7.-扩散射光学成像

生物医学光学成像------扩散光学成像朱生物医学光学成像„现代显微光学成像„扩散光学成像„相干域光学成像„复合成像扩散光学成像„概述„连续波光学成像„频域光学成像„时间分辨光学成像为什么需要光学成像？„非致电离辐射:光子能量~2eV.„在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织对比度:„光谱与组织的分子结构有关；„光学吸收：血管生成，细胞凋亡、坏死，过度代谢；„光学散射：细胞核大小；„光学偏振：胶原蛋白。„通过量化生理参数实现功能成像:„血氧饱和度„总的血红蛋白含量„血流(Doppler)„胶原蛋白的方向性„胶原蛋白的浓度与变性生物组织中的光子传输规律PropagationofLightinBiologicalTissue„Absorptioncoefficient=0.01/cm„Scatteringcoefficient=140/cm„Anisotropy=0.91„Ballisticcomponentissignificantwithinafewmfp.„Wang&Jacques,ComputerMethodsandProgramsinBiomedicine47,131(1995).2mmDOT,PATCFM,2PM,SHM,OCT扩散光学成像的理论基础„光子输运方程的扩散近似„技术关键„被检测的光学信号在组织中经历多次散射„散射信息与组织光学特性的关联„信息的提取扩散理论),(),(),(),(12tSttDttcarrrr=+∇−∂∂φμφφ扩散方程：c―光在组织中的速度；S－光子源；D－扩散系数；1]})1([3{−−+=sagDμμ混浊介质中光的传输理论组织吸收多次前向散射弹道光子“蛇行”光子直接反射多次后向散射入射光光与混浊介质的相互作用由Maxwell方程出发的解析理论从能量传输角度出发的输运理论随机模型：Monte-Carlo模拟随机行走理论等一般扩散近似扩散理论一级近似理论多流理论Kubelka-Munk理论确定性模型Beer－Lambert定律标准扩散近似混浊介质中光的传输理论扩散光学成像的分类ƒ连续强度ƒ强度调制（频域）ƒ时间分辨（时域）扩散光学成像的分类ƒ连续强度连续波光学成像（CW）„系统特点CW(ContinuousWave)„无调制或低频调制（＜10kHz)„光源－探测器组合d组织探测器光源xz(0,0)点对点探测示意图xzy(0,0,0)(d,0,0)点对点探测的光子光程分布组织功能的近红外光谱术„以氧合和还原血红蛋白、细胞色素氧化酶等的吸收光谱为基础，考虑到氧合血红蛋白与还原血红蛋白在近红外光波段吸收谱的差异性，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光对组织良好的穿透能力，研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与吸收谱相关的组织生化信息，通过对这些吸收色团浓度的定量测量，获取组织中的氧代谢信息组织吸收光谱Beer-Lambert定律clotaeIIμ−=lDOca⋅=μ..(/)otaODlnIIclμ==,l表示光程，当介质无散射时，不同波长的l相等；O.D被称为光密度，当入射光波长一定时，是介质浓度的线性函数修正后的Beer-Lambert定理„在近红外波段，生物组织表现出弱吸收高散射特性，光在组织中传输时经历了多次散射„l是光源和测量点之间的距离；DPF为光程因子，；G是与皮肤、脂肪等外层组织光学特性和几何结构有关的常数损耗因子。当已知组织吸收和散射系数时可计算得到GDPFclaeII+⋅−=η0/光密度变化跟踪Hb和HbO2浓度atlDPFIIDOtDODOη⋅⋅==−=Δ0ln)0(.)(..)()()()()(.2111121HbOclHbclDOaHbOaHbΔ+Δ=Δλλλμλμλ)()()()()(.2222222HbOclHbclDOaHbOaHbΔ+Δ=Δλλλμλμλ)()()()()(.2223323HbOclHbclDOaHbOaHbΔ+Δ=Δλλλμλμλ多波长测量血红蛋白浓度的变化)]()()()([)()(.)()(.133113312231132λμλμλμλμλμλλμλλλλλaHbaHbOaHbaHbOaHbaHbHbOllDOlDOlc−Δ−Δ=Δ)]()()()([)()(.)()(.1331133122312123λμλμλμλμλμλλμλλλλλaHbaHbOaHbaHbOaHbOaHbOHbllDOlDOlc−Δ−Δ−=Δ)()(.222λμλλaHbtlDOcΔ=Δ−由光源探测器间的距离l和DPF共同决定ilλ近红外光谱检测151616L(cm)850805730λ(nm)850850850850805805805805730730730730*)**(*)**(*)**(222222LCCODLCCODLCCODHBOHBOHBHBHBOHBOHBHBHBOHBOHBHBΔ+Δ=Δ+Δ=Δ+Δ=αααααα850730805805850730*0.104*0.130*8.84_*7.49*3.2722ODODCCDEOXYODBVODODCCBVHBOHBHBOHB−=Δ−Δ=Δ=Δ+=Δ+Δ=Δ近红外光谱检测原理振荡器光源LD或LED计算机D/A锁放光纤被测目标组织探测器前放A/D光源－探测实现光学功能成像器探头15913261014371115481216近红外光学成像器探头结构示意图光源探测器系统举例LampcontrolPCA/D=lightsource=dualdetectors780nm5secs10secs15secs20secs25secs30secs0510152025300.000.050.100.15830nm780nmAbsorptionCoefficient(cm-1)Seconds051015202530-50050100150200OxyHemoglobinDe-oxyHemoglobinConcentration(μM)SecondsB.Chance,Opt.ExpressRightArmPassiveMovementSIRTReconstruction-Average5trialswithin10minutesOxygenationchangesduringmultipletasksBC445ImagingCognitiveFunction16March2006Nature封底连续波光学成像特点ƒ优点：仪器昀简单，也昀便宜。