光學成像技術(shù)在醫(yī)學中的應用

1、*大學畢業(yè)論文本科畢業(yè)論文 題 目：光學成像技術(shù)在醫(yī)學中的應用 院 （部）：理學院專 業(yè)：應用物理學班 級：光電111姓 名：學 號：22345678指導教師： 完成日期: 2012年6月2日V目 錄摘 要·································

2、;···························ABSTRACT·····················

3、83;································1 前 言1.1 醫(yī)學成像技術(shù)簡述··············

4、3;·········································11.2 光學成像對醫(yī)學發(fā)展的意義······

5、;································22 OCT成像技術(shù)在醫(yī)學中的應用2.1 光學相干層析成像技術(shù)(OCT) 簡介···········&#

6、183;······························42.2 OCT成像技術(shù)原理·················

7、········································4 2.2.1 OCT成像技術(shù)基本原理·······

8、;···········································4 2.2.2 后向反射光相干層析成像···

9、3;············································5 2.2.3透射光相干層析成像···

10、··············································72.3 OCT成像技術(shù)在眼科中的應用·

11、;············································82.4 OCT成像技術(shù)在皮膚病中的應用··

12、83;······································92.5 OCT成像技術(shù)在心血管類疾病中的應用·······

13、3;······························92.6 OCT成像技術(shù)在消化系統(tǒng)疾病中的應用················

14、;······················102.7 OCT成像技術(shù)中醫(yī)學中的應用························

15、83;················112.8 OCT成像技術(shù)應用前景······························

16、3;··················113 熒光成像在醫(yī)學中的應用3.1 熒光成像在生物學領域應用中的獨特優(yōu)勢·························

17、83;·········133.2 熒光成像的原理與方法······································

18、;···········133.3 熒光成像技術(shù)在藥物新劑型的應用···································&#

19、183;····183.4 熒光成像在癌癥檢測中的應用··········································1

20、9 3.4.1膀胱癌················································&#

21、183;···············19 3.4.2腦部腫瘤································&#

22、183;·····························20 3.4.3 卵巢癌··················&#

23、183;···········································21 3.4.4 皮膚癌····&#

24、183;·················································&#

25、183;·······21 3.4.5 口腔癌········································&#

26、183;·····················223.5基于在體熒光成像技術(shù)的中藥抗腫瘤研究························

27、83;··········22 3.5.1在體熒光成像是腫瘤可視化實驗的重要基礎································24 3.5.2腫瘤在體熒光成像的應

28、用及特點········································24 3.5.3腫瘤的在體熒光成像在中醫(yī)藥研究中的應用·····

29、;···························243.6 熒光成像技術(shù)的發(fā)展前景····················

30、····························264 新顯微成像技術(shù)4.1 新顯微成像技術(shù)簡介··················

31、···································274.2 新顯微技術(shù)的優(yōu)點············

32、3;·········································274.3 新興的顯微成像技術(shù)······&

33、#183;·············································28 4.3.1超分辨顯微技術(shù)·

34、3;··············································28 4.3.2 活體顯微術(shù)和深層組織成像&

35、#183;·········································30 4.3.3 纖維光學成像IVM ·····

36、·············································31 4.3.4 高通量顯微方法和圖像處理·

37、83;········································33 4.4 新顯微成像技術(shù)發(fā)展前景······

38、83;······································345 結(jié) 論謝 辭··········

39、;··················································

40、;··37參考文獻···············································

41、;···············38大學畢業(yè)論文摘 要醫(yī)學成像技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學中的作用越來越明顯，越來越重要。本文主要通過目前應用于醫(yī)學領域的光學成像技術(shù)：光學相干層析成像技術(shù)(optical coherenee tmographv簡稱 OCT)、熒光成像技術(shù)、顯微成像技術(shù)等來對現(xiàn)代醫(yī)學中所實際應用的光學成像技術(shù)進行詳細的說明，包括OCT成像技術(shù)在眼科、心血管疾病、皮膚病、消化系統(tǒng)疾病、中醫(yī)學等中的應用，熒光成像技術(shù)在藥物新劑型、癌癥、中藥抗腫瘤等

42、中的應用以及新顯微成像技術(shù)在醫(yī)學中的應用。光學成像技術(shù)在疾病觀察，治療，以及藥物的研發(fā)等方面憑借其特有的優(yōu)點已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，本文通過對在醫(yī)學領域中，光學成像技術(shù)的具體應用的研究，來發(fā)現(xiàn)其未來的發(fā)展前景與方向。關(guān)鍵詞：光學成像技術(shù)；光學相干層析成像技術(shù)；熒光成像技術(shù)；新顯微成像技術(shù)IVThe Application of Aptical Imaging Technology in MedicineABSTRACTThe role of medical imaging technology in modern medicine is more and more obvious, more a

43、nd more important. This paper mainly through the application in the medical field of optical imaging technology: the technology of optical coherence tomography (Referred to as OCT), fluorescence imaging, microscopic imaging technology to practical application in modern medicine such as optical imagi

44、ng technology in detail, including the OCT imaging technology in ophthalmology, cardiovascular disease, skin disease, digestive system diseases, such as traditional Chinese medicine, the application of fluorescence imaging in new drug formulations, cancer, and the application of traditional Chinese

45、medicine such as antitumor and new microscopic imaging technology in the medical application. Optical imaging techniques in the observation of disease, treatment, and drug research and development, with its unique advantage has shown great advantages, this article through to in the medical field, th

