分析，具有操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，無(wú)創(chuàng)性，觀測(cè)結(jié)果的直觀性和連續(xù)動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[1-2]ENREF1。 相對(duì)于熒光素酶生物發(fā)光成像較強(qiáng)的特異性和高信噪比，熒光成像應(yīng)用于活體內(nèi)時(shí)因其需要激發(fā)光源而造成較強(qiáng)的背景噪音，靈敏度較低，而用于體外細(xì)胞及組織標(biāo)記具有一定優(yōu)勢(shì)。利用熒光蛋白和熒光素酶對(duì)細(xì)胞或動(dòng)物進(jìn)行雙重標(biāo)記，前者可用于體外檢測(cè)和細(xì)胞生物學(xué)觀察，后者用來(lái)進(jìn)行活體動(dòng)物體內(nèi)追蹤研究[3-4]ENREF1。本研究構(gòu)建了穩(wěn)定表達(dá)螢火蟲(chóng)熒光素酶-綠色熒光蛋白（Fluc-eGFP，DF）的人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞系，并在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，并應(yīng)用活體成像示蹤監(jiān)測(cè)標(biāo)記的乳腺癌細(xì)胞在小鼠體內(nèi)的分布、存活及增殖。
1資料與方法
1.1一般資料 細(xì)胞，質(zhì)粒和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞系購(gòu)自ATCC，人胚腎細(xì)胞系293T， Flu-eGFP慢病毒表達(dá)質(zhì)粒（圖1）由南開(kāi)大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)室惠贈(zèng)。6～8周齡健康NOD/SCID雌性小鼠，購(gòu)自北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)部，飼養(yǎng)于SPF級(jí)環(huán)境。
1.2試劑及儀器 DMEM 培養(yǎng)基，F(xiàn)luc底物luciferin，活體成像設(shè)備（IVIS 200），流式細(xì)胞儀。
1.3方法
1.3.1慢病毒的包裝 將生長(zhǎng)旺盛的293T細(xì)胞以1*106的密度接種在6孔板內(nèi)。細(xì)胞密度達(dá)到90%融合度進(jìn)行轉(zhuǎn)染。將轉(zhuǎn)染試劑和三種慢病毒包裝質(zhì)?；旌希o置20 min后加入293T細(xì)胞培養(yǎng)孔內(nèi)，4 h后添加2 ml全培養(yǎng)基，16 h后換液，換液24 h后收集病毒上清。
1.3.2慢病毒感染MDA-MB-231細(xì)胞及陽(yáng)性細(xì)胞的篩選 將231細(xì)胞以10%的密度接種在六孔板內(nèi)，加入1ml慢病毒上清，2 ml DMEM培養(yǎng)基，24 ug Polybrene。常溫下1600 r/min離心1 h。換成全培養(yǎng)基培養(yǎng)擴(kuò)增。用流式分選出GFP表達(dá)陽(yáng)性的細(xì)胞群。熒光顯微鏡觀察GFP的表達(dá)情況。
1.3.3 Fluc-eGFP標(biāo)記的MDA-MB-231細(xì)胞GFP和Fluc表達(dá)分析 利用流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)構(gòu)建的231-DF細(xì)胞系中GFP表達(dá)率。231-DF細(xì)胞消化后分別以不同梯度的細(xì)胞密度接種入6孔板內(nèi)。培養(yǎng)1 d后應(yīng)用活體成像儀檢測(cè)Fluc的表達(dá)。成像時(shí)向6孔板每個(gè)孔內(nèi)加入500 ul底物溶液（1：100稀釋），掃描時(shí)間1 s。用living imaging 軟件分析處理數(shù)據(jù)。
1.3.4小鼠皮下移植瘤模型的建立 將培養(yǎng)的狀態(tài)良好的231-DF細(xì)胞消化，制備單細(xì)胞懸液，調(diào)整細(xì)胞數(shù)為2×107/ml，用水合氯醛麻醉小鼠，100 ul上述細(xì)胞懸液注射至小鼠兩側(cè)肩部皮下。
1.3.5活體成像監(jiān)測(cè)移植瘤的生長(zhǎng)狀況 自接種第2 d起，每7 d應(yīng)用活體成像檢測(cè)接種小鼠體內(nèi)Fluc發(fā)光信號(hào)，研究移植瘤的生長(zhǎng)情況。每只小鼠成像前腹腔注射200 ml的熒光素酶底物，氣體麻醉后放入樣本暗箱內(nèi)成像，掃描時(shí)間30 s。
