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光聲成像是近年來誕生的一種新型復合成像技術，是借助光聲效應產生而來，光聲效應的聲信號即光聲信號，其強度是由力學、光學、運動學、熱學等特征來決定的，光聲成像具有聲學成像與光學成像的優勢，在生物醫學領域的應用已經非常成熟，取得了理想的成果。
1光聲成像的優勢
光聲信號產生的基本原理是：當用短脈沖激光照射吸收體時，吸收體中的分子吸收光子后，當滿足一定的條件時，吸收體分子的電子從低能級躍遷到高能級而處于激發態，而處于激發態的電子極不穩定，當電子從高能級向低能級躍遷時，會以光或熱量的形式釋放能量。在光聲成像應用中通常會選擇合適波長的激光作為激發源，使吸收的光子的能量轉化為熱能的效率最大，通常從光能轉化為熱能的效率可達到90%以上。釋放的熱量導致吸收體局部溫度升高，溫度升高后導致熱膨脹而產生壓力波，這就是光聲信號。與聲學成像相比，光聲成像利用了光吸收系數，在化學成分的分析方面，有著獨特的優勢。其中，聲波能夠獲取物體的彈性參量、密度等力學特征，應用在生物體中，可以將生物體的功能信息、生理結構等清晰地反映出來。與光學成像相比而言，光聲成像對于組織有著非常高的分辨率，光學成像往往只能夠得出組織表層1mm深度左右的高質量圖像，如果深度偏高，分辨率就會大受影響，與之相比，聲波的散射強度更小，在生物組織中的傳播有著低散射、低耗散的優勢，空間分辨率的成像深度非常理想。此外，光聲成像在生物醫學領域中的應用更加安全，該種成像方式應用的是激光、微波照射法，與X射線、CT相比，更加安全，只需要很少的電磁輻射能量，即可獲取到理想的光聲信號，避免對生物組織造成熱損傷。
2多參量光聲圖像在生物醫學領域中的應用分析
2.1多尺度成像
多參量光聲圖像可以得出深層組織圖像，還能夠利用圖像參量來實現多尺度成像，揭示出生物體的功能與結構信息。所參量光聲圖像的成像效果，與組織的生理功能、光吸收系數有著密切的關系，在應用的過程中，需要根據各個組織的成分來合理選擇電磁波波長，選擇性針對組織中的成分進行分析，得出解剖、代謝、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外線吸收能力較強，利用紫外線作為激發光源，即可獲取到高對比度圖像。在臨床醫學中，如果細胞核形態存在異常，也就說明，癌細胞DNA復制發生障礙，因此，該種診斷方式對于早期癌癥的診斷有著重要的意義；血紅蛋白主要吸收可見光頻段電磁波，利用光聲成像，可以獲取到關于血液系統的高對比圖像；油脂、水等對于近紅外段電磁波與微波段吸收情況良好，利用近紅外激光、微波作為光源，可以快速分析出其中的異常聚集問題。在生物組織中，每一種化學成分的光吸收特性都是不同的，在診斷過程中，可以借助多波長激光照射組織來獲取相關信息，通過定性分析與定量分析相結合的方式得出生物組織各項化學組分信息，利用波長與電磁波吸收特性，既可以分析出血紅蛋白含量，還可以獲取到脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白的相對含量，分析出血氧飽和度。血紅蛋白是生物體內的重要載體，可以直接反映出生物的新陳代謝過程，這對皮膚疾病、腦血管疾病、腫瘤的早期診斷，有著重要的意義。
2.2生物組織黏彈特征
此外，借助多參量光聲成像，還可以檢測出生物組織黏彈特征，在檢測時，需要使用連續激光照射樣本，得出組織黏彈參數，利用光聲信號相位與強度，獲取到最終的檢測信息，與光吸收特性相比而言，該種方式從力學角度反映出組織硬度、血液粘稠度，可以直接計算出組織生物力學系數與光學參量，為診斷提供可靠的信息指導，在心血管疾病、腫瘤的早期診斷上，有著突出的作用。
2.3溫度分布情況
多參量光聲成像還能夠反映出溫度的分布情況，光聲信號強度與光吸收系數是密切相關的，與媒介系數為正比關系，在媒介溫度升高之后，媒介系數也會相應升高，因此，利用該種系數可以反映出具體的光聲圖像。數據顯示，在每升高1℃，光聲升壓會增高5%。借助光聲成像，可以直接得出溫度系數，靈敏度高達0.16℃，能夠檢測出絕對溫度值，準確度非常高。光聲成像還可以借助光聲多普勒效應與光聲信號之間的關系來得出血流速度的相關信息，檢測出信號多普勒頻移，借助這一原理，可以滿足血流速度精細成像的要求，根據相關數據，得出低速流體信息。