46、e concrete application of optical imaging technology research, to discover its development prospect and direction of the future. Key Words: optical imaging technology；optical coherence tomography；fluorescence imaging；microscopic imagingV1 前 言1.1 醫(yī)學成像技術(shù)簡述生物醫(yī)學工作者一直在尋找理想的，無創(chuàng)性生物體檢測方法，以求安全、及時、有效的發(fā)現(xiàn)疾病，并對其

47、進行區(qū)分、定位。用光學方法實現(xiàn)這一目的一直是人們夢寐以求的。189年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線(X-ray)，這是19世紀醫(yī)學診斷學上最偉大的發(fā)現(xiàn)。X-ray透視和攝影技術(shù)作為最早的醫(yī)學影像技術(shù)，直到今天還是使用最普遍且有相當大的臨床診斷價值的一種醫(yī)學診斷方法。X線成像系統(tǒng)檢測的信號是穿透組織后的X線強度，反映人體不同組織對X線吸收系數(shù)的差別，即組織厚度及密度的差異；圖像所顯示的是組織、器官和病變部位的形狀。核醫(yī)學成像系統(tǒng)又稱放射性核素成像(RNI)系統(tǒng)，所檢測信號是攝人體內(nèi)的放射性核素所放出的射線，圖像信號反映放射性核素的濃度分布，顯示形態(tài)學信息和功能信息。核醫(yī)學成像與其他影像學成像具有本質(zhì)的區(qū)別，其

48、影像取決于臟器或組織的血流、細胞功能、細胞數(shù)量、代謝活性和排泄引流情況等因素，而不是組織的密度變化。它是一種功能性影像，影像的清晰度主要取決于臟器或組織的功能狀態(tài)，由于病變過程中功能代謝的變化往往發(fā)生在形態(tài)學改變之前，故核醫(yī)學成像也被認為是最具有早期診斷價值的檢查手段之一。超聲成像系統(tǒng)的檢測信號是超聲回波，圖像信號反映人體組織聲學特性的不同，從而顯示甚至動態(tài)顯示器官的大小和形狀。超聲成像設備主要應用超聲波良好的指向性和其反射、折射、衰減規(guī)律及多普勒效應等物理特性，采用各種掃查方法，將給定頻率的超聲波導入體內(nèi)，超聲波遇到不同組織或器官界面時，將發(fā)生不同程度的反射和透射，接收攜帶信息的回聲，利用不

49、同的物理參數(shù)，將信號經(jīng)處理后，顯示為波形、曲線或圖像，觀察分析這個結(jié)果，結(jié)合臨床表現(xiàn)可對疾病做出診斷。核磁共振(MRI)成像系統(tǒng)檢測的信號是生物組織中的原子核所發(fā)出的磁共振信號。原子核在外加磁場的作用下接受特定射頻脈沖時會發(fā)生共振現(xiàn)象，MRI系統(tǒng)通過接收共振信號并經(jīng)計算機重建圖像，用圖像反映人體組織中質(zhì)子狀態(tài)的差異，從而顯示體層內(nèi)的組織形態(tài)和生理、生化信息，系統(tǒng)通過調(diào)整梯度磁場的方向和方式，可直接獲得橫、冠、矢狀斷面等不同體位的體層圖像。然而，這些已有的無創(chuàng)性探測方法卻有如下的局限性：X射線成像或其他方法對早期腫瘤無法進行精確的探測，無法區(qū)分良性與惡性腫瘤。用X射線經(jīng)常做常規(guī)檢查可能對組織產(chǎn)生

50、電離，形成潛在的傷害。若用光學成像方法，即使做長時間探測，也不會對生物組織形成傷害，并可以對早期腫瘤進行探測并判斷其性質(zhì)。放射性同位素的應用有限，身體接觸會形成長久傷害。超聲波對線性尺寸小于幾毫米的物體的分辨率較差，超聲Doppler儀分辨率也只有幾百毫米，且不可能知道組織的化學成分，而利用光學成像方法分辨率可達到小于100毫米。核磁共振(MRI)可達到次毫米級空間分辨率并可探測特殊化學物質(zhì)，但探測不到特殊元素，如氧元素，而氧元素是生物組織中的關(guān)鍵元素。與X射線和超聲波成像不同，只有光提供了機體化學物質(zhì)光譜探測的可能性。由于MRI應用時需要超導磁，所以MRI使用成本很高。1.2 光學成像對醫(yī)學

51、發(fā)展的意義由前面分析可以看出，生物組織中物體的光學成像有其獨特優(yōu)點，目前隨著光源的改善，技術(shù)的改進（成像方法，記錄方法等），生物組織的光學成像成為可能，它作為光診斷方法在生物醫(yī)學領域?qū)⒕哂袧撛诘?、廣闊的應用前景。其實早在維多利亞時代的醫(yī)生就用過以燭光探測胸部腫塊的無效嘗試，但隨著光源強度的增 加、檢測微弱光信號技術(shù)、計算機重建圖像技術(shù)的成熟，光學生物成像技術(shù)現(xiàn)在可以成功地完成區(qū)分、定位、診斷生物內(nèi)部組織。因為光在組織中穿行被吸收和散射時，人射光的強度、相干性以及偏振情況將發(fā)生改變，這些特性的變化程度取決于光的波長、組織的類型和厚度。光的吸收是由于組織內(nèi)部原子和分子不同能級間的電子躍遷產(chǎn)生的。光