2結(jié)果
2.1慢病毒感染231細(xì)胞及陽(yáng)性細(xì)胞的篩選 熒光顯微鏡下觀察231細(xì)胞轉(zhuǎn)染率在80%左右。流式分選出GFP陽(yáng)性細(xì)胞群，GFP表達(dá)率在95%左右，經(jīng)傳代擴(kuò)增5次后表達(dá)率無(wú)明顯變化，見(jiàn)圖2。
2.2 231-DF細(xì)胞Fluc表達(dá)分析 在6孔板連續(xù)的5個(gè)孔內(nèi)，隨著細(xì)胞密度依次遞增，熒光信號(hào)的強(qiáng)度也依次增強(qiáng)（圖3）。說(shuō)明我們用DF標(biāo)記的231細(xì)胞表達(dá)的Fluc蛋白在體外能夠使用活體成像檢測(cè)到。以熒光信號(hào)強(qiáng)度對(duì)細(xì)胞數(shù)做一線性回歸分析（圖3），R2=0.99，表示熒光強(qiáng)度與細(xì)胞數(shù)之間存在線性正相關(guān)。上述結(jié)果提示Fluc的信號(hào)強(qiáng)度可作為測(cè)定活細(xì)胞數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。
2.3小鼠皮下接種成瘤及活體成像 NOD/SCID小鼠皮下接種經(jīng)231-DF細(xì)胞約2 w后接種部位出現(xiàn)腫瘤結(jié)節(jié)，所有實(shí)驗(yàn)小鼠均接種成功，隨時(shí)間推移，移植瘤呈圓形或橢圓形生長(zhǎng)。于接種第2 d起，成像1次/w，觀察到Fluc信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間增強(qiáng)，提示小鼠體內(nèi)移植瘤的生長(zhǎng)（圖4）。
3討論
慢病毒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)染能夠使外源性基因整合入宿主細(xì)胞基因組內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)錄沉默作用有較強(qiáng)的抵抗能力[5]，本實(shí)驗(yàn)中DF基因在MDA231細(xì)胞內(nèi)能得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的表達(dá)，可準(zhǔn)確的反映腫瘤細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生存狀態(tài)。報(bào)告基因DF表達(dá)eGFP-Fluc融合蛋白，因此可在體外以GFP篩選表達(dá)陽(yáng)性細(xì)胞群，建立穩(wěn)定細(xì)胞系。用流式細(xì)胞儀進(jìn)行GFP表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)連續(xù)傳代5次后，GFP陽(yáng)性細(xì)胞的比例維持在95%左右。融合基因的優(yōu)勢(shì)在于既可進(jìn)行活體內(nèi)成像研究、也可從體外驗(yàn)證所標(biāo)記細(xì)胞的分布和功能，結(jié)果證明，對(duì)于穩(wěn)定轉(zhuǎn)染了DF基因的細(xì)胞系，活體成像的熒光強(qiáng)度與細(xì)胞數(shù)成正比。
本研究采用慢病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)，建立了穩(wěn)定表達(dá)雙融合eGFP-Fluc蛋白的人乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞系，在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，利用活體成像監(jiān)測(cè)荷瘤小鼠體內(nèi)腫瘤細(xì)胞的存活和增殖。結(jié)果提示雙報(bào)告基因標(biāo)記技術(shù)為進(jìn)行體內(nèi)移植瘤成像提供了較大便利。可用于活體成像的小鼠皮下移植瘤模型為乳腺癌相關(guān)機(jī)制及治療研究提供了直觀，準(zhǔn)確的平臺(tái)。
參考文獻(xiàn)：
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摘要：介紹了一種新興的腦功能成像技術(shù)--近紅外光譜技術(shù)（fNIRIS），闡述了fNIRIS的基本原理及該技術(shù)在語(yǔ)言、記憶、閱讀等人腦的高級(jí)認(rèn)知中的應(yīng)用，討論近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，并對(duì)其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方面提出研究展望.
