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生物组织光谱学技术

2018.2.28

　　利用光学方法进行生物组织机能和结构的定量分析已成为生物医学工程领域中的一种强有力的手段。尤其是无损光谱学技术已引起人们的极大重视并努力研究。它可以通过光在组织中传播的特性求出被福射组织内的光空间分布,并且借此确定治疗中的生理效应,如激光手术、光动力治疗等。对于大脑、乳腺、肌肉及其它组织,根据组织漫反射光或漫透射光信号来探测组织之氧化代谢的、生理的或结构的状态,可为临床提供方便可靠的生理参数指标。

　　在红光和近红外光谱区(600~1300nm),生物组织的某些不同的成分对于光的吸收和散射有着不同的特性,而且在不同的生理状态下,组织光学参数也大不相同,如组织正常、癌变或局部缺血状态下的吸收是不同的。通常,在600nm与1300nm之间“光窗”范围内,组织对光的吸收最小,即在临床监测的组织部位上存在着可测量的漫反射光或漫透射光,这样就使得基于定量和波长分析的无损光谱学测量技术成为可能,并结合现代激光技术而发展。

　　目前,用于生物组织的光谱学技术主要有三种:其一是连续波光谱学技术、它是利用近红外频段的连续光,基于朗伯一比尔定律,由检测光强无损估计组织氧化代谢能力,如血红蛋白(HB)浓度变化和血红蛋白氧化吸收；其二是时间分辨光谱学技术,光在传播过程中发生散射现象而使光子传播路径长度不同,由时辨方法监测光总路径长度来定量组织吸收变化,通过一脉冲入射光,光子总路径长度分布可直接通过测量作为时间函数的光强而得到；其三是频率分辨光谱学技术,高频调控的正弦入射光经过组织传播后由吸收和散射延迟了光子行程时间,引起相位上的变化,此相位移与平均光路径长度有关。用总光路径长度作为组织氧合函数可精确定量HB浓度。时间和频率分辨技术都是基于漫射近似理论。

　　连续波光谱学技术(CWS,Continu-ouswavespeetroseopy)；时间分辨光谱学(TRS,Time一resolveds

　　PeetroseoPy)；频率分辨光谱学技术(FRS,Freqeuney一resolvedspeetroseopy)在医学领域有重要作用。

　　连续波光谱学技术(CWS,Continu-ouswavespeetroseopy)

　　CWS技术出现早,技术要求相对简单,使用方便。目前,美国宾州大学研制的Runman系统打技术较为成熟,具有代表性。

　　时间分辨光谱学(TRS,Time一re-solvedsPeetroseoPy)

　　随着皮秒脉冲光源和快速检测器的发展,最近,Chance及其合作者提出了使用时间分辨光谱学技术监测光路径长度分布来确定组织吸收或散射变化。由探头检测入射脉冲光经过几纳秒传播后的光强,描述了检测前光子路径长度分布。在均匀散射组织体中,这种光路径长度分布对于近红外波长测量提供了血红蛋白吸收能力。当吸收增加时,分布缩短,反之,吸收减小,分布增宽。用漫射近似法可以从路径长度分布测量确定组织光特性,而且,双波长或多波长TRS可以用来定量血红蛋白饱和度。

　　频率分辨光谱学技术(FRS,Freqe-uney一resolvedspeetroseopy)

　　正弦调制的入射光通过组织后,因散射和吸收使光子传播时间增加,时间延迟引起相位移,此相位移与光子有效平均路径长度分布有关,即相位移变化代表了光平均路径长度分布的变化。

　　时间和频率分辨光谱学技术比CwS技术更具有潜在优点:首先,TRS和FRS技术用单波长和双波长定量组织氧合状态具有稳健性和简单性,这种技术不受波及绝对信号值的组织边界条件影响；其次,通过调节时间和频率范围,即使是有限的组织体也能实现绝对测量；另外,检测光的某些特性(如相位或调制)要比光强度更敏感于组织特性变化。液状态是一个动力学过程,用CWS测定肌肉运动中的变化趋势,对研究运动训练、血管病和遗传病是非常有效可行的手段。通过对不同的针灸位置、深度和时间下CWS的检测,可使针灸最佳地改进组织局部微循环和细胞能量代谢,更好地调节生理机能和医治疾病。另外,CWS对泌尿系统疾病的诊断和煤气中毒抢救时的血氧分析等都是极为有用的工具。TSR和FRS的光子迁移可作为诊断探子,即使较大组织体光子迁移时间不过10一ZOns,生理信号在时间域的波动或快速代谢过程可瞬时分辨出。如大脑皮层的不同神经区中与瞬间认识相关的血量分布的改变,导致漫反射信号付立叶变换低频部分的变化。使用TRS和FRS可分析组织氧合能力并能提高信号比和缩短动态分析时间。通过对肿瘤氧合作用的特征分析,对于临床上的辐射治疗非常有用。另外,组织状态微小变化会使组织光散射产生很大的可检测的变化,因此,通过时辨光子迁移测量散射光变化可确定组织微结构变化(如早老性痴呆)。

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周锦帆