52、的散射是由于組織中微觀和宏觀結(jié)構(gòu)折射率的改變造成的。因而從介質(zhì)出射的光與入射光相比，具有許多特性改變，這種特性的改變包含了大量的組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的信息，也就是說不同生物介質(zhì)具有獨特的光譜特性。提取這部分信息可以獲得組織表面清晰的結(jié)構(gòu)圖，醫(yī)生根據(jù)此來區(qū)別不同的組織，準確地查出存在隱隱患的部位及惡性發(fā)作的危險性。生物組織中的光學成像研究在90年代初提出，一經(jīng)提出在國際上引起廣泛關(guān)注，國外研究者已在此方面做了許多基礎研究工作，而國內(nèi)在這方面的研究卻很少?，F(xiàn)有極少數(shù)研究單位從事生物體內(nèi)物體的光探測，得到相關(guān)信息。真正能夠?qū)ι锝M織中物體進行光學成像研究的國內(nèi)還很少。2 OCT成像技術(shù)在醫(yī)學中的應用2

53、.1 光學相干層析成像技術(shù)（OCT) 簡介光學相干層析成像系統(tǒng)是基于低相干光的干涉特性，在十涉儀中，一束光分為兩部分，經(jīng)過不同的路徑后再結(jié)合只有當這兩束光相干( 即相位差保持恒定）時才能形成干涉條紋。常見的光學相干層析成像儀有2種，一種為采用后向反射光相干的光纖邁克爾(Michelson)干涉儀 系統(tǒng)，另一種是采用透射光相干的馬赫一澤德( MachZehnder) 干涉儀。2.2 OCT成像技術(shù)原理2.2.1 OCT成像技術(shù)基本原理圖2.1 oct的基本裝置光路圖OCT的基本裝置如圖l所示，其核心部分是一個壘光纖Michelson干涉儀，以SLD為光源，通過50/50光纖耦合器，反射光形成的干

54、涉信號由檢測器接收后檢渡器從中取出信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換后存入計算機。考慮光源的時間相干性，采用復相干函數(shù)描述 ： (2.1)則光源的相干長度為 (2.2)因此,如圖用Micheison干涉儀做實驗時，檢測器接收到的電流為： (2.3)當光源的相干長度很短時是從樣品內(nèi)部不同的面上反射的，具有不同的光程，假設可用如下形式描述：，表示第i個反射面上反射的光,而，因此只有當某個時，信號<>才有可能被提取出來，即獲得了第k個反射面的信息。當不斷改變時就可以獲得整個樣品的內(nèi)部信息。由于光源具有一定的相干長度，反射光的信息可以看k是相干長度內(nèi)的平均值，其空間分辨率為相干長度的量級，影響分辨率的不僅是光

55、源的線寬，還與光源的線型、檢測器性能等有關(guān)。對于Gauss線型光源，其縱向分辨率可為： (2.4)其中為光源的中心波長，為光譜的半高全寬(FWHM）。OCT成像的橫向分辨率則取決于樣品入射光束在相應反射面上的光斑大小一般在10m左右。2.2.2 后向反射光相干層析成像圖2為David.Huang等人在 1991年研制的OCT掃描成像設備，原理相當于邁克爾干涉儀，它以超發(fā)光二極管(SLD)作為光源，采用光纖代替普通的空間光路，這樣一方面可以減少干涉儀光路安裝和調(diào)整的困難，并且能使儀器結(jié)構(gòu)小型化、簡單化，另一方面可以通過簡單的采用在被側(cè)環(huán)境中增加傳感光纖的長度來提高相位調(diào)制對環(huán)境系數(shù)的靈敏度，從而

56、使干涉測量技術(shù)從實驗室走向更多場合的應用。光經(jīng)過光纖耦合器分為兩束進入干涉儀的采樣臂和參考臂的光纖，光在采樣臂上樣品的后方散射和照射到參考反射鏡的反射光合成干涉后把相位調(diào)制信息解調(diào)成幅度變化。來自樣品的光相干特性信息提供 了光的反射處邊界和后向散射的地點。當OCT系統(tǒng)采樣臂執(zhí)行一個多點縱向掃描時便會提供樣品的一個二維橫向圖像，這種操作方式類似于 B 超的成像方式，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換采集和處理后由計算機分析得到一幅組織斷面上的二維圖像。圖2.2 光纖后射反射光相干成像系統(tǒng)示意圖由于低相干的原因，如果采樣臂和參考臂的光不匹配時，光信號衰變得很快，因而探測到的信號很微弱，這樣對于樣品的反射信號來說可以有著很

57、高分辨率。OCT系統(tǒng)的縱向分辨率僅由光源的相干長 度所限制，這樣OCT即使在人射光孔很小的情況下，仍可保持較高的深度分辨率。這個特性在對體內(nèi)深層組織的測量時特別有用。為了獲得二維影像的數(shù)據(jù)，在一系列高速、連續(xù)運動進行縱向掃描時，光束要在掃描之間做側(cè)向移動。圖像的側(cè)向分辨率由光束在樣品中的直徑所限制。在樣品中光反射邊緣的測量在周圍沒有強反射的情況下，定位的精度可以控制在2m以內(nèi)。由于OCT圖像只是確定樣品中某一興趣點的深度和橫向位置，可以看作為一個灰度或偽彩影像(暖色彩代表高反射區(qū)域，冷色彩代表低反射或不反射區(qū)域)，這樣它在圖像重建時所需的計算量比X線CT和MRI少的多。 OCT對反射光信號有著