2.4紅細胞形態特征
借助多參量光聲信號的功率頻譜參數，還可以得出亞波長微結構信息、細胞形態、聲學功率譜特性測出紅細胞形態特征，鑒別早期血栓與癌細胞的形成。根據研究實驗顯示，針對窄帶低頻光聲呈現系統的信號進行分析，可以鑒定出亞波長尺寸微結構信息，以頻譜斜率作為參數，計算出亞波長尺寸結構。在生物組織之中，存在大量的微米量級微結構，如紅細胞、微鈣化斑點、黑素瘤等等，借助多參量光聲成像，能夠為相關疾病的診斷提供有價值的信息。此外，借助于物化譜參量呈現技術，可以將聲學功率譜與光學吸收譜分析相結合，得出組織的化學特征與物理特征，該種分析方式為物化譜分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析時，需要先利用不同波長激光脈沖進行照射，得出帶有組織化學成分信息的聲學功率譜，計算出一維功率譜，將亮相參數結合起來，即可獲取到組織的二維物理化學譜。物理化學譜可以清晰地反映出組織的微結構特征與物理化學成分，得出組織特異化標簽。
3多參量光聲成像的應用分析
多參量光聲成像不僅具有深分辨率高的優勢，也具備信息敏感、成像對比度高的優勢，可以從血液流速、組織力學、溫度分布、生化組分、微結構特性來分析生物的功能、解剖、基因、分子、代謝信息，選擇適宜的工作頻率和成像模式，可以達到納米級的分辨率，深度也能夠達到50mm。多參量光聲成像技術的應用滿足了生物醫學領域的發展需求，有著非常大的應用潛力。但是，畢竟多參量光聲成像屬于新型技術，在應用的過程中，還有一些難題需要突破。首先，該種技術的理論是建立在生物組織聲學特征均勻的基礎上，如果組織的聲學特征不均勻、分布復雜，必然會影響應用效果。在人體組織中，空穴、骨骼的聲阻抗是存在差異的，容易致使聲傳播出現反射和散射的問題。其次，雖然多參量光聲成像的深度已經達到了50mm，但是對于更深組織成像，還具有局限性，這也是下一階段需要重點解決的問題。
參考文獻
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關鍵詞： 光學相干層析成像；生物醫藥；圖像技術
Key words： optical coherence tomography；biological and medical；imaging technique
中圖分類號：TH744；O439 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）32-0255-02
0 引言
光學相干層析成像技術（Optical Coherence Tomography，簡稱OCT）是近年來發展較快的一種最具發展前途的新型層析成像技術，特別是生物組織活體檢測和成像方面具有誘人的應用前景，已嘗試在眼科、牙科和皮膚科的臨床診斷中應用，是繼X-CT和MRI技術之后的又一大技術突破，近年來已得到了迅速的發展。
1 光學相干層析成像技術回顧
隨著科學的進步，當今醫學成像技術已經在醫學診斷中起著重要的作用，各種探測方法和顯示手段趨于更精確、更直觀、更完善從而有助于人們觀察生物組織，了解材料結構，它的發展是物理、數學、電子學、計算機科學和生物醫學等多門學科相互結合的結果。
從顯微鏡的發明到X射線在醫學上的應用使人們以圖像的形式觀察到了肉眼不能直接看到的形態結構，推動了醫學診斷的發展。目前，各種醫學成像技術不斷發展，用于生物醫學領域的研究，不同的成像原理可以用于觀察不同的器官組織，不但給出組織的形態，還對組織特征進行識別和檢測。
各種成像技術中，光學相干層析成像（Optical Coherence Tomography）是一項新興的光學成像技術，當從散射介質中返回的彈道光子和蛇行光子與參考光的光程差在光源的相干長度范圍內，發生干涉，而漫射光子與參考光的光程差大于光源的相干長度，不能發生干涉，從而把帶有被測樣品信息的彈道光子和蛇行光子提取出來，進行成像，它可以實現對生物組織高分辨率的非侵入層析測量，具有廣泛的應用前景。