關(guān)鍵詞 ：近紅外光譜技術(shù)；認(rèn)知；大腦前額葉
中圖分類號(hào)：Q632；B842.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2015）05-0038-02
1 前言
現(xiàn)有的腦功能成像技術(shù)由于設(shè)備龐大、偽跡影響較大、造價(jià)較高等原因，不適用于研究以兒童、老人及特殊人群為研究對(duì)象的腦功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的認(rèn)知過(guò)程.然而近幾十年來(lái)新興的近紅外光譜技術(shù)（fNIRIS）是一種能補(bǔ)充上述腦功能成像技術(shù)的不足，同時(shí)也是一種能為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究提供新視角的技術(shù)，普遍被認(rèn)為具有良好的發(fā)展前景.該技術(shù)具有價(jià)錢便宜、容易攜帶和移動(dòng)、沒(méi)有噪音污染、對(duì)被試無(wú)創(chuàng)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被試動(dòng)作不影響實(shí)驗(yàn)效果等優(yōu)點(diǎn).本文主要介紹近紅外光譜技術(shù)的基本原理；縱觀該技術(shù)在自然情境下，如何研究語(yǔ)言、記憶、閱讀等人腦的高級(jí)認(rèn)知；并討論近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足.
2 近紅外光譜技術(shù)的基本原理
2.1 近紅外光譜技術(shù)的生理學(xué)原理
近紅外光譜技術(shù)以生物組織光學(xué)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合光在組織中的傳播規(guī)律，探究在生物組織中經(jīng)過(guò)散射、吸收等一系列過(guò)程后的出射光攜帶的生化信息，研究目標(biāo)是找到生物組織中的吸收色團(tuán)，如氧合血紅蛋白（HbO2）、脫氧血紅蛋白（Hb）等濃度的定量測(cè)量方法，為臨床和研究提供方便可靠的監(jiān)測(cè)指標(biāo).近紅外光譜技術(shù)旨在探求組織表面下數(shù)毫米的組織光學(xué)特性.在生物組織中,光子會(huì)歷經(jīng)數(shù)千次的彈性散射事件與數(shù)次源于吸收發(fā)色團(tuán)的吸收事件,而兩種組織中主要的吸收發(fā)色團(tuán)為HbO2和Hb,二者在600nm到900nm的光譜范圍中擁有截然不同的吸收光譜.近紅外光譜技術(shù)可以依據(jù)對(duì)所測(cè)量的HbO2和Hb濃度準(zhǔn)確定位測(cè)量點(diǎn)所在位置的局部腦活動(dòng)，這樣就可以根據(jù)在進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)HbO2和Hb的濃度相對(duì)變化，推知那些腦區(qū)參與認(rèn)知活動(dòng)，及這些腦區(qū)之間的關(guān)系.所以，研究人員可利用近紅外光譜技術(shù)研究腦高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制.