58、極高的靈敏度，對于僅20W的人射光功率，系統(tǒng)可以以10fw的靈敏度探測到的入射強度，這樣的高靈敏度由光外差探測得到，光外差探測信號比直接探測高78個數(shù)量級，光外差探測器輸出的中頻功率正比于信號和本振光平均功率的乘積；而直接探測器的輸出正比于信號的平均功率，當光信號功率很少時就不能檢測到。而光外差檢測器，盡管在信號光功率非常少，只要本振光功率足夠大，仍能得到可觀的功率輸出，同時光外差技術(shù)抑制噪聲，大大提高了信號的信噪比。光干涉信號被多普勒移相和正弦壓電調(diào)制在一個很高的頻率 上。參考反射鏡被固定在一步進電機上以1.6 mm/s的運動作縱向掃描，同時電產(chǎn)生一個3.8 kHz多普勒頻移，使信號光和參考

59、光束之間形成差頻干涉，從而避開探測器的低頻噪聲帶，通過電子技術(shù)處理使光源噪聲只改變信噪比，而不影響干涉輸出數(shù)據(jù)。采集臂的光纖在壓電傳感器作用下，給采樣光信號提供21.2kHz正弦相位調(diào)制，使相干光束間的相位差作周期性變化，從而形成正弦波相位調(diào)制。在一系列縱向掃描后進行刪向光束位置移動，完成信號的整個采集過程。當 2路符合干涉條件光信號被探測器輸入后，以25kHz的解調(diào)復原干涉信號幅度輸出。這樣通過調(diào)制和解調(diào)后加一特定帶寬濾波器處理，可大大去除其他噪聲的干擾，同時由于光外差檢測方法對光強渡動和低噪聲不敏感，可提高整個系統(tǒng)的信噪比(94db)。最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換存儲在計算機中，進行圖像重建處理形成二

60、維圖像。成像圖像的時間由縱向掃描速度所決定。如：以1.6 mm/s的掃描速度，在2mm深度做150個點的縱向掃描，最低的成像時間為190s。同時成像時間也受系統(tǒng)探測靈敏度和信號帶寬折中考慮而影響。如果入射光功率(ANSI允許眼部最大安全曝照劑量)200W，以光學攝影的信噪比條件下，OCT成像時間僅為200ms，當然在更小部位和粗糙的圖像情況下可以更快。在非眼部的OCT成像中，由于允許入射光的功率可以加大，成像時間故而較短。2.2.3 透射光相干層析成像原理上透射相干光成像系統(tǒng)類似于反射系統(tǒng)（圖3）。是美國Michael.R.Heel等人1993年發(fā)表的研究成果。用80MHz的鎖模Ti： Al2

61、O2激光器產(chǎn)生波長為830nm的超短光脈沖(50400fs)，并耦合到纖維光學馬赫澤德干涉儀中，使參考延遲反射鏡后向反射的光與通過樣品的透射光匯合，觀測其干涉現(xiàn)象。比較邁克爾干涉儀其優(yōu)點在于：可以避免干涉光路中的光再反射回光源，降低對光源的影響，有利于降低光源的不穩(wěn)定噪聲，并且可以獲得雙路互補干涉輸出，便于信號接收和處理。這個系統(tǒng)能探測到入射光功率為4.5×l0-10mW的相干透射光、參考光束與樣品出射的信號光束干涉產(chǎn)生外差增益。壓電纖維擴展器相位調(diào)制干涉信號為10kHz,并應用鎖定探測器濾掉1/f的機械噪聲。雙平衡器用于消除激光隨機強度漲落并實現(xiàn)量子發(fā)射探測噪聲極限探測。本系統(tǒng)局限

62、在一些樣品的檢測，不能用于人體體內(nèi)的實時檢查。圖2.3 光纖透射光相干成像系統(tǒng)示意圖2.3 OCT成像技術(shù)在眼科中的應用OCT技術(shù)的第一個臨床應用領域就是眼科學。傳統(tǒng)的診斷方法由于不能探測到眼底組織的細微變化，通常眼底病病情嚴重時方能明確診斷。OCT可對一些眼科疾病進行早期診斷。OCT技術(shù)主要測定視神經(jīng)纖維的厚度、測量視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)、拍攝黃斑疾病、診斷和檢測視網(wǎng)膜疾病等，因此可以檢測諸如青光眼、糖尿病性黃斑水腫等需要定量測試視網(wǎng)膜變化的疾病。OCT診斷各種視網(wǎng)膜疾病非常有用，從有斑點產(chǎn)生，到青光眼形成，再到視網(wǎng)膜脫離均可探測，在眼科臨床檢測方面得到廣泛的應用。對于青光眼的診斷和處理，傳統(tǒng)的診斷方法

63、由于不能直接擴瞳觀察視網(wǎng)膜，臨床上對此類疾病的診治比較棘手。眼內(nèi)壓測量只有在病變后期視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維缺少50以上時，才能檢測到視野缺損和視神經(jīng)乳頭凹陷，因而不利于疾病的早期診治。OCT擁有很高的成像分辨率，無須使用阿托品擴瞳，是這類疾病檢查的可行工具。相對于玻璃體和視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維層(retinal nerve fiber layer，RNFL) 是一個相對高散射的介質(zhì)層，由于視網(wǎng)膜神經(jīng)纖維的獨特結(jié)構(gòu)，RNFL的后向散射信號強度依賴于入射光的角度，這種依賴性導致了RNFL信號的衰減。OCT可以及時了解RNFL厚度的變化，進而估測青光眼病情。Tsai應用OCT對具有正常視野的急性原發(fā)性閉