光學相干層析成像技術是從光學相干域反射儀（或光學低相干反射儀）發展而來的，1991年，美國麻省理工學院（MIT）的David Huang等人在Science上首先報道了光學相干層析成像（簡稱OCT）技術。之后Schmitt等將此技術用于生物組織光學特性參數測量，取得了很好的效果。1996年Carl Zeiss Meditec Inc. of California把眼科的OCT系統做成臨床醫療器械投放市場。
OCT技術問世以來，各個研究機構為了擴展它的應用范圍和提高性能進行了大量的研究工作，出現了許多新方法，為OCT技術在醫學領域的廣泛應用打下基礎。將OCT技術與多普勒技術相結合，形成一種新的檢測儀器――多普勒光學相干層析系統，可用來檢測眼部血管的血流速度和流向，還能測量介質的結構特性；把OCT技術與內窺鏡結合起來形成OCT導管式內窺鏡，能夠用于對心血管系統、胃腸道系統、泌尿系統及呼吸道等管狀生物組織的高分辨率成像；為了在高散射介質中獲得更高的縱向分辨率和更大的探測深度，將OCT技術與光學共焦顯微術結合起來形成了光學相干顯微術，能夠有效的濾除高散射介質遠離焦面的雜散光。
在國內，對OCT的研究也正在進行，主要包括有：上海光機所和南開大學進行了OCT技術研究及生物組織光學的探討，建立了用SLD作為光源的OCT系統，采用了相位調制的外差探測方法；清華大學分別用飛秒激光器和SLD作為光源建立了OCT系統，并采用了傅立葉域光學延遲線的掃描方法，得到了洋蔥和兔子眼球的層析圖像；天津大學進行了線聚焦OCT技術研究及PS-OCT的研究；華中科技大學對OCT技術作了理論闡述，并采用LED作為光源建立了OCT系統。但是目前國內對于OCT的研究還只是局限于實驗階段，與國外同行還有一定差距。
OCT是一種20世紀90年代興起的新型層析成像技術，它的出現及發展稱得上是醫學診斷領域一次突破。自OCT技術出現以來，發展非常迅速，各種新技術不斷出現，從分離式OCT到全光纖式OCT，再到ODT和內窺鏡式OCT，層出不窮，應用范圍逐漸擴大，從最早用于眼科到今天用于對牙齒、心臟、腸胃道的清晰成像。但OCT不會取代超聲或者核磁共振成像，而是作為醫學成像的一個有益的補充。目前，OCT技術的研究在美國、西歐以及日本等一些發達的國家引起了重視，并投入了大量的人力物力，取得了高速的發展，而國內由于資金和儀器設備等一些條件的限制，還處于理論研究或實驗室研究的階段，需要國內相應的研究機構加大投入力度，加強應用研究，不斷縮小與國外的差距，使得OCT技術得到更迅猛的發展。
2 光學相干層析成像術的發展
當前主流的OCT系統操作基本上是在所謂的時域OCT（Time-Domain Optical Coherence Tomography，TDOCT）系統中用點對點探測方案來執行的。
近來，一種新穎的OCT系統-基于光譜而非掃描干涉法的頻譜領域光學相干層析成像（Spectral-Domain Optical Coherence Tomography，SDOCT）正在興起。在SDOCT中，樣品的全部深度結構（A-掃描）從光譜干涉圖中經離散傅立葉轉換而同步獲得，無需深度掃描過程。其主要部件是邁克而遜干涉儀和光譜儀。早在1995年，Fercher等人就已提出譜域OCT概念。同年，Leitgeb等人給出了譜域OCT的結果與方法。自那以來，SDOCT已得到很大發展；2000年，Maciej Wojtkowski第一次報道了活體視網膜SDOCT成像。SDOCT相關的理論還被快速提升。
3 光學相干層析成像在非醫學領域的應用
OCT研究的最初目的是為生物醫學的層析成像，并且醫學應用仍然繼續占主導地位。除了在醫學領域的應用，隨著OCT技術的發展，OCT技術正在向其他領域推進，特別是工業測量領域，如位移傳感器、薄底片的厚度測量以及其他可以轉換成位移的被測物的測量。
最近，低相干技術已作為高密度數據存儲的關鍵技術。OCT技術還可用于測量高散射聚合物分子的殘余孔隙、纖維構造和結構的完整性。還可以用于測量材料的鍍層。OCT技術還能用于材料科學，J.P.Dunkers等人使用OCT技術對復合材料進行了無損傷的檢測。M.Bashkansky等人利用OCT系統對陶瓷材料進行了檢測，拓展了OCT技術的應用范圍。S.R.Chinn等還對OCT在高密度數據存儲中的應用進行了研究，實現多層光學存儲和高探測靈敏度。
4 結語