2.2 近紅外光譜技術(shù)的測(cè)量指標(biāo)
近紅外光譜技術(shù)能測(cè)兩種濃度變化：一種是測(cè)量腦認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程中相關(guān)腦區(qū)中脫氧血紅蛋白濃度以及氧合血紅蛋白的濃度發(fā)生的變化趨勢(shì)；還有一種則是測(cè)量腦認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程中腦區(qū)總血紅蛋白濃度變化.研究人員在統(tǒng)計(jì)相關(guān)指標(biāo)時(shí)常常使用的是氧合血紅蛋白指數(shù)、脫氧血紅蛋白指數(shù)以及總血紅蛋白指數(shù)這三種數(shù)據(jù).[1]
2.3 近紅外光譜技術(shù)的儀器構(gòu)成
腦功能近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)主要由柔性探頭、測(cè)控模塊和計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成.測(cè)控模塊由計(jì)算機(jī)事先設(shè)定的時(shí)鐘控制頻率.近紅外光是從柔性探頭上的四個(gè)光源發(fā)出的，光源是利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)由光源驅(qū)動(dòng)單元依次點(diǎn)亮的.儀器工作時(shí)，特定波長(zhǎng)的近紅外光照射在待測(cè)生物組織上，光信號(hào)經(jīng)過(guò)生物組織衰減后被探測(cè)器接收，然后在探測(cè)器中進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和信號(hào)的放大.經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波等處理前端模擬信號(hào)經(jīng)USB接口輸入到計(jì)算機(jī)中.然后由計(jì)算機(jī)即時(shí)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出血氧濃度隨組織活動(dòng)的變化并呈現(xiàn)在界面上，由此可推測(cè)出相關(guān)組織區(qū)域的活動(dòng)強(qiáng)弱.[2]
3 近紅外光譜技術(shù)在高級(jí)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的運(yùn)用
3.1 近紅外光譜技術(shù)在工作記憶研究中的應(yīng)用
華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)展開(kāi)了關(guān)于各種腦功能的研究.如采用n-back作業(yè)范式研究工作記憶中大腦前額葉的活動(dòng)情況.我們都知道，工作記憶的作用在于初步加工和短暫存儲(chǔ)被激活信息，以備進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)記憶或提取等，其對(duì)完成學(xué)習(xí)、語(yǔ)言理解及問(wèn)題解決等腦的高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)十分重要.由于工作記憶的中央執(zhí)行系統(tǒng)中的信息執(zhí)行控制過(guò)程十分難理解，內(nèi)容包括計(jì)劃、注意、任務(wù)及監(jiān)督管理等各種認(rèn)知成分，這些不同功能很難在大腦功能的影像中嚴(yán)格分開(kāi).研究利用fNIRIS系統(tǒng)，采用言語(yǔ)性n-back作業(yè)范式，監(jiān)測(cè)被試在執(zhí)行言語(yǔ)性n-back任務(wù)時(shí)前額葉皮層的激活情況，并分析被試行為表現(xiàn)及腦激活數(shù)據(jù).[3]另外他們還研制了一種更實(shí)用的三波長(zhǎng)近紅外腦功能光學(xué)成像系統(tǒng)，從而考察被試行為表現(xiàn)及前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)，進(jìn)而研究較高記憶任務(wù)條件下，被試前額葉腦區(qū)激活情況對(duì)其行為表現(xiàn)的影響.一系列的研究結(jié)果表明，被試前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)顯著：前額葉皮層激活腦區(qū)具有典型的激活模式，被試的錯(cuò)誤判斷引起額外的前額葉皮層激活；前額葉皮層活動(dòng)的功能側(cè)化現(xiàn)象顯著，記憶負(fù)荷越大，側(cè)化指數(shù)越??；較高記憶負(fù)荷下，被試激活腦區(qū)活動(dòng)程度與其行為參數(shù)之間存在著規(guī)律性聯(lián)系.隨著近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展及其在工作記憶方面的研究應(yīng)用，利用近紅外光譜技術(shù)得到的研究結(jié)果必將為工作記憶的腦機(jī)制的研究提供更加科學(xué)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為不斷加深對(duì)工作記憶的認(rèn)知加工過(guò)程的研究做出更多的貢獻(xiàn).