64、角型青光眼患者發(fā)作后RNFL厚度和正常眼RNFL厚度進行對比，發(fā)現(xiàn)青光眼發(fā)作時1/4 RNFL厚度較正常對照組和另側(cè)眼組有顯著的差別，具有正常視野的急性原發(fā)性閉角型青光眼患者發(fā)作后RNFL厚度顯著減小，據(jù)此提出OCT測量的RNFL厚度與視神經(jīng)功能密切相關(guān)，可作為區(qū)別青光眼和正常眼的手段之一。我國臺灣學者Chen等 應用OCT定量測定早期伴有視野缺損的原發(fā)性開角型青光眼患者和正常人RNFL的厚度，并分析RNFL的厚度與伴有視野缺損的早期青光眼的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在兩組中RNFL的厚度明顯不同，據(jù)此提出通過 OCT測量RNFL的厚度有助于早期青光眼的診斷。2.4 OCT成像技術(shù)在皮膚病中的應用臨床上皮膚

65、病能夠引起皮膚組織結(jié)構(gòu)的病變，如炎癥、角質(zhì)層的角化過度、角化不全和壞死等均可引起皮膚組織微觀結(jié)構(gòu)的改變。皮膚組織病理學的檢查，以往需要取活體組織，除了引發(fā)醫(yī)源性感染外，對痛感神經(jīng)分布發(fā)達的皮膚及黏膜活檢時可給患者帶來了明顯的疼痛。OCT具有高分辨率、非侵入性、操作簡便、費用低廉等優(yōu)點，因此可能成為皮膚病臨床診斷的有效工具，也為皮膚病研究人員提供新的研究手段。OCT可觀察到表皮和真皮的超微結(jié)構(gòu)，可起到類似活體組織病理學觀察的作用，可用于診斷皮膚疾病。例如，利用高分辨率的OCT能檢測到人體健康皮膚的表皮層、真皮層、附屬器和血管；波長為830nm的光源，將甘油和丙二醇涂于小鼠皮膚表面OCT成像，可見

66、表皮、表皮基底層、真皮乳頭層、真皮網(wǎng)狀層、皮下組織、 筋膜、肌肉和毛囊。Welzel等用各種外部刺激引導正常皮膚形態(tài)和功能的改變，并成功地應用OCT檢測了其中角質(zhì)層厚度的改變和由黑素、水腫和紅斑導致的改變，表明不同的生理狀況將影響皮膚的光學特性。Yeh等用OCT、多光子顯微鏡鏡(multiphoton microscope，MPM)在皮膚組織仿真模型中檢測激光熱損傷和隨后的損傷修復。welzel等用OCT鑒別表皮層和真皮層皰疹的定位、惡性黑色素瘤診斷、手濕疹成像、疥螨和螨下面皮膚的孔成像等。Zhong HQ等利用OCT對實驗性大鼠皮膚損傷進行成像研究，表明有很好的效果。OCT還可用于接觸性皮炎

67、和牛皮癬的檢測。2.5 OCT成像技術(shù)在心血管類疾病中的應用OCT對冠狀動脈硬化、心肌梗死等血管性疾病診斷有獨特的優(yōu)勢。以往的成像技術(shù)無法迅速而明確地得到心血管粥樣硬化、栓塞、心肌缺血壞死等病情。在冠狀動脈OCT成像中，由于該系統(tǒng)的分辨率和靈敏度都很高，冠狀動脈組織有較大的后向散射和脂肪鈣化斑狀的陰影效應，使脂肪鈣化斑狀層、纖維動脈粥樣化和正常動脈壁對比十分明顯。Jang等研制出基于導管系統(tǒng)的冠狀動脈內(nèi)OCT成像系統(tǒng)并將這種技術(shù)首次用于人類，結(jié)果表明OCT比血管內(nèi)超聲(intravascular ultrasound，wus)更加優(yōu)越，分辨率更高(10m-100m)， OCT除了能檢測出大多數(shù)

68、IVUS檢測出的結(jié)構(gòu)特征，還提供更詳細的結(jié)構(gòu)信息。OCT可以檢測到斷裂的內(nèi)膜、腔內(nèi)血栓、球囊造成的夾層的深度、切割球囊的切口、組織脫垂和未展開的支柱和內(nèi)膜增生。這種新成像技術(shù)可能在改善冠狀動脈介入效果和識別易損斑塊方面發(fā)揮重要作用。在活體蛙心臟跳動的OCT圖像中，可觀察到與心臟結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)的定性、定量信息，如節(jié)拍律、室壁位置、心臟收縮和舒張期間心室容積等。美國加利福尼亞大學的Chen等，將OCT成像與多普勒技術(shù)相結(jié)合，組成一種新的檢測儀器光學多普勒層析系統(tǒng)(optical Doppler tomography，ODT)，這種系統(tǒng)可以用來檢測高散射介質(zhì)中的流體速度，如皮膚表層的血流速度，可用于

69、確定亞表層中微血管直徑和血流速度分布等，對疾病的診斷很有幫助。OCT成像的管狀化和內(nèi)鏡式活檢可以幫助醫(yī)師充分了解病變的部位、范圍、程度和類型等信息，對心血管疾病的診斷、治療和療效提供參考依據(jù)。2.6 OCT成像技術(shù)在消化系統(tǒng)疾病中的應用以往胃腸道病變(如早期的胃炎、胃癌、十二指腸潰瘍和胰腺癌等)的早期診斷一直困擾著醫(yī)學界。常規(guī)活檢容易造成局部感染，運用OCT可以避免活檢對人體的傷害，而且對組織的微觀結(jié)構(gòu)的成像質(zhì)量接近或達到組織病理學水平，使醫(yī)生能更加直觀地了解組織微觀結(jié)構(gòu)的變化，并為疾病的診治提供科學的參考依據(jù)。對于腫瘤侵犯血管等難以活檢或活檢不可到達部位的病變，OCT成像能夠以近似無創(chuàng)的方式

