光学成像技术在医学中的应用讲解.docx

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光学成像技术在医学中的应用讲解

本科毕业论文

题

目:

光学成像技术在医学中的应用

院

（部）:

理学院

专

业：

应用物理学

班

级：

光电111

姓

名：

学

号:

22345678

指导教师：

完成日期：

2012年6月2日

摘要IV

ABSTRACTV

丄、八、亠

1冃I」言

1.1医学成像技术简述1

1.2光学成像对医学发展的意义2

2OCT成像技术在医学中的应用

2.1光学相干层析成像技术（OCT）简介4

2.2OCT成像技术原理4

2.2.1OCT成像技术基本原理4

2.2.2后向反射光相干层析成像5

2.2.3透射光相干层析成像7

2.3OCT成像技术在眼科中的应用8

2.4OCT成像技术在皮肤病中的应用9

2.5OCT成像技术在心血管类疾病中的应用9

2.6OCT成像技术在消化系统疾病中的应用10

2.7OCT成像技术中医学中的应用11

2.8OCT成像技术应用前景11

3荧光成像在医学中的应用

3.1荧光成像在生物学领域应用中的独特优势13

3.2荧光成像的原理与方法13

3.3荧光成像技术在药物新剂型的应用18

3.4荧光成像在癌症检测中的应用19

3.4.1膀胱癌19

3.4.2脑部肿瘤20

3.4.3卵巢癌21

3.4.4皮肤癌21

3.4.5口腔癌22

3.5基于在体荧光成像技术的中药抗肿瘤研究22

3.5.1在体荧光成像是肿瘤可视化实验的重要基础24

3.5.2肿瘤在体荧光成像的应用及特点24

3.5.3肿瘤的在体荧光成像在中医药研究中的应用24

3.6荧光成像技术的发展前景26

4新显微成像技术

4.1新显微成像技术简介27

4.2新显微技术的优点27

4.3新兴的显微成像技术28

4.3.1超分辨显微技术28

4.3.2活体显微术和深层组织成像30

4.3.3纤维光学成像IVM31

4.3.4高通量显微方法和图像处理33

4.4新显微成像技术发展前景34

5结论

谢辞37

参考文献38

摘要

医学成像技术在现代医学中的作用越来越明显，越来越重要。

本文主要通过目前应用

于医学领域的光学成像技术：

光学相干层析成像技术（opticalcohereneetmographv简称

OCT）荧光成像技术、显微成像技术等来对现代医学中所实际应用的光学成像技术进行详细的说明，包括OC成像技术在眼科、心血管疾病、皮肤病、消化系统疾病、中医学等中的应用，荧光成像技术在药物新剂型、癌症、中药抗肿瘤等中的应用以及新显微成像技术在医学中的应用。

光学成像技术在疾病观察，治疗，以及药物的研发等方面凭借其特有的优点已经表现出巨大的优势，本文通过对在医学领域中，光学成像技术的具体应用的研究，来发现其未来的发展前景与方向。

关键词：

光学成像技术；光学相干层析成像技术；荧光成像技术；新显微成像技术

TheApplicationofApticalImagingTechnologyinMedicine

ABSTRACT

Theroleofmedicalimagingtechnologyinmodernmedicineismoreandmoreobvious,moreandmoreimportant.Thispapermainlythroughtheapplicationinthemedicalfieldofopticalimagingtechnology:

thetechnologyofopticalcohereneetomography（Referredtoas'OCT）,fluoresceneeimaging,microscopicimagingtechnologytopracticalapplicationinmodernmedicinesuchasopticalimagingtechnologyindetail,includingtheOCTimagingtechnologyinophthalmology,cardiovasculardisease,skindisease,digestivesystemdiseases,suchastraditionalChinesemedicine,theapplicationoffluorescenceimaginginnewdrugformulations,cancer,andtheapplicationoftraditionalChinesemedicinesuchasantitumorandnewmicroscopicimagingtechnologyinthemedicalapplication.Opticalimagingtechniquesintheobservationofdisease,treatment,anddrugresearchanddevelopment,withitsuniqueadvantagehasshowngreatadvantages,thisarticlethroughtointhemedicalfield,theconcreteapplicationofopticalimagingtechnologyresearch,todiscoveritsdevelopmentprospectanddirectionofthefuture.

