扩散光层析成像

扩散光学层析成像又称漫射光学层析成像（Diffuse Optical tomography or Optical Diffusion Tomography, DOT/ODT）是一种面向厚组织体的利用近红外光（600-900nm）照射获得的三维功能成像方法，其目标是通过发展高灵敏的近红外光子检测仪器和基于生物组织光子输运模型的图像重建技术，从多点激励下表面扩散光的时间、空间和光谱分布测量信息中反演组织体内部光学特性参数的三维分布，并使之与该组织的生理状态(血红蛋白浓度及氧饱和度等)相关联。

基本介绍

中文名：扩散光学层析成像
外文名：Diffuse Optical tomography or Optical Diffusion Tomography, DOT/ODT

扩散光的定义

在近红外光学视窗内（600-900nm），大多数的生物组织体可被视为高散射、低吸收的媒质，根据组织体中光传播的物理过程，可将透过生物组织的光分成三种类型：弹道光、蛇行光和扩散（漫射）光，如图1所示。近红外光通过厚组织体后遭遇多次散射，从而失去了原来的方向性、偏振性、相干性，这些经过组织体多次散射才出射的光被称为扩散光。

图1 準直光脉冲在组织体中传播过程及出射光分类

扩散光层析成像的主要原理

根据图1所示的出射光分类，成像技术也被分为早期到达光成像和扩散光成像。由于早期到达光在组织中近似直线传播，因此携带了较好的空间分辨和对比度的信息，但早期到达光成像技术一般只适合于薄层散射媒质（大约1～5毫米）。

扩散光层析成像是已获得广泛套用的近红外组织光谱技术( Near Infrared Spectroscopy, NIRS) 的空间分辨实现，完整的DOT方法包括：光子输运模型（正问题）、图像重建技术（逆问题）和扩散光测量系统等三个主要部分。

（1）光子输运模型（正问题）：扩散方程（Diffusion Equation, DE）是扩散层析成像常採用的输运模型，由于扩散方程的解析解只可在规则几何形状和均匀光学参数分布的组织域条件下获得，而对DOT中通常涉及的是複杂几何形状和不均匀光学参数分布下组织体，因此通常採用扩散方程的数值求解法，例如有限元方法。

（2） DOT图像重建即为逆问题（inverse problem）：其正式定义为：给定组织体表面光源的时-空分布及与此对应的传输光测量量之时-空分布，基于特定的光子传输模型，求解组织体内的光学参数三维分布。DOT成像的任务是同时重建组织域内所有光学参数的分布，而在套用中则常假定其中一个或两个参数分布(通常是折射率)为已知常数以简化问题的求解，也就是通常只是重建吸收係数和约化散射係数。若不考虑随机噪声效应，则图像重建可由非线性最小二乘最佳化问题表示，其中较常用的例如基于正向模型线性化的图像重建技术-Newton-Raphson法。

（3）扩散光测量系统：

与X射线CT类似，DOT的实现需要测量多点激励（广义地视为多角度扫描）下表面其它各点的光流分布（广义地视为投影），可採用光纤直接接触式或空间光进行光的投射和接收。目前扩散光测量系统主要有三种模式：时间分辨测量模式、连续光测量模式和频域测量模式。

套用与发展前景

虽然DOT在空间解析度方面无法与X射线，超声和磁共振等常规结构成像方法相匹敌，但在对组织功能变化的灵敏性、特异性和动态性、以及使用的安全性、便携性和性价比等方面具有明显的优势。近年的研究成果表明，近红外扩散光学检测技术具有极大的实际套用潜力，重要套用包括：

（1）光学乳腺成像术（optical mammography）----乳腺肿瘤的早期诊断

由于癌变组织具有明显的血管化特徵，从而相对正常组织呈现较强的光吸收特性；同时，癌变组织较良性组织呈现相对低的氧饱和度。两者结合不仅有助于检测恶性肿瘤，而且有潜力区分良性和恶性病变以及甄别病变发展的程度。以上生理表现以及乳房组织相对均匀的低吸收特性使得光学乳房成像术有望成为DOT技术最先临床套用的领域。美国国立卫生研究院（NIH）已对世界上从事光学乳房成像术研究的几个主要研究实验室进行了连续高强度的资助；欧盟则赞助推出了一个称为“Optimamm”的光学乳房成像术研究联盟；美国Imaging Diagnostic System公司、飞利浦公司、义大利米兰大学、天津大学等发展了基于扩散光层析成像的乳腺癌检查系统。

（2）新生儿大脑供氧状况及血氧动力学观测

围产期缺氧-缺血性脑损伤和脑血肿是引起早产或新生儿神经伤疾后遗症的主要原因，这是两个临床处理手段完全相反的病护过程，早期诊治至关重要。虽然人们正在开发新的人工介入技术以尽力减缓由此引起的严重体智残障，但目前尚无有效手段及时、準确地诊断髮病的致因（缺血或血肿），以及实现连续监护以评估损伤程度和介入治疗方法的有效性。从另一角度看，脑组织的各种生理异常，如血肿，脑室溢血（IVH），局部缺氧和缺血等，均表征为光学参数的明显变化，因而非常适于採用无创的光学检测方法。基于多点测量的DOT技术将可进一步提供有关生理异常变化的準确位置和定量信息，从而不仅能够评估损伤级别和监视人工介入治疗的效果，而且通过连续监测有潜力判定异常发生的起因和方位。

（3）脑成像

DOT套用于脑成像主要集中在脑功能成像和中风的诊断两方面。目前脑功能成像研究的主要手段是功能磁共振成像（functional MRI, fMRI），但该模态只能间接测量总的血红蛋白浓度的变化，近红外光学成像方法则能够直接同时地提供氧合血红蛋白和还原血红蛋白变化信息，因而在脑功能研究中作为一项新兴技术而倍受关注。由于穿透深度的限制，光学方法尚不具备全脑成像能力，现实的实现是採用所谓的拓扑成像方法研究大脑皮层各调控区的应激反应过程。

（4）萤光分子层析成像

萤光分子层析成像是DOT的一个拓展。随着基因病理学研究的深入、基因和蛋白质高通量筛选技术的广泛套用以及组合化学技术的成熟，人们逐渐能够準确辨识与特种疾病关联的异常基因及其表达蛋白模式，进而设计和合成具有靶分子绑定或激活功能的特异萤光探针，萤光成像的套用也从一般的对比度增强功能迅速延伸至生物医学研究的分子层面，如基因表达模式描述、蛋白质功能剖析、细胞生理通道辨明、以及蛋白质相互作用测定等。迄今已广泛採用诱导发光蛋白、感应蛋白嵌合体、有机萤光染料和纳米萤光量子点等多种萤光探针，通过测量萤光强度、共振能量转移和寿命等萤光特性参数，研究生物体内的生化反应过程及其微环境特徵。近年来，近红外靶标萤光造影剂、感应萤光底物和红偏移光蛋白等具有较高组织穿透力的萤光探针技术获得了长足的发展，萤光成像技术开始用于小动物模型内部特异生物大分子活动规律的在体跟蹤和测量。

（5）内窥DOT

将DOT与内窥技术结合从而实现具有体内器官深部组织功能信息层析能力的新型医用内窥镜也是DOT技术一个极具套用前景的新领域，其套用例如宫颈癌的检查和前列腺癌的检查等。

扩展阅读

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