70、進行觀察。同時在一些必須活檢的部位，OCT可以作為導航工具，引導臨床醫(yī)生選擇最佳的活檢部位，這樣降低了活檢過程中的并發(fā)癥，并能提高活檢的成功及陽性率。鐘會清等利用OCT技術(shù)動態(tài)觀察潰瘍的愈合過程，為動態(tài)、在體研究潰瘍的愈合質(zhì)量提供了有益的嘗試。Evans等和Bouma等采用與病理對照的方法研究食管的 OCT圖像特征及對Barrett食管的診斷意義。結(jié)果顯示，OCT能清楚地區(qū)分正常人食管上皮及肌層，對Barrett食管的診斷敏感性和特異性分別為83和75，認為 OCT是對內(nèi)鏡一個有益的補充。Sivak等將直徑2.4 mm的圓型OCT探針通過內(nèi)鏡插入，得到360度的橫向掃描圖片，變換探頭和黏膜表面

71、的距離產(chǎn)生了不同深度的胃腸壁的圖像。在活體胃腸組織的OCT圖像中，隱窩腔、上皮細胞和固有層之間的后向散射振幅之間的差異清楚，黏膜和黏膜下層清晰可見。2.7 OCT成像技術(shù)中醫(yī)學中的應用由于OCT系統(tǒng)比超聲波成像、C T、核磁共振和正電子發(fā)射層析成像技術(shù)等具有獨特的優(yōu)點，可用于中醫(yī)學方面的臨床研究。人體各器官的信息在一些眼、耳、舌面、手腕橈動脈等部位都會有集中的反映，中醫(yī)對這些區(qū)域進行望聞問切就成為診斷病情的依據(jù)。其中舌苔面積大，其顏色、形態(tài)變化比較明顯，直觀性強，歷來是中醫(yī)診病時觀察主要區(qū)域之一。但對舌苔形狀、厚薄的分辨卻一直是憑醫(yī)師的經(jīng)驗，伸縮性大，不能對此有定量分析。曾常春等和Zhong

72、HQ等將 OCT應用于中醫(yī)舌診中，對大鼠的舌苔及舌苔下淺表舌體組織進行顯微成像觀察，結(jié)果顯示此方法能夠?qū)崿F(xiàn)舌體深層組織的顯微成像。可觀察到三層基本結(jié)構(gòu)：表面舌苔層、舌表面上皮細胞層與舌體組織層；OCT的在體顯微掃描也可見三層組織結(jié)構(gòu)：舌苔分布層、舌苔與舌體的緊密連接分界層、舌體組織結(jié)構(gòu)層；通過測量發(fā)現(xiàn)，OCT與常規(guī)組織切片光鏡下顯示的舌組織外兩層結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。另外，對OCT在體顯微成像后圖像的分析，可以實現(xiàn)將舌苔苔質(zhì)的厚薄、潤燥、腐膩和有根無根的量化性研究，對剝落、消長等變化方面可進行客觀的評價，并對脾胃濕熱證大鼠舌苔的厚度與舌體的津液量進行了量化性分析。2.8 OCT成像技術(shù)應用前景

73、OCT成像避免了x射線、強磁場、超聲波等輻射對人體造成的潛在危害提供了安全的監(jiān)測手段。另外，OCT能進行活體快速層析成像，對于以往醫(yī)療診斷中難以觀察的、又不適宜作切片檢查的組織，將可以通過OCT進行成像，從而避免檢測時對組織的損傷，同時又能獲得較高的空間分辨。OCT的成像分辨率比傳統(tǒng)的成像技術(shù)的分辨率高得多(微米量級)，可以用于診斷一些傳統(tǒng)的診斷方法很難勝任的疾病，且可實時檢測OCT技術(shù)由于它的獨特優(yōu)點，故具有非常重大的臨床應用價值和廣闊的市場前景。近十幾年，OC T技術(shù)發(fā)展變化非 常迅速，基于OCT的新型檢測設備層出不窮，應用范圍日益擴大，尤其是它與傳統(tǒng)的醫(yī)學設備及診斷手段相互結(jié)合，相互補充

74、，在生物醫(yī)學檢測和疾病診斷上將具有不可估量的優(yōu)勢及誘人的應用前景。3 熒光成像在醫(yī)學中的應用3.1 熒光成像在生物學領域應用中的獨特優(yōu)勢高靈敏度：靈敏度進超比色法，在大部分應用中其靈敏度近乎放射性同素。 多組樣品一次成像：將不同樣品（如：對照、處理）通過不同發(fā)射波長的熒光素標記（如Cy3或Cy5等可以同時檢測多樣品熒光信號。 穩(wěn)定性高：較放射性同位素相比，熒光素標記的抗體、雜交探針、PCR 引物等的信號穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯，可穩(wěn)定存在數(shù)月以上，這使需要大規(guī)模標記并多陣列之間的標準化比較成為了可能。 低毒性成本低：多數(shù)情況下，熒光標記和檢測的全過程試驗用手套即可對實驗者提供足夠的保護。易于運輸和實驗后

