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时间分辨分光光度法
时间分辨分光光度法-用光进行生物成像
【1】简介

随着探测器技术、激光技术和计算机技术近期的巨大进展,运用具有活体高透性的近红外光生物成像现在成为了国内外宽领域研发的重点。 该领域叫做扩散光层析成像,可以提供活体的三维图像。*1

【2】 光学成像原理

在可见光到红外光谱范围内,组织内的血液(血红蛋白)和水分对光有很高的吸收性。然而,在700nm到1000nm波段内,血液和水分对光吸收相对较少,因此次波段可以作为活体组织的光学窗口(图1)。 运用该特性可以进行很好的投射成像,甚至对较大体积的身体器件(比如胸部)也有很好的效果。把分光光度技术结合到这一光谱范围,使得获取组织内氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白等生理学信息成为可能。

图1:活体组织内主要物质的吸收光谱
【3】 运用时间分辨光谱测定法的成像技术*2

既然光在活体器官中往往会发生巨大的分散,一般的X光CT(计算机断层扫描)的图像重建算法不适用于扩散光层析成像。而且,确定光入射点到光探测点的光程也不是一件容易的事。这使得基于比尔–朗伯定律来量化吸收物质的浓度变得很困难。 为了解决这个问题,我们研发了测量此光程的技术,该技术发出脉冲光进入活体组织,然后通过时间分辨光谱学(TRS)来捕获扩展脉冲的状态。

【4】光学乳房照相术*3

扩散光层析成像技术的一个应用就是光学乳房照相术(光的乳房肿瘤成像), 此应用基于光谱分析提供多种测量信息,在非入侵和安全诊断的同时,还允许同时进行超声诊断和MRI等其他形式的诊断。

图2显示了一款我们正在研发的光学乳房照相系统。该系统的探测单元运用时间分辨测量技术,从乳房光学吸收特性中运用时间(距离)信息提取三维断层图像。测量腔为128mm直径的半球,其壁上有46个用于发光和探测的光纤。腔壁和乳房之间的间隙充满了光学界面液(图3),而且该腔的所有面积都用于测量, 与测量目标的乳房大小无关。一个波长可调的超短脉冲激光器作为光谱测量的辐照光源,一个光开关来选择不同的辐照点,以获取投影数据。

图2: 光学乳房照相原型 图3:测量腔


经大学伦理委员会允许,滨松医科大学校医院进行了临床研究。 到目前为止,其获取的光学乳房照相图像已经产生了很多乳房肿瘤的照片,即如图4所示的吸收了大量光的区域。

(a) MRI对比度图像 (b) 光学乳房照相图像
图4:硬性癌症的MRI对比度图像和光学乳房照相图像(右A区域为3.5x2.7x2.1 cm)


在一个手术之前进行了化学疗法的病例上,我们可以从图5上清楚地看到治疗的成果:在化学疗法之前,有一块明显的光吸收肿瘤区,在化学疗法后, 该肿瘤区完全消失。

(a) 化学疗法之前 (b) 化学疗法6个月之后
图5:化学疗法之前和之后的光学乳房照相图


上所示的系统仅仅是此项研发的一个例子。已经有大量关于光学乳房照相的报告,其中包括常监控设备(constant monitoring equipment)。 当光学乳房照相与已经在用的成像设备结合,通过多模态会提供更高的灵敏度,具有很大的益处。 同时,它也可能作为一种枕边的运用光谱信息进行新陈代谢测量的装置。


RDOT显示了在玩电子游戏时大脑额叶内血红蛋白浓度分布的变化。(从左到右) 氧合血红蛋白,脱氧血红蛋白,总血红蛋白。
图片显示了实验室内RDOT大脑测量以及一些典型结果。
参考文献
1) D. R. Busch and B. Chance. Molecular Imaging: Principles and Practice, Ed. Brian Ross,
chapter Diffuse Optical Tomography and Spectroscopy. BC. Decker Inc., 2009.

2) Y. Tsuchiya : Photon path distribution and optical responses of turbid media: theoretical analysis
based on the microscopic Beer-Lambert Law, Phys. Med. Biol. 46, 2067-2084, 2001.

3) Y. Ueda., et al. : Time-resolved Optical Mammography and Its Preliminary Clinical Results,
Technology in Cancer Research and Treatment, 10 (5), 393-401, 2011.

4) Y. Ueda., et al. : Reflectance Diffuse Optical Tomography: Its Application to Human Brain Mapping,
Japanese Journal of Applied Physics, 44, 38, L1203-L1206, 2005.