ƒ缺点：ƒ在光学层析成像中受到限制ƒ在仪器的精确定位存在问题ƒ很难在非实验室的条件下获得可靠的实验数据。因为它对光子在介质表面的相互影响强度非常敏感。扩散光学成像的分类ƒ强度调制（频域）扩散光子密度波„当光源为强度调制点光源时，其在介质中的传播就是一个频率与调制频率相同的具有复波数的球面波，该球面波在介质中的每一点都有确定的波长、幅度及相位，这个波称为扩散光子密度波，简称（DPDW）。„它具有折射、衍射、干涉及散射等特性频域扩散方程和扩散光子密度波)ikrexp(DrS)(acacπ4=ΦrυωυμDikSDka+−=−=Φ+∇2022),(1)()(rr均匀无限大介质中，方程的解交流部分为：()()()()()()()()∫′′⋅′+−=∇⋅+∂∂πννμννμνννυ4ˆ,ˆ,,ˆ,ˆ,,,ˆ,,,,,ˆ,,,ˆ,,,ˆ,,1ΩΩrΩΩrΩrrΩrΩrΩΩrdtIfttIttStIttIst满足扩散近似条件：1.所有与角度有关的量球谐展开到一阶；2.光源可等效为各向同性光源；另:散射频率远大于调制频率扩散光子密度波()()()()()trStrtrDtrtca,,,,12GGGG=+∇−∂∂φμφφsaμμ′)exp()exp(4),(tiikDrcStIACACωπ−=rr()()[]()()rrδϕω0exp1,+−+=timStSDPDW相位与幅度⎟⎠⎞⎜⎝⎛+⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=+=DSAMAACπθϕθϕ4ln2cosln2sin0rrr⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=−cDccAaaμωθωμ14122222tan,„任一点的相位正比于这一点与光源距离„波的辐度随距离按指数衰减均匀无限大组织DPDW幅度与位置DPDW的波长⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=−bbbpdωωαπλ14122tan21sin12fDccbaπωαμ2,,===DPDW应用„均匀组织光学参数的测量„同时测得一定频率的扩散光子密度波通过不同厚度的样品后的相位和幅度„非均匀组织„高散射内部异质子探测„定位„高散射介质的表征。扩散光子检测系统„单通道系统：一个波长与一个调制频率其中交流项的幅度和相位同时被测量。能定量获取组织光学参数，实现对均组织中异质子的定位、还可实现扫描成像。„多通道系统：多波长、多频率与多通道系统。可获取更多信息，如血氧代谢监测、结构和功能成像。单通道定位探测器YX光源幅度最小，相位最大其测量精度分别为1.0o与10%幅度相消系统两种探测方法0°S1S2D180°SD1D2均匀介质中DPDW幅度与相位相位测量具有比幅度测量更高的精度10.5−=′cmsμ102.0−=cmaμ光源的调制频率为200MHz，两光源间距为4cm，光源面与探测面间距为8cm，吸收子距探测面4cm单边带幅度相消相位调制系统PhaseDetectorSSBReceiverPMT50MHzSSBOscillator2KHzOscillator780nmPhaseLockReferenceSignalPhase2KHzFilterLD1SPLITER0180780nmLD2SSBModulator50.002MHz50MHz50.002MHzComputerA/DA/DTissueRFAmplitudeDetector高散射介质中异质子定位在均匀组织中对系统定标使探测器位于零线上整个系统扫描被探测组织是否有扰动?根据幅度的近似线性关系寻找吸收子整个组织扫描完了？相位跃变否?确定吸收子的中心结束是是是否否否系统参数对定位的影响„相对幅度与相位„两光源间调制幅度和相位对幅度相消条件的偏移都将降低系统定位精度„调制频率„调制频率达到一定值后，昀大斜率点的偏移不再受调制频率的影响„频率增加可导致昀大跃变斜率增加，可提高定位精度异质子参数„吸收系数与尺度„定位精度随吸收系数及尺度的增加而增加„约化散射系数„对异质子而言，约化散射系数对定位精度无关„深度„异质子与源平面及其探测面的距离同时增加时相位跃变的斜率下降更大结论„幅度相消相位调制系统即可实现吸收子的定位，也可实现散射子的定位。„源和探测的距离相等，因此也适用于反射式探测结构（探测器和源在同一侧且与两源的距离相等）。扩散光学成像的分类ƒ时间分辨（频域）短脉冲在高散射介质中的散射ƒ弹道光：相干分量ƒ蛇行光：部分相干分量ƒ弥散光：非相干分量扩散理论),(),(),(),(12tSttDttcarrrr=+∇−∂∂φμφφ扩散方程：c―光在组织中的速度；S－光子源；D－扩散系数；1]})1([3{−−+=sagDμμ对无限介质解扩散方程)4exp()4(),(22/3ctDctrDctctaμπφ−−=−r两个假设„光子在入射深度为Z0时才开始散射„边界条件：在物理边界Z＝0处10])1[(−−=sgzμ0),(=trφ假设2的满足„加一个负的或者镜像的光子源来满足0zz=0zz−=),(zPρz入射光方程表示为]4)(exp[]4)(){exp[exp()4(),,(2202202/3DctzzDctzzctDctctzaρρμπρφ++−−+−−−=−求反射系数根据得0|),,(),0,(=∇−=ztzDtρφρJ)4exp()exp()4(|),0,(|),(2022/502/3DctzcttzDcttRa+−−==−−ρμπρρJ计算吸收系数计算曲线渐近线的斜率可以得到组织的吸收系数202zρlimln(,)atdRtcdtρμ→∞=−ln(,)Rttρ−−TimeTimeDiffusephotonsSnakephoton