KeyWords:

opticalimagingtechnology；opticalcoherencetomographyfluorescenceimaging；microscopicimaging

1冃IJ言

1.1医学成像技术简述

生物医学工作者一直在寻找理想的，无创性生物体检测方法，以求安全、及时、有效的发现疾病，并对其进行区分、定位。

用光学方法实现这一目的一直是人们梦寐以求的。

189年伦琴发现了X射线（X-ray），这是19世纪医学诊断学上最伟大的发现。

X-ray透视和摄影技术作为最早的医学影像技术，直到今天还是使用最普遍且有相当大的临床诊断价值的一种医学诊断方法。

X线成像系统检测的信号是穿透组织后的X线强度，反映人体不同组织对X线吸收系数的差别，即组织厚度及密度的差异；图像所显示的是组织、器官和病变部位的形状。

核医学成像系统又称放射性核素成像（RNI）系统，所检测信号是摄人体内的放射性核素所放出的射线，图像信号反映放射性核素的浓度分布，显示形态学信息和功能信息。

核医学成像与其他影像学成像具有本质的区别，其影像取决于脏器或组织的血流、细胞功能、细胞数量、代谢活性和排泄引流情况等因素，而不是组织的密度变化。

它是一种功能性影像，影像的清晰度主要取决于脏器或组织的功能状态，由于病变过程中功能代谢的变化往往发生在形态学改变之前，故核医学成像也被认为是最具有早期诊断价值的检查手段之一。

超声成像系统的检测信号是超声回波，图像信号反映人体组织声学特性的不同，从而显示甚至动态显示器官的大小和形状。

超声成像设备主要应用超声波良好的指向性和其反射、折射、衰减规律及多普勒效应等物理特性，采用各种扫查方法，将给定频率的超声波导入体内，超声波遇到不同组织或器官界面时，将发生不同程度的反射和透射，接收携带信息的回声，利用不同的物理参数，将信号经处理后，显示为波形、曲线或图像，观察分析这个结果，结合临床表现可对疾病做出诊断。

核磁共振（MRI）成像系统检测的信号是生物组织中的原子核所发出的磁共振信号。

原子

核在外加磁场的作用下接受特定射频脉冲时会发生共振现象，MRI系统通过接收共振信号

并经计算机重建图像，用图像反映人体组织中质子状态的差异，从而显示体层内的组织形态和生理、生化信息，系统通过调整梯度磁场的方向和方式，可直接获得横、冠、矢状断面等不同体位的体层图像。

然而，这些已有的无创性探测方法却有如下的局限性：

X射线成像或其他方法对早期肿瘤无法进行精确的探测，无法区分良性与恶性肿瘤。

用X射线经常做常规检查可能对组织产生电离，形成潜在的伤害。

若用光学成像方法，即使做长时间探测，也不会对生物组织形成伤害，并可以对早期肿瘤进行探测并判断其性质。

放射性同位素的应用有限，身体接触会形成长久伤害。

超声波对线性尺寸小于几毫米的物体的分辨率较差，超声Doppler仪分辨率也只有几百

毫米，且不可能知道组织的化学成分，而利用光学成像方法分辨率可达到小于100毫米。

核磁共振（MRI）可达到次毫米级空间分辨率并可探测特殊化学物质，但探测不到特殊元素，如氧元素，而氧元素是生物组织中的关键元素。

与X射线和超声波成像不同，只有光

提供了机体化学物质光谱探测的可能性。

由于MRI应用时需要超导磁，所以MRI使用成本

很高。

1.2光学成像对医学发展的意义

由前面分析可以看出，生物组织中物体的光学成像有其独特优点，目前随着光源的改善，技术的改进（成像方法，记录方法等），生物组织的光学成像成为可能，它作为光诊断方法在生物医学领域将具有潜在的、广阔的应用前景。