75、處理，多數(shù)情況下實驗成本低于放射性同位素。 商業(yè)可獲得性：許多重要的熒光標記型生物大分子如各種單抗、多抗、CAT等及熒光標記用試劑盒都可以方便獲得,同時一些公司提供熒光標記的外包服務。3.2 熒光成像的原理與方法(1) 熒光信號的產(chǎn)生及信號捕獲原理：熒光物質(zhì)被特定外界能量激發(fā)（如激光等高能射線），引起其電子軌道向高能軌道躍遷，并釋放能量回歸基態(tài)的過程中會產(chǎn)生可被檢測的熒光信號。當然不是所有的物質(zhì)都能被激發(fā)產(chǎn)生熒光，只有當該物質(zhì)與激發(fā)光具有相同的頻率并在吸收該能量后具有高的熒光效率而非將能量消耗于分子間碰撞過程中，其熒光信號才可被光學設備所檢測（圖3.1）。（2）熒光成像系統(tǒng)的組件和工作原理：熒

76、光物質(zhì)被激發(fā)后所發(fā)射的熒光信號的強度在一定范圍內(nèi)是與熒光素存在的量成線性關(guān)系的，這是熒光成像系統(tǒng)應用于生物學研究的理論基礎，激光掃描系統(tǒng)的性能指標主要有：系統(tǒng)分辨率、線性范圍、均一性、靈敏度。圖3.1 激發(fā)能無輻射弛豫能熒光發(fā)射能。三種熒光素（綠色：fluorescein；黃色：DNA-bound TOTOT；紅色：DNA-bound EB）的激發(fā)光波長(a)和發(fā)射光波長(b)。為了實現(xiàn)熒光信號的激發(fā)、捕獲和放大的檢測過程，按照順序熒光成像系統(tǒng)主要包括以下組件：激發(fā)源(Excitation resource)、激光傳輸組件(Light delivery optics)、熒光收集組件(Light

77、 collection optics)、發(fā)射濾鏡(Emission filter)和信號檢測放大組件(Detection and amplification)（圖3.2）。在熒光成像系統(tǒng)工作的過程中，每個組件的性能都關(guān)系著最終熒光信號的收集和檢測結(jié)果。圖3.2 熒光成像系統(tǒng)的基本光學組件和工作原理示意圖a. 現(xiàn)有的激發(fā)源主要可分為兩大類即：寬波長光源，如紫外、氙燈等；單波長非連續(xù)光源，如激光光源。前者 主要應用于分光光度計和照相成像系統(tǒng)，可直接照射被檢樣品。 b. 激光傳輸組件（Light delivery optics）激光光源還需要一系列透鏡和反射鏡來導引其完成激發(fā)的過程。需要指出的是波長

78、光源也可以通過光柵和濾鏡的作用變?yōu)檎ㄩL光源。激光傳輸組件主要在這一過程中起作用。用以將所需波長的光線導向樣品，從而保證激發(fā)光的單一性。 c. 熒光收集組件（Light collection optics）高質(zhì)量的光學收集組件應包括透鏡、反射鏡和濾鏡等，負責擬合不同波長的發(fā)射光、保證線性關(guān)系和透過性。 d. 發(fā)射光過濾組件主要通過濾鏡來起到收集和過濾雜信號的作用。 e. 信號檢測、放大和數(shù)字化組件：為了檢測熒光光能信號并將其放大、轉(zhuǎn)化成電信號從而迚行定量分析，光電倍增管（PMT）、電荷偶聯(lián)器（CCD）常被人們所選擇。該組件的性能通常通過數(shù)字化分辨率來表示,它是用來描述在同樣信號強度條件下區(qū)分不

79、同兩個信號的能力，即人們常說的比特（bit），現(xiàn)多為8-bit，12-bit和16-bit（分別對應為256灰階、4096灰階和65536灰階）。 (3)激光光源的選擇:現(xiàn)代熒光成像系統(tǒng)的光源選用最多的有兩種即：激光（Laser）光源和發(fā)光二極管（LED）光源。兩者各有各自的優(yōu)勢和應用范圍，客戶應根據(jù)實際應用領域選擇更合適的光源。 激光光源為單波長非連續(xù)光，分辨率和灱敏度較高，如氬離子激光光源能產(chǎn)生457nm、 488nm和514nm的激光，尤其是大家熟悉的488nm波長常用來激發(fā)藍色發(fā)射光的熒光素物質(zhì)。除此之外還有氦氖激光（633nm）、Nd:YAG激光(532nm)等，由于是高能光源所以部

80、分配有制冷裝置。二極管激光光源相對其他激光光源要更緊湊簡潔，可直接整合到圖像掃描設備內(nèi)，也較經(jīng)濟，一般最長激發(fā)波長635nm。 發(fā)光二極管（LEDs）光源作為熒光成像系統(tǒng)的另外一個選擇，激發(fā)光帶寬相對較寬（大于60nm），能量輸出相對較低，所以光源和樣品間相聚較近，光程較短。其較激光光源具有更小巧、輕便和經(jīng)濟等特點，應用范圍也相當廣泛，其激發(fā)光最短波長一般大于430nm。(4)熒光信號的兩種掃描收集系統(tǒng)：振鏡式掃描系統(tǒng)：是通過快速擺動反射鏡將反射光信號捕獲，從而縮短了二維熒光信號的收集時間，同時適用于收集較厚樣品的縱深熒光信號（圖3.3）。與此同時，由于收集到的發(fā)射熒光信號的角度有一定差別，所

81、以會引起一定的視差偏差效應。通過使用f-theta 透鏡可以使這種視差效應引起的失真影響降到最低。 擺頭式掃描系統(tǒng)：該掃描系統(tǒng)的信號接收探頭與待掃樣品每個點的距離是相等的，通過平移探頭來實現(xiàn)等距信號的捕獲(圖3.4)。該系統(tǒng)有效避免了捕獲信號的視差失真問題，因為是點對點掃描所以信號獲取的掃描時間也較長。(5) 信號的分揀和放大掃描收集得到的不同波長熒光信號的分揀工作是由分光鏡或二向色濾光器配合反射鏡完成的，在將不同的波長的熒光信號經(jīng)過分光器分離、折射后，經(jīng)過發(fā)射濾鏡過濾到雜信號后到達光電倍增管（PMT）。PMT主要是用來放大分揀后的光信號并將其轉(zhuǎn)化成為電信號(圖8)。 PMT的放大倍數(shù)通常在1