3.2 近紅外光譜技術(shù)在自然情境下認(rèn)知過(guò)程研究中的應(yīng)用
由于近紅外光譜技術(shù)的設(shè)備較小，輕便，能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)測(cè)量，并且被試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)作對(duì)腦成像影響不是特別明顯，因此適合研究自然情境下認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制.如Nagamitsu等人采用近紅外光譜技術(shù)研究被試在觀看視頻游戲時(shí)大腦局部血容量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求被試玩巧妙的游戲.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在玩游戲過(guò)程中五個(gè)成人被試中有四個(gè)被試的大腦雙側(cè)前額葉的總血紅蛋白濃度上升顯著；七個(gè)兒童被試中有兩個(gè)被試大腦雙側(cè)前額葉的總血紅蛋白濃度顯著下降.研究結(jié)果表明，大腦前額區(qū)氧合血紅蛋白和雙側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)氧合血紅蛋白的濃度呈顯著正相關(guān)[4].近年來(lái)，研究者不斷采用fNIRIS研究大腦前額葉在睡眠、和倫敦塔任務(wù)等自然情境中的變化，取得了一系列重要的結(jié)果.并且研究者還將此技術(shù)用于研究模擬駕駛、電子游戲、教育及咨詢情境中的大腦的認(rèn)知活動(dòng)研究.近年來(lái)，近紅外在便攜、無(wú)傷害性等方面的發(fā)展成熟，為在自然情境中研究大腦認(rèn)知活動(dòng)機(jī)制提供了有效的技術(shù)手段.隨著近紅外光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，日常生活狀態(tài)下人們認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制將越來(lái)越能被腦功能成像的結(jié)果所解釋[5].
3.3 近紅外光譜技術(shù)在發(fā)展性閱讀障礙研究中的應(yīng)用
發(fā)展性閱讀障礙是一種較常見(jiàn)的學(xué)習(xí)障礙現(xiàn)象.發(fā)展性閱讀障礙的兒童通常有與正常兒童水平相當(dāng)?shù)闹橇Γ麄兿碛泄餐慕逃龣C(jī)會(huì)，但是前者的閱讀水平顯著落后于后者.以往研究中，其它功能監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)閱讀障礙兒童大腦功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)果各有不同.鑒于此研究者采用fNIRIS設(shè)計(jì)了恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)范式，以漢語(yǔ)閱讀障礙兒童為研究對(duì)象，研究其大腦皮層活動(dòng)在進(jìn)行漢字語(yǔ)音和語(yǔ)義加工時(shí)與正常兒童的差異.研究結(jié)果表明漢語(yǔ)閱讀障礙兒童在執(zhí)行漢字閱讀任務(wù)時(shí)，左前額葉皮層中血容增加的區(qū)域明顯小于正常兒童，且血容增加的幅度較正常兒童低.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為閱讀障礙的神經(jīng)生理學(xué)研究提供了可靠證據(jù).[6]
目前隨著光電技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近紅外光譜技術(shù)在大腦功能活動(dòng)的監(jiān)測(cè)上得到了進(jìn)一步的發(fā)展.不僅如此，在研究嬰兒大腦方面，由于其大腦發(fā)育尚未完全、體積較小、幾何結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、光學(xué)特性參數(shù)也比成人腦有規(guī)律，便于研究，因此近紅外光譜技術(shù)在研究對(duì)嬰兒大腦的發(fā)育與發(fā)展方面也十分有效.另外一些研究者使用近紅外光譜術(shù)研究語(yǔ)音識(shí)別時(shí)被試皮層的活動(dòng)，都得到了一些重要的發(fā)現(xiàn).