其实早在维多利亚时代的医生就用过以烛光探测胸部肿块的无效尝试，但随着光源强度的增力□、检测微弱光信号技术、计算机重建图像技术的成熟，光学生物成像技术现在可以成功地完成区分、定位、诊断生物内部组织。

因为光在组织中穿行被吸收和散射时，人射光的强度、相干性以及偏振情况将发生改变，这些特性的变化程度取决于光的波长、组织的类型和厚度。

光的吸收是由于组织内部原子和分子不同能级间的电子跃迁产生的。

光的散射是由于组织中微观和宏观结构折射率的改变造成的。

因而从介质出射的光与入射光相比，具有许多特性改变，这种特性的改变包含了大量的组织内部结构和成分的信息，也就是说不同生物介质具有独特的光谱特性。

提取这部分信息可以获得组织表面清晰的结构图，医生根据此来区别不同的组织，准确地查出存在隐隐患的部位及恶性发作的危险性。

生物组织中的光学成像研究在90年代初提出，一经提出在国际上引起广泛关注，国外研究者已在此方面做了许多基础研究工作，而国内在这方面的研究却很少。

现有极少数研究单位从事生物体内物体的光探测，得到相关信息。

真正能够对生物组织中物体进行光学成像研究的国内还很少。

2OCT成像技术在医学中的应用

2.1光学相干层析成像技术（OCT）简介

光学相干层析成像系统是基于低相干光的干涉特性，在十涉仪中，一束光分为两部分，

经过不同的路径后再结合只有当这两束光相干（即相位差保持恒定）时才能形成干涉条纹。

常见的光学相干层析成像仪有2种，一种为采用后向反射光相干的光纤迈克尔（Michelson）干涉仪系统，另一种是采用透射光相干的马赫一泽德（Mach—Zehnder）干涉仪。

2.2OCT成像技术原理

2.2.1OCT成像技术基本原理

图2.1oct的基本装置光路图

OCT的基本装置如图I所示，其核心部分是一个垒光纤Michelson干涉仪，以SLD为光源，通过50/50光纤耦合器，反射光形成的干涉信号由检测器接收后检渡器从中取出信号，模数转换后存入计算机。

考虑光源的时间相干性，采用复相干函数描述

（2.1）

）=vU（t）U*（t+°>

则光源的相干长度为

qQ

lc=c严）

r

0

r（0）

因此,如图用Micheison干涉仪做实验时，检测器接收到的电流为:

id=KReUrU；

（2.2）

（2.3）

当光源的相干长度很短时U；是从样品内部不同的面上反射的，具有不同的光程，假设可用如下形式描述：

Us八j；Ui（t•.i）,Ui（ti）表示第i个反射面上反射的光,而

*

uur（r），因此只有当某个tk」时，信号＜u才有可能被提取出来，即获得了第k个反射面的信息。

当不断改变•时就可以获得整个样品的内部信息。

由于光源具有一定的相干长度，反射光的信息可以看k是相干长度内的平均值，其空

间分辨率为相干长度的量级，影响分辨率的不仅是光源的线宽，还与光源的线型、检测器性能等有关。

对于Gauss线型光源，其纵向分辨率可为：

人2ln2'2

△

兀妣（2.4）

其中入为光源的中心波长，△为光谱的半高全宽（FWHM）。

OCT成像的横向分辨率则取决于样品入射光束在相应反射面上的光斑大小一般在

10m左右。

2.2.2后向反射光相干层析成像

图2为David.Huang等人在1991年研制的OCT扫描成像设备，原理相当于迈克尔干涉仪，它以超发光二极管（SLD）作为光源，采用光纤代替普通的空间光路，这样一方面可以减少干涉仪光路安装和调整的困难，并且能使仪器结构小型化、简单化，另一方面可以通过简单的采用在被侧环境中增加传感光纤的长度来提高相位调制对环境系数的灵敏度，从而使干涉测量技术从实验室走向更多场合的应用。

