醫學成像在醫學診斷中有著重要的作用,有助于人們觀察生物組織,了解材料結構,它的發展是物理、數學、電子學、計算機科學和生物醫學等多門學科相互結合的結果。目前,各種醫學成像技術不斷發展,常用的醫學成像方法有:(1)超聲波醫學成像;(2)X 射線計算機層析成像;(3)放射性同位素成像;(4)核磁共振醫學成像。
各種成像技術由于不同的工作原理,決定了其不同的功能特點、不同的適用范圍和局限性.
為了進一步提高成像分辨率,降低對人體的損害,需要發展更有優勢的成像技術,而光學成像技術以其非侵入性、低成本等特點成為了一個重要的研究方向。
1 生物組織中的光學成像研究
在生物醫學等領域中,混濁介質(生物組織)特性的研究是一個很重要的方向,這就需要發展相應的技術應用于對它的研究。隨著激光技術、光電子技術與光子學的發展和逐步完善,光學技術在混濁介質特性的研究中正顯現出其優勢,特別在生物醫學中的應用,光與生物組織相互作用的問題,尤其是光波在生物組織中的傳輸與分布引起人們的廣泛關注,并且出現了一個以光子學和生命科學相互融合和促進的學科分支-生物醫學光子學,主要包括利用光子來研究生命的生物光子學和為了探索導致疾病的規律而研究醫學診斷和治療的新方法的醫學光子學。其中醫學光子學的理論基礎為光在生物組織中的傳播規律,研究內容主要有醫學光譜技術、醫學成像、醫用半導體激光及其應用。隨著對光在生物組織中傳播規律的深入研究,各種用于醫學成像的光學技術不斷出現,光學成像技術在生物醫學領域展現出巨大優勢。
由于生物組織是高散射的介質,光與生物組織的作用機理復雜,不僅與光波的特性有關,而且與生物組織的結構、物理化學及生物特性有關,所以要研究生物組織中的成像,首先要對光在散射介質中的傳播特性進行分析。光在散射介質中傳播時,存在吸收和散射,其中吸收是因為組織內部原子和分子不同能級間的電子躍遷產生的,散射是因為組織中的結構折射率的改變造成的,并且組織的散射和吸收導致探測光的光強沿探測深度指數衰減,導致有用信號被噪聲所湮沒,為此,需要設法將有用信號從噪聲中提取出來,目前主要有兩種方法:一類是從“雜亂無章”的光子中挑選出能直接成像的光子,從而產生了各種門技術,使得能直接用于成像的光子與噪聲背景光子相分離;另一類則相反,探測組織在不同方向的所有散射光子,然后借助光的傳播模型,通過合適的算法在時域或頻域內進行逆向圖像重建,從而得知物體的位置和性質。
在散射介質中傳播的光子根據受散射的次數可以分為沒有經過散射的彈道光子,少數散射的蛇行光子和多次散射的漫射光子。彈道光子保留了入射光子的大部分特征,傳播方向與入射光相同,通過生物組織的光程最短,攜帶生物組織的信息最多,蛇行光子保留了入射光子的一些初始特征,攜帶部分生物組織內部結構的信息,傳播軌跡比彈道光子長,而漫射光子丟失了大部分的入射光的初始特征。經過散射介質后彈道光子最先到達探測器,然后是蛇行光子和漫射光子。門技術就是將可以直接用于成像的彈道光子和蛇行光子與漫射光子相分離的技術。
時間門技術依據光子經過散射介質后到達探測器的時間不同而加以區分,彈道光子和蛇行光子到達的時間早,而漫射光子到達的時間晚,由時間門的選通作用達到濾除漫射光子的目的。
空間門技術利用對漫射光子方向性的限制進行濾波,共焦顯微成像和傅立葉空間濾波就是兩種常見的空間門技術。
相干門技術利用彈道光子和蛇行光子保持了入射光子的相干性,能夠與從原入射光中分離出來的參考光束相干涉,而漫射光子卻不能與參考光束相干涉,從而提取出帶有介質信息光子的成像方法,達到了濾除漫射光子的目的。
偏振門則利用了彈道光子保持了入射光子的偏振態,而漫射光子是隨機偏振的特點,用來濾除漫射光子。
為了獲得更高的分辨率,上述各種門技術通常是綜合在一起運用的。如空間門技術不能濾除入射光前進方向上的散射光子,而將空間門技術與時間門技術結合,就可以很好的解決這個問題。
基于各種門技術的成像技術中,光學相干層析成像是一項新興的光學成像技術,當從散射介質中返回的光與參考光的光程差在光源的相干長度范圍內則發生干涉,否則不能發生干涉,從而把帶有被測樣品信息提取出來進行成像,它可以實現對生物組織高分辨率的非侵入層析測量,具有廣泛的應用前景。
2 結語
光學成像技術以其非接觸性和無損傷、及高靈敏度、高分辨率等優越性,在生物醫學等領域有著重要的應用價值和廣闊的發展前景。
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