4 近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足
4.1 近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
在現(xiàn)有的腦功能成像技術(shù)中，腦電技術(shù)（EEG）和事件相關(guān)電位技術(shù)（erp）雖然有著較高的時(shí)間分辨率，但是它們的空間分辨率卻較低，并且溯源分析困難.而fMRI和PET等雖然空間分辨率能夠滿足需要，可是它們又滿足不了對(duì)時(shí)間分辨率的要求.但是近紅外光譜技術(shù)卻能兩者兼顧，基本能滿足研究者對(duì)時(shí)間分辨率和空間分辨率的要求.另外近紅外光譜技術(shù)還有靈活、易用、成本低和沒(méi)有侵入性的優(yōu)點(diǎn)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦區(qū)認(rèn)知活動(dòng)在自然情境中的情況，還可以同時(shí)與EEG、fMRI、PET等其他腦功能成像技術(shù)研究手段進(jìn)行測(cè)量，并且互不干擾.還能用于對(duì)大量被試進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn).近年來(lái)在近紅外光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域[7].
4.2 近紅外光譜技術(shù)的不足
作為一種剛剛發(fā)展起來(lái)的腦功能成像技術(shù)，近紅外光譜技術(shù)存在許多的不足有待改進(jìn).主要不足是定位能力較差，不能覆蓋全腦，探測(cè)深度有限.同時(shí)近紅外光譜技術(shù)在空間分辨率方面還不夠完善，因此大多數(shù)研究者采用近紅外光譜技術(shù)時(shí)只報(bào)告血氧的變化，通常不報(bào)告空間分辨率.這些不足還有待在今后的研究中改進(jìn).
5 結(jié)語(yǔ)與展望
在近幾十年里，近紅外光譜技術(shù)在研究大腦高級(jí)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制中顯示出越來(lái)越明顯的優(yōu)勢(shì)，采用近紅外光譜技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也越來(lái)越多的發(fā)表在很多高水平的雜志上.近紅外光譜技術(shù)開(kāi)辟了大腦研究的新領(lǐng)域和腦功能成像研究的新方向，必將使人們深入的了解大腦功能.近年來(lái)功能性近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)取得了美國(guó)藥物和食品管理局的認(rèn)證，并且已在新生兒語(yǔ)言加工的研究、語(yǔ)言和認(rèn)知發(fā)展、認(rèn)知切換能力等各個(gè)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中得到了普遍的應(yīng)用[8].當(dāng)然近紅外光譜技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展與完善，但隨著這項(xiàng)新技術(shù)的不斷改進(jìn)，其在心理學(xué)各領(lǐng)域的研究將會(huì)不斷加深，應(yīng)用范圍也將會(huì)不斷擴(kuò)大，近紅外光譜技術(shù)在腦功能研究領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值將不可估量.
參考文獻(xiàn)：
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檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迎來(lái)革命性創(chuàng)新機(jī)遇
很多患者覺(jué)得身體不舒服，前往醫(yī)院就診，要準(zhǔn)確找到病因可能需要做很多檢查，如X光、CT、核磁共振等一系列放射檢查，B超、彩超等超聲檢查，還有抽血化驗(yàn)、病理學(xué)活檢等等?；蛟S，在將來(lái)的一天，我們只需要用一種檢查就能快速準(zhǔn)確地給出結(jié)論。
據(jù)介紹，基礎(chǔ)科學(xué)的飛速發(fā)展，極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)疾病診斷水平的提高，使現(xiàn)在的疾病診斷越來(lái)越迅速準(zhǔn)確，診斷成本越來(lái)越低廉。盡管如此，目前患者要確診大部分疾病仍然需要通過(guò)醫(yī)學(xué)檢查才能確診，并有較長(zhǎng)的等待結(jié)果時(shí)間。為了準(zhǔn)確查出各類常見(jiàn)、不常見(jiàn)、甚至罕見(jiàn)疾病，西南醫(yī)院僅檢驗(yàn)科就有1000多個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目。