光经过光纤耦合器分为两束进入干涉仪的采样臂和参考臂的光纤，光在采样臂上样品的后方散射和照射到参考反射镜的反射光合

■IT戎犹

成干涉后把相位调制信息解调成幅度变化。

来自样品的光相干特性信息提供了光的反射处边界和后向散射的地点。

当OCT系统采样臂执行一个多点纵向扫描时便会提供样品的一个二维横向图像，这种操作方式类似于B超的成像方式，经A/D转换采集和处理后由计算机分析得到一幅组织断面上的二维图像。

h.]—站」—

图22光纤后射反射光相干成像系统示意图

由于低相干的原因，如果采样臂和参考臂的光不匹配时，光信号衰变得很快，因而探

测到的信号很微弱，这样对于样品的反射信号来说可以有着很高分辨率。

OCT系统的纵向

分辨率仅由光源的相干长度所限制，这样OCT即使在人射光孔很小的情况下，仍可保持较高的深度分辨率。

这个特性在对体内深层组织的测量时特别有用。

为了获得二维影像的数据，在一系列高速、连续运动进行纵向扫描时，光束要在扫描之间做侧向移动。

图像的侧向分辨率由光束在样品中的直径所限制。

在样品中光反射边缘的测量在周围没有强反射的情况下，定位的精度可以控制在2ym以内。

由于OCT图像只是确定样品中某一兴趣点的深度和横向位置，可以看作为一个灰度或伪彩影像（暖色彩代表高反射区域，冷色彩代表低反射或不反射区域），这样它在图像重建时所需的计算量比X线CT和MRI少的多。

OCT对反射光信号有着极高的灵敏度，对于仅20yW的人射光功率，系统可以以10fw

—0

的灵敏度探测到5勺0W的入射强度，这样的高灵敏度由光外差探测得到，光外差探测信号比直接探测高7〜8个数量级，光外差探测器输出的中频功率正比于信号和本振光平均功率的乘积；而直接探测器的输出正比于信号的平均功率，当光信号功率很少时就不能检测到。

而光外差检测器，尽管在信号光功率非常少，只要本振光功率足够大，仍能得到可观的功率输出，同时光外差技术抑制噪声，大大提高了信号的信噪比。

光干涉信号被多普勒移相和正弦压电调制在一个很高的频率上。

参考反射镜被固定在

一步进电机上以1.6mm/s的运动作纵向扫描，同时电产生一个3.8kHz多普勒频移，使信号光和参考光束之间形成差频干涉，从而避开探测器的低频噪声带，通过电子技术处理使光源噪声只改变信噪比，而不影响干涉输出数据。

采集臂的光纤在压电传感器作用下，给采样光信号提供21.2kHz正弦相位调制，使相干光束间的相位差作周期性变化，从而形成正弦波相位调制。

在一系列纵向扫描后进行删向光束位置移动，完成信号的整个采集过程。

当2路符合干涉条件光信号被探测器输入后，以25kHz的解调复原干涉信号幅度输出。

这样通过调制和解调后加一特定带宽滤波器处理，可大大去除其他噪声的干扰，同时由于光外差检测方法对光强渡动和低噪声不敏感，可提高整个系统的信噪比（94db）。

最后经A/D

转换存储在计算机中，进行图像重建处理形成二维图像。

成像图像的时间由纵向扫描速度所决定。

如：

以1.6mm/s的扫描速度，在2mm深度

做150个点的纵向扫描，最低的成像时间为190so同时成像时间也受系统探测灵敏度和信号带宽折中考虑而影响。

如果入射光功率（ANSI允许眼部最大安全曝照剂量）200叮，以光学摄影的信噪比条件下，OCT成像时间仅为200ms,当然在更小部位和粗糙的图像情况下可以更快。

在非眼部的OCT成像中，由于允许入射光的功率可以加大，成像时间故而较短。

2.2.3透射光相干层析成像

原理上透射相干光成像系统类似于反射系统（图3）o是美国Michael.R.Heel等人1993

年发表的研究成果。

用80MHz的锁模Ti:

AI2O2激光器产生波长为830nm的超短光脉冲（50〜400fs），并耦合到纤维光学马赫一一泽德干涉仪中，使参考延迟反射镜后向反射的光与通过样品的透射光汇合，观测其干涉现象。

比较迈克尔干涉仪其优点在于：

可以避免干涉光路中的光再反射回光源，降低对光源的影响，有利于降低光源的不稳定噪声，并且可以获得双路互补干涉输出，便于信号接收和处理。

这个系统能探测到入射光功率为

4.5枸-1°mW的相干透射光、参考光束与样品出射的信号光束干涉产生外差增益。

压电纤维扩展器相位调制干涉信号为10kHz，并应用锁定探测器滤掉1/f的机械噪声。

双平衡器用于消除激光随机强度涨落并实现量子发射探测噪声极限探测。

本系统局限在一些样品的检测，

不能用于人体体内的实时检查。

图2.3光纤透射光相干成像系统示意图

2.3OCT成像技术在眼科中的应用

OCT技术的第一个临床应用领域就是眼科学。

传统的诊断方法由于不能探测到眼底组

织的细微变化，通常眼底病病情严重时方能明确诊断。

OCT可对一些眼科疾病进行早期诊

断。

OCT技术主要测定视神经纤维的厚度、测量视网膜结构、拍摄黄斑疾病、诊断和检测视网膜疾病等，因此可以检测诸如青光眼、糖尿病性黄斑水肿等需要定量测试视网膜变化的疾病。

OCT诊断各种视网膜疾病非常有用，从有斑点产生，到青光眼形成，再到视网膜脱离均可探测，在眼科临床检测方面得到广泛的应用。

对于青光眼的诊断和处理，传统的诊断方法由于不能直接扩瞳观察视网膜，临床上对

此类疾病的诊治比较棘手。

眼内压测量只有在病变后期视网膜神经纤维缺少50%以上时，

才能检测到视野缺损和视神经乳头凹陷，因而不利于疾病的早期诊治。

OCT拥有很高的成

像分辨率，无须使用阿托品扩瞳，是这类疾病检查的可行工具。

相对于玻璃体和视网膜结构，视网膜神经纤维层（retinalnervefiberlayer，RNFL）是一个相对高散射的介质层，由于视网膜神经纤维的独特结构，RNFL的后向散射信号强度依赖于入射光的角度，这种依赖性导致了RNFL信号的衰减。

OCT可以及时了解RNFL厚度的变化，进而估测青光眼病情。

Tsai应用OCT对具有正常视野的急性原发性闭角型青光眼患者发作后RNFL厚度和正常眼

RNFL厚度进行对比，发现青光眼发作时1/4RNFL厚度较正常对照组和另侧眼组有显著的差别，具有正常视野的急性原发性闭角型青光眼患者发作后RNFL厚度显著减小，据此提

出OCT测量的RNFL厚度与视神经功能密切相关，可作为区别青光眼和正常眼的手段之一。

我国台湾学者Chen等应用OCT定量测定早期伴有视野缺损的原发性开角型青光眼患者和正常人RNFL的厚度，并分析RNFL的厚度与伴有视野缺损的早期青光眼的相关性，发现在两组中RNFL的厚度明显不同，据此提出通过OCT测量RNFL的厚度有助于早期青光眼的诊断。