82、06-107間，轉(zhuǎn)化波長范圍一般在300-800nm之間。 圖3.3 振鏡式掃描系統(tǒng)工作示意圖 圖3.4 擺頭式掃描系統(tǒng)工作示意圖 圖3.5熒光信號的分揀、放大系統(tǒng)工作示意圖(6) 基于 CCD的成像系統(tǒng)與激光成像系統(tǒng)不同，基于電荷偶聯(lián)器(CCD)的照相系統(tǒng)是由聚焦圖像到光敏感的 CCD陣列上的發(fā)光系統(tǒng)和透鏡組件組成。該系統(tǒng)是整合了來源于連續(xù)發(fā)光樣品區(qū)域熒光信號的面積圖像采集系統(tǒng)，常被應用于通過調(diào)節(jié)透鏡組件來實現(xiàn)固定或可調(diào)焦距，從而達到單次捕捉平面圖像信號的目的（圖3.6）。在此過程中光信號將被轉(zhuǎn)變成電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并放大。 CCD照相系統(tǒng)的光源多為紫外、白光、光譜氙燈

83、、高能二極管等。針對發(fā)射光收集和對于光信號進近不同造成失真可以通過平場校正來修正。 CCD照相系統(tǒng)的性能好壞取決于系統(tǒng)本身的分辨率、灱敏度、線性和動態(tài)范圍?，F(xiàn)有的CCDs上的像素排列范圍為6-30m，分辨率在512*512-4096*4096 之間。 CCD陣列對于光、溫度和高能射線都很敏感會影響系統(tǒng)的性能，針對CCD迚行制冷，將有利于大幅減少背景噪音并改善系統(tǒng)的灱敏度和線性。如溫度為-35°C時，CCD的線性范圍將增2-5倍，若為了進一步提高其熱敏度還可以在捕獲過程中將臨近的像素合并，當然這可能會影響圖像的分辨率。 動態(tài)范圍指的是完全飽和電荷水平與背景噪音的比值。例如一個成像系統(tǒng)的

84、像素為15*15m、面積為225m2、飽和度為180 000而背景噪音為10，則該成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍為18 000:1，由此可見動態(tài)范圍受到背景噪音的影響。圖3.6 基于電荷偶聯(lián)器（CCD）的成像原理示意圖3.3 熒光成像技術(shù)在藥物新劑型的應用熒光成像技術(shù)具有靈敏度高、時間空間分辨率高、獲得信息豐富、適于多參數(shù)復合測量等特點，在生物醫(yī)藥領域中應用廣泛。熒光探針和共聚焦顯微鏡的進一步發(fā)展使這項技術(shù)在生物醫(yī)藥領域中的應用不斷擴大。其中，熒光成像技術(shù)對藥物輸送載體的分布和細胞屏障的跨越等方面的研究日益引起藥劑學工作者的濃厚興趣?，F(xiàn)就此技術(shù)在藥物新劑型 ( 如：微球、脂質(zhì)體、納米粒等劑型)研究中的新進

85、展進行綜述。(1) 在靶向制劑研究中的應用 劉江等發(fā)明了能夠?qū)⒅委熕幬镞f送并保留在經(jīng)常受到癌癥和其它疾病侵擾的淋巴系統(tǒng)內(nèi)的靶向給藥系統(tǒng)。在此基礎上，通過熒光成像系統(tǒng)的幫助，獲得了淋巴系統(tǒng)的成像和可視化形式。熒光成像的檢測結(jié)果提供了關(guān)于涉及腫瘤、尤其是患有惡性病的對象體內(nèi)無法達到的淋巴結(jié)的檢測信息，有利于檢測其藥效，進一步改進靶向藥物傳遞系統(tǒng)。(2) 在微球制劑研究中的應用 李彥艷等建立了一種殼聚糖油酸復合物納米微球體系，選用阿霉素和利福平做模型藥物，檢測納米微球?qū)λ幬锏目蒯屒闆r。利用熒光探針考查取代度、分子量、有機相、溫度、pH等因素對殼聚糖油酸復合物的影響，對改進殼聚糖油酸復合物納米微球制劑具有重大指導意義。(3) 在脂質(zhì)體制劑研究中的應用 頡玉勝等研究了各種脂質(zhì)體制劑對藥物的透皮、皮膚貯留量和皮膚分布影響、不同時間點 內(nèi)熒光素鈉的皮膚貯留量；采用激光共聚焦顯微成像儀觀察熒光素鈉在各層的分布，幫助研究脂質(zhì)體對熒光素鈉皮膚分布及貯存的影響。實驗結(jié)果表明脂質(zhì)體可提高藥物的生物利用度，有利于皮膚病的局部治療。(4) 在納米粒制劑研究中的應用 量子點是一類新型無機納米熒光探針。量子點和熒光成像技術(shù)進步加速了集靶向、成像和治療作用于一體的多功能納米藥物的研發(fā)。納米藥物粒度尺寸小，組成材料和結(jié)構(gòu)復雜，其藥效評價方法和分析技術(shù)手段與其原形藥物存在明顯差異。能否找到適于納米藥物