扩散光学成像助力高质量生物医学成像

扩散光学成像助力高质量生物医学成像

扩散光学成像是一种利用组织吸收和散射的扩散光进行成像的技术，具有无创、无标记、宽场、定量测量等特点，在生物医学成像领域具有广泛的应用前景。本文将详细介绍扩散光学成像的基本原理、常见技术及其应用，并探讨其未来的发展方向。

扩散光学成像利用经组织吸收和散射的扩散光进行成像，可无创、无标记、宽场、定量测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、血氧、水分、脂质、黑色素等成分浓度和组织功能信息，在安全性、特异性和系统成本等方面有明显优势，是生物医学成像领域的研究热点。

封面解读
本封面以无标记非接触人体组织定量成像为突出要点。以正弦变化的光照暗指对人体组织的漫射光学测量。环绕在人体四周的组织测量图像暗示了在当今使用光子作为探测载体已经成为最具潜力的研究方向。背景上无限延伸的管路也表示着漫射光学成像不仅在未来的研究道路上充满了未知，需要研究人员披荆斩棘、深入探索，还暗示了漫射光学成像技术在未来有着广泛的应用前景。

扩散光学成像原理简介

光在组织中的传输过程如图1所示。组织中的光主要可分为三种类型：扩散光、蛇形光和弹道光。基于扩散光进行成像的方法称为扩散光学成像，也称漫射光学成像。

图1 三种光传输类型

辐射传输理论作为各种扩散光学成像技术的理论基础，它假设光能量以粒子的形式在介质中传播，讨论光经过介质内部与吸收子（absorber）、散射子（scatterer）发生作用的传输问题，利用数学模型（辐射传输方程）描述光能量在介质中的分布及出射情况。根据光照明和信号特征的不同，扩散光学成像分为三种模式，分别是连续波、频域和时域模式。图2为不同成像模式的入射及出射光示意图。

图2 扩散光学成像的三种模式。其中I0为入射光信号，I为出射光信号，μa为吸收系数，μ's为约化散射系数。(a)扩散光学光传输示意图；(b)连续波模式；(c)频域模式；(d)时域模式

常见技术及应用

血氧仪

血氧仪结构通常包括发光二极管、光电探测器、微处理器和显示单元。根据探测器采样方式不同，血氧仪可分为透射型和反射型两种，如图3所示。临床常用的血氧仪多为透射型脉搏血氧仪，采用双波长透射式探头，探头的一侧为两个发光二极管，光透过手指、脚趾、耳垂等部位，在探头的另一侧为光电探测器接收透射光，根据不同波长的探测光强进而计算血氧饱和度。反射式血氧仪的光源和探测器位于组织同侧，可应用于测量较厚的组织；此外，内窥型反射式血氧仪可用于食道、咽、气管等部位的血氧检测。

图3 两种不同模式脉搏血氧仪示意图。(a)透射式；(b)反射式

目前血氧仪依然存在血流灌注较低时脉搏波不明显、容易受到监测部位运动干扰以及由于年龄、肤色、性别、个体差异引起检测误差较大等问题。因此，提升血氧仪的检测精度和通用性是该领域研究的主要方向之一。

漫射光谱技术

漫射光谱（diffuse optical spectroscopy, DOS）技术通过探测组织表面的多波长漫射光信号，获得组织对光的吸收和散射信息，它可以量化深达若干厘米的组织吸收和散射系数。图4为DOS的流程图。首先，分别测量已知光学特性的仿体和待测组织样本对应波长的漫射光信号I，并利用仿体数据对待测样本数据进行标定，获得标定后的组织样本漫反射率Rd，其中漫反射率的定义为探测到的漫反射光信号与入射光信号之比（这个定义在时域或稳态辐射传播理论均适用）；之后，通过基于扩散方程或蒙特卡罗的数学模型进行计算，获得组织对应不同波长的吸收系数μa(λ)和散射系数μs(λ)；最后，利用吸收系数和散射系数定量计算组织内不同发色团的浓度和散射强度A和指数b，其中εi为消光系数，λ0为任意参考波长。

图4 DOS流程图

DOS技术经过近30年的研究和发展，已经成为了一种应用广泛、功能强大的检测方法，可以检测农业、食品、医药和医学等多个领域样品的组成成分等信息。在生物医学领域可用于定量检测生物组织发色团浓度和分布，进行临床前组织和病理模型检测以及临床疾病的诊断，最常见的应用是乳腺癌检测以及脑功能成像。DOS技术的研究与发展促进了生物医学光学技术的临床转化，为其在各种组织诊断和监测中的广泛应用奠定了基础。

扩散光学层析成像

扩散光学层析成像（diffuse optical tomography, DOT）通过测量组织体表面的漫射光（扩散光）信号，重建组织体的结构及功能信息，进而实现人体组织或器官级别（5～10cm）的层析成像。如图5所示，为了实现多点或多角度照明和探测并获取三维空间信息，可采用多个光源和探测器组合，光源和探测器分布于组织四周，进行数据采集和图像重建，从而实现组织内部层析成像。

