关于活体成像与诊断相关手段的研究和发展

第页关于活体成像与诊断相关手段的研究和发展【摘要】在学习《生物医学光子学》这门课程之后，一说将生物医学与光子学二者结合起来，第一时间想到的就是对生物活体的相关成像技术以及诊断技术。在古代中医只有摸诊、听诊、较为表面的看诊等相比现代略显粗略的诊断方法，而现代社会医学在诊断方面有了许多突破，比如“X光透视”，各种“显微”等。光子学对医学成像诊断的贡献意义重大，至今仍有许多新应用在被挖掘。【关键词】活体诊断显微成像光谱活体成像与诊断相关手段的发展历史古代医生诊断通常采用“闻诊”和“问诊”结合的方式，“闻”，即为通过看、听、嗅、触的方法进行初步的分析，比如看脸色或舌头、听说话的声音、嗅口气、把脉或听诊器分析心率等，除了“看”基本没有和光子学相关的部分。时间推进到光学显微镜被发明的那一时期，即16世纪末。从本质上说，光学显微镜的发明者是亚斯·詹森，荷兰的一位眼镜商，他用两片透镜制作了简易的显微镜，但并没有用这些仪器做过任何重要的观察。但真正意义上的显微镜是荷兰人列文·虎克发明的，并将其用于科学研究。[1]从这开始，历史的车轮向前滚动。越来越多的科学家利用光学显微镜观察并记录各种平常肉眼看不见的成像，从水滴中的微生物到各种生物的组织细胞，人类对微观世界的探索越来越深。1926年，汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜，而直到1931年，厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了世界上第一台透视电子显微镜，这代表着电子显微镜可正式进入细胞生物学、实验病理学等研究领域。在60年代、70年代，通过对人体病理标本的细微结构分析，人们进一步了解了疾病的病理变化及其发生机制，逐渐意识到电子显微镜可为某些疾病的诊断提供重要的形态依据。另一重要的光子学工具也被牛顿在1672年发现：光谱，用现代术语解释即：复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。但牛顿并没有深入的解释光谱的来源，只是对该现象进行了描述与记录。时间推移到1802年，英国物理学家沃拉斯顿为了验证光的色散理论，重做了牛顿的实验。他发现太阳光不仅被分解为牛顿所观测到的那种连续光谱，而且其中还有一些暗线。1814年到1817年，夫琅和费发现了太阳光和油灯光的光谱不一致，太阳光的要更为丰富多彩，但依旧给不出现象的解释。直到1859年，德国科学家本生和基尔霍夫通过一种特殊的煤气灯（也称本生灯）燃烧不同的化学物质，再观察得到的光的光谱，发现完全可以用光谱对物质进行判别，“光谱分析”由此正式诞生。[2]两种技术互补互助，时至今日已衍生出许多诊断和成像的手段，如基于光谱的早期疾病诊断和病理指标监测：吸收光谱、荧光光谱等；多种人体光学成像手段：OCT，散斑等；多种分子影像技术：CT，MRI等。这些技术无一不为生物医学的活体成像与诊断添砖加瓦。现代活体成像与诊断部分常见技术的具体介绍一、光谱①吸收光谱：指物质吸收光子之后，物质从低能级跃迁到高能级而产生的光谱，例见图一；图一②荧光光谱：指荧光的能量波长关系图，其中荧光是指物体被相对较短波长的光照射后，物体把能量储存起来，之后缓慢放出较长波长的光。二、人体光学成像①OCT：全称OpticalCoherenceTomography，即光学相干断层扫描技术，是一种非接触、高分辨率层析和生物显微镜成像设备，设备简略部件图见图二。它可以判断不同生物组织的不同深度对入射弱相干光反射回来的弹道光子和蛇形光子是否发生干涉，从而进行成像。目前可分为时域OCT和频域OCT两大类。图二②散斑成像：利用衬比统计量来量化散斑图案的模糊程度，从而实现对散射粒子的速度检测。当使用CCD或CMOS探测器以一个相对较慢的曝光时间对生物组织成像时，由于相机的积分效应，不断变化的散斑图案会在曝光时间内叠加平均而变的模糊。在一个固定的曝光时间内，散射粒子的速度越快，散斑图案越模糊。其中，散斑指的是相干光照明在相对粗糙的物体表面，不同光程的散射光相互干涉形成的明暗相间的颗粒状图案。激光散斑成像系统简略图见图三。图三三、分子影像技术①CT：全称ComputedTomography，即电子计算机断层扫描，不同于寻常X射线技术“难以发现”那些前后重叠的组织的病变，CT根据X线的吸收与透过率对于人体不同组织的不同，用灵敏度极高的仪器围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，测量所获取的数据输入电子计算机，对数据进行处理后就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，从而发现体内任何部位的细小病变。②MRI：全称MagneticResonanceImaging，即磁共振成像，跟CT一样，也属于断层成像的其中一种。它对MR信号的接收、空间编码和图像重建进行成像。对处于静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体中的氢质子受到激励而发生磁共振现象。停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生MR信号。相关应用及展望我印象中比较前沿的，是通过测量海洋大气湍流中红外光辐射闪烁的时间功率谱，从而推断出海洋的温度变化情况，进而推断出地球目前的整体温度对生物的影响都有哪些[3]。虽说这和生物医学关系不大，但这对整个人类都是意义重大的。光谱还可以用来识别物质相关特性、区别不同物质等。相比光谱，OCT的应用则更为广泛。因为非接触、无创的特性,且穿透深度几乎不受眼透明屈光介质的限制，其在眼科拥有良好的应用前景。因为癌变组织具有与健康组织不同的光谱特性和结构，OCT可以根据此特性实时而准确地进行诊断。散斑成像则更多地运用于皮肤表面的诊断，如皮肤疾病、皮肤烧伤等，如图四。图四CT和MRI其实某种程度上算得上是“近亲”，因为二者最后的结果都是“数字图像”，都是以不同灰度显示不同结构的解剖和病理的断面图像。CR和MRI都适用于全身各系统的不同疾病，例如肿瘤、炎症、创伤、退行性病变，以及各种先天性疾病等的检查。但它两各有优缺利弊，比如MRI没有电离辐射损伤，但对于肺部检查效果不如X线或CT检查；CT对于肿瘤的诊断有很高的价值，但对于肌肉骨骼系统效果则不如MRI，等等。因此，两者多数是相互独立，但又暗中配合，取长补短。结语生物医学和光子学经过常年的积累和努力，不断的磨合、进步，才得以成就我们今日发达的成像诊断技术。不得不说人体和光子学在学术方面都还有很大的挖掘潜力，作为一名光电学子，我将眺望未来，继续看生物医学光子学为人类发光发热！【参考文献】[1]闫云侠.显微镜的发明和发展[J].生物学教学.2012.第37卷第5期:58-59.[2]S.R.Koirtyohan.原子吸收光谱的历史[J].光谱学与光谱分析.1982.第2卷第1,2期:137-143.[3]LinyanCui.Temporalpowerspectraofirradiances