2.4OCT成像技术在皮肤病中的应用

临床上皮肤病能够引起皮肤组织结构的病变，如炎症、角质层的角化过度、角化不全和坏死等均可引起皮肤组织微观结构的改变。

皮肤组织病理学的检查，以往需要取活体组织，除了引发医源性感染外，对痛感神经分布发达的皮肤及黏膜活检时可给患者带来了明显的疼痛。

OCT具有高分辨率、非侵入性、操作简便、费用低廉等优点，因此可能成为皮肤病临床诊断的有效工具，也为皮肤病研究人员提供新的研究手段。

OCT可观察到表皮和

真皮的超微结构，可起到类似活体组织病理学观察的作用，可用于诊断皮肤疾病。

例如，利用高分辨率的OCT能检测到人体健康皮肤的表皮层、真皮层、附属器和血管；波长为830nm的光源，将甘油和丙二醇涂于小鼠皮肤表面OCT成像，可见表皮、表皮基底层、真皮乳头层、真皮网状层、皮下组织、筋膜、肌肉和毛囊。

Welzel等用各种外部刺激引导正

常皮肤形态和功能的改变，并成功地应用OCT检测了其中角质层厚度的改变和由黑素、水肿和红斑导致的改变，表明不同的生理状况将影响皮肤的光学特性。

Yeh等用OCT、多光

子显微镜镜（multiphotonmicroscope,MPM）在皮肤组织仿真模型中检测激光热损伤和随后的损伤修复。

welzel等用OCT鉴别表皮层和真皮层疱疹的定位、恶性黑色素瘤诊断、手湿疹成像、疥螨和螨下面皮肤的孔成像等。

ZhongHQ等利用OCT对实验性大鼠皮肤损伤进行成像研究，表明有很好的效果。

OCT还可用于接触性皮炎和牛皮癣的检测。

2.5OCT成像技术在心血管类疾病中的应用

OCT对冠状动脉硬化、心肌梗死等血管性疾病诊断有独特的优势。

以往的成像技术无

法迅速而明确地得到心血管粥样硬化、栓塞、心肌缺血坏死等病情。

在冠状动脉OCT成像

中，由于该系统的分辨率和灵敏度都很高，冠状动脉组织有较大的后向散射和脂肪钙化斑状的阴影效应，使脂肪钙化斑状层、纤维动脉粥样化和正常动脉壁对比十分明显。

Jang等

研制出基于导管系统的冠状动脉内OCT成像系统并将这种技术首次用于人类，结果表明

OCT比血管内超声（intravascularultrasound，wus）更加优越，分辨率更高（10卩田-100卩m，OCT除了能检测出大多数IVUS检测出的结构特征，还提供更详细的结构信息。

OCT可以

检测到断裂的内膜、腔内血栓、球囊造成的夹层的深度、切割球囊的切口、组织脱垂和未展开的支柱和内膜增生。

这种新成像技术可能在改善冠状动脉介入效果和识别易损斑块方面发挥重要作用。

在活体蛙心脏跳动的OCT图像中，可观察到与心脏结构和功能有关的定性、定量信息，如节拍律、室壁位置、心脏收缩和舒张期间心室容积等。

美国加利福尼亚大学的Chen等，将OCT成像与多普勒技术相结合，组成一种新的检测仪器一一光学多普

勒层析系统（opticalDopplertomography，ODT），这种系统可以用来检测高散射介质中的流体速度，如皮肤表层的血流速度，可用于确定亚表层中微血管直径和血流速度分布等，对疾病的诊断很有帮助。

OCT成像的管状化和内镜式活检可以帮助医师充分了解病变的部位、范围、程度和类型等信息，对心血管疾病的诊断、治疗和疗效提供参考依据。

2.6OCT成像技术在消化系统疾病中的应用

以往胃肠道病变（如早期的胃炎、胃癌、十二指肠溃疡和胰腺癌等）的早期诊断一直困扰着医学界。

常规活检容易造成局部感染，运用OCT可以避免活检对人体的伤害，而且对组

织的微观结构的成像质量接近或达到组织病理