“放射科、檢驗(yàn)科、超聲科、病理科??????這么多的檢測(cè)手段、檢驗(yàn)人員、設(shè)備試劑，都是對(duì)患者有用且必須的，但是很多科學(xué)家都有一個(gè)科幻的想法，我們能不能讓檢驗(yàn)更簡(jiǎn)單更一站式？”西南醫(yī)院檢驗(yàn)科主任、973項(xiàng)目首席科學(xué)家府偉靈形象地比喻，如果說(shuō)一站式檢驗(yàn)是科幻電影，現(xiàn)在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)科學(xué)家做的事情，就是為這個(gè)科幻情節(jié)找理論依據(jù)和前提條件，先要有想法，未來(lái)才會(huì)有實(shí)現(xiàn)的可能。
本次973太赫茲技術(shù)研究項(xiàng)目，就是期望通過(guò)物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等各學(xué)科頂尖科學(xué)家的共同攻關(guān)，讓科學(xué)家在生物醫(yī)學(xué)微觀和宏觀領(lǐng)域最終解釋各種生命現(xiàn)象，為疾病的診斷、治療、評(píng)估、監(jiān)測(cè)和預(yù)警及后續(xù)藥物設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和評(píng)價(jià)帶來(lái)革命性改變。
太赫茲波技術(shù)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛
“相較于現(xiàn)有醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，太赫茲波光譜成像技術(shù)具有更獨(dú)特、更適用的物理特征?！备畟レ`說(shuō)，由于太赫茲波具有反應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的指紋特性，并且光子能量低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于X射線能量，不會(huì)對(duì)生物大分子、生物細(xì)胞和組織產(chǎn)生有害電離，特別適合于對(duì)生物組織進(jìn)行活體檢查。
醫(yī)院檢驗(yàn)科教授黃慶介紹，與現(xiàn)有X光、核磁共振等檢測(cè)手段相比，太赫茲波的最大特點(diǎn)是能將檢測(cè)細(xì)致到細(xì)胞級(jí)別。
“如果把X光等檢測(cè)方法和太赫茲比作不同型號(hào)的相機(jī)，那么太赫茲就具有像素更高、快門速度更快的優(yōu)勢(shì)?！秉S慶說(shuō)，像素更高是由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高。又由于它發(fā)出脈沖的時(shí)間很短（皮秒量級(jí)），所以具有很高的時(shí)間分辨率，時(shí)間分辨率就相當(dāng)于快門速度。
另外，太赫茲與X光等現(xiàn)有檢測(cè)方式相比，輻射劑量幾乎為零，對(duì)人體傷害非常小。
據(jù)介紹，太赫茲波是頻率在0.1～10THz的電磁波，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的波段。國(guó)際上，太赫茲生物醫(yī)學(xué)研究隨著歐盟2000年設(shè)立的國(guó)際聯(lián)合項(xiàng)目“THz-Bridge”正式啟動(dòng)。美國(guó)政府將太赫茲技術(shù)評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，日本將其列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，并將生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用列為主要方向之一，歐洲也連續(xù)10年將生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用作為首要研究方向。
太赫茲-檢測(cè)醫(yī)學(xué)（THz-LabMed）是當(dāng)前受到極大重視，涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、信息和材料等多學(xué)科的綜合交叉前沿學(xué)科，是以生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)診斷應(yīng)用為目的，采用太赫茲（THz）波技術(shù)無(wú)標(biāo)記、無(wú)損檢測(cè)生物大分子、生物細(xì)胞和組織醫(yī)學(xué)和物理交叉的新學(xué)科?；赥Hz波技術(shù)的THz-LabMed是我國(guó)與全球同步開(kāi)展的THz-BioMed研究領(lǐng)域，可以從新的視角為檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)提供分子、細(xì)胞和組織偵檢的革命性科學(xué)手段，形成檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)優(yōu)勢(shì)新學(xué)科和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
以乳腺癌和神經(jīng)膠質(zhì)瘤為初期研究對(duì)象