图5 DOT系统光源和探测器分布示意图

DOT 经过数十年的发展，在成像原理、系统结构、处理算法等方面都取得了较大的突破，以相对较低的成本实现在临床诊断中对人体组织进行层析成像，并提供组织功能信息。相较于其它临床成像技术，DOT具有无电离辐射、低成本和高灵敏度等优势。由于采用的是扩散光，DOT的空间分辨率相对较低（通常为1厘米或更低），但通过结合其他成像技术进行多模态成像，可进一步提高成像质量。目前DOT的研究与应用重点在临床上人体组织的层析成像，并已逐渐成为临床医学检测及生物医学基础研究的重要手段之一。

荧光分子层析成像

荧光分子层析成像（fluorescence molecular tomography, FMT）又称为荧光扩散光学层析成像（fluorescence diffuse optical tomography, FDOT），在DOT技术基础上，通过使用外源性荧光分子探针，利用外界光源对探针进行激发，结合重建算法，实现高灵敏、高特异性的分子成像。FMT包括两部分辐射传输过程，第一部分是外部激发光照射组织后，在组织体内的辐射传输过程；第二部分是荧光探针受激发，产生荧光并传输到组织体表面的过程。FMT通常采用连续波模式，利用激发光和荧光的空间分布，通过稳态的扩散方程求解探针浓度及其三维分布等信息；在重建过程中，组织在激发光和荧光波长的吸收和散射系数、荧光分子分布等参数通常为未知量。此外，通过测量组织表面荧光信号的时间和空间分布，利用时域扩散方程，还可实现探针的荧光寿命测量。FMT系统可分为时域、频域、连续波三种模式；其中，连续波模式无法进行荧光寿命成像，而时域和频域模式不仅可以重建荧光探针三维浓度分布，还可以测量荧光寿命。如图6所示为荧光分子层析成像常见系统结构图。

图6 FMT系统。(a)基于光纤耦合的FMT系统示意图；(b)时域模式的FMT系统示意图

虽然FMT在与肿瘤检测相关的各种实际应用中具有巨大的潜力，但它在生物组织成像方面仍面临一些挑战。例如，生物组织的强散射特性会影响图像分辨率、对比度和信号质量，一定程度上限制了FMT的检测精度和成像质量。为提升FMT检测精度和成像质量，出现了大量基于多模态信息融合技术以及各类重建算法的研究，其目的是提出更加精确的光子传播模型以及更加有效的重建策略，从而改善FMT的成像效果、提升应用性能。

空间频域成像

空间频域成像（Spatial frequency domain imaging, SFDI）是一种基于扩散光学原理，利用不同空间频率结构光照射组织并采集漫反射图像，通过相应计算从而定量测量光学吸收和散射系数的无创、无标记、非接触新型成像技术。SFDI具有信噪比高、成像速度快、图像分辨率高（可达百微米）等优点，在测量组织功能变化方面的灵敏度、特异性以及成本方面具有明显优势。空间频域成像可快速测量大视场范围的组织光学特征，量化氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、脂肪、水、黑色素等组织成分浓度，在组织生理特征定量测量方面有显著优势。

如图7所示，空间频域成像系统主要包括光源、空间光调制器（DMD）、相机及控制端。光源发出特定波长的光，经过成像光路传输至DMD，DMD将平面光转换为不同空间频率的宽场正弦图案，投射出结构光照射到待测组织上，光在组织内部传输，经过吸收和散射后出射，由相机采集漫反射图像。

图7 空间频域成像系统示意图

空间频域成像作为扩散光学成像领域的新兴技术，近年来发展迅速；该技术无需荧光标记，具有无创、非接触、信噪比高、成像速度快、空间分辨率高等优点，在对组织功能变化的灵敏度、特异性以及硬件成本方面具有明显优势，在生物医学、临床、农产品和食品检测等领域应用广泛。

总结与展望

现代光学成像技术在生物医学领域获得了广泛的关注和应用，而无标记、非侵入式光学成像方法是生物医学领域研究的热门方向之一，其无创特征天然适用于组织在体测量。扩散光学成像通常具有无标记、非侵入、无辐射、成像速度快、探测深度大、成本相对较低等优势，在临床前的生理和病理机制研究以及临床环境下的血氧监测、疾病诊断、治疗评估等方面广泛应用；其中，血氧仪可以说是扩散光学成像领域最为成功的商业转化案例，服务全球数十亿人健康监测和数十亿美元市场。可以预见，随着技术的不断发展，扩散光学成像将在生物医学、临床等与人民生命健康息息相关的多个领域发挥更加重要的作用。

原文链接：
宋博文, 赵雁雨. 扩散光学成像方法及应用（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(8): 0800001.

通讯作者简介

赵雁雨，北京航空航天大学医学科学与工程学院副教授、博士生导师，入选中组部国家级青年人才项目，长期致力于新型光学成像系统和方法研究，以及无标记光学成像技术和机器学习在转化医学中的应用。本科毕业于北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院光电专业，2013年至2018年在美国波士顿大学生物医学工程系学习并获得生物医学工程博士学位、最佳博士论文奖。博士毕业后在美国加州理工学院医学工程系进行博士后研究。回国后，通过研究生物组织等散射介质的高速高精度定量成像，取得了一系列创新成果，以第一/通讯作者在Nature Communications, Light: Science & Applications, Optics Letters，Biomedical Optics Express等期刊发表文章，主持国家自然科学基金等多项国家级科研项目。

本文原文来自《激光与光电子学进展》