OCT技術以其非接觸性和非破壞性、有極高的探測靈敏度與噪聲抑制能力、高分辨率無損傷和在體檢測上對活體組織無輻射等優越性以及造價低、結構簡單等優點，在材料科學和生物醫學等領域的無損檢測方面有著重要的應用價值和廣闊的發展前景。
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水下光學成像技術是當前探索水下奧秘的基本方法之一，在生物學、地質學、港口工程等多個領域內有重要的意義，但由于水本身的性質，其作為介質時的光學性質與空氣有所不同，光線在水下傳播時水體對光線的吸收和后向散射會造成很大的圖像噪聲，降低圖像質量，加之傳輸距離有限，一般的成像系統在水中使用時像差會發生變化，色差和畸變明顯增大，成像質量差，圖像清晰度低，因此有必要對水的光學特性及其對水下光學成像質量的影響進行研究，以為適用于水下環境的特殊成像系統的研制提供理論基礎。
一、水的光學特性
光在水介質和空氣介質中的傳輸有著較大的差異，介質的密度對光的吸收和散射有著很大的影響，空氣的密度小因而對光的吸收和散射也相對較小，水的密度為空氣的800多倍，對可見光有著嚴重的吸收和散射作用。水對光波的散射和吸收可造成光在水中的衰減，即使是在最純凈的水中，水對光也有著嚴重的衰減，且是按指數規律迅速衰減，水介質對光的衰減特性通常是使用衰減長度表示。
（一）水對光的選擇吸收特性
水對光的吸收在不同的光譜區域是不同的，具有明顯的選擇性。水對光譜中的紫外和紅外部分表現出強烈的吸收，在可見光譜區段，吸收最大的分別是紅色、黃色和淡綠光譜區域。純凈水和清的大洋水在光譜的藍-綠區域透射比量大，其中波長為462-475nm的藍光衰減最少。但在這個藍-綠窗口，水的吸收也足以使光的強度每米衰減約百分之四。其它顏色的光被吸收得更多，幾米之外幾乎完全消失了。
（二）水對光的散射特性
如果水下僅存在對光能量的吸收，可以通過加大照明光源功率來提高水下成像距離，但水對光的散射現象隨著照明的增強更趨嚴重，使水下成像更為困難。水中光散射是指光在水中傳播時，受到介質微粒的作用，偏離原來直線傳播的方向。水中散射有兩種，即純水本身產生的散射和由懸浮粒子所引起的散射。散射方式主要有前向散射和后向散射。比入射光波長小很多的無吸收粒子的散射遵從瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波長時，存在著一個比較復雜的共振狀態，稱為米氏散射。
二、水的光學特性對水下光學成像質量的影響
（一）水中光衰減對光學成像的影響
光在水中的衰減是在吸收和散射這兩個不相關的物理過程作用下發生的，光子消失的過程稱為吸收，被吸收的光子轉化為熱能從光束中被吸收，光子前進方向發生變化稱為散射，除散射粒子外，水折射率的微小變化也可能引起光的散射，被散射的光子不同于被吸收的光子，其并未消失且有可能再次疊加入光束中，通常水對光的散射引起的光衰減多于水對光的吸收引起的光衰減，在清澈透明的水中，水中光衰減有60%是由散射引起，40%為吸收引起，而在渾濁的水中，由于懸浮粒子的增加，水對光散射增強，由散射引起的光衰減還會增加。
（二）水中光的吸收特性對光學成像的影響
水分子是極化分子，在紫外和紅外譜帶上有著強烈的由電子激發的紫外共振和由分子激發的紅外共振，因此對此區域吸收強烈，尤其是對紅外的吸收十分強烈。水對光吸收寬帶效應使得光在水中傳播時雖然不存在光在空氣傳播中存在的“窗口”，但在藍綠區域水對光的吸收達到最小值，習慣上將此區域認為是光在水中傳播時的“窗口”。
光束在水中傳播時，水對光的選擇性吸收，使得白光照射下，隨著拍攝物體所處深度的增加其顏色也會發生變化，通常在水下1-2m內近距離拍攝時，物體的顏色基本可以較好地反映出來，而超過2m后被拍攝物體的顏色就會發生變化，一般在水下6m時紅色就會基本消失，在水下20m時黃色會消失，同時紅色會變成黑色，在30m時物體基本完全變成藍色或者藍綠色。
（三）水中光的散射特性對光學成像的影響
水對光的散射可對成像距離增加困難，使圖像對比度下降，隨著成像距離的增大，水下成像的畫面反差隨之降低，細節畫面也會隨距離增加而更模糊。
水對光的散射系數與散射粒子的大小相關，水中散射粒子的大小分布是不一致的，水分子、可溶性物質、懸浮的無機顆粒、微生物等可對光產生散射作用的粒子大小從零點幾納米到幾毫米不等，對于水分子來說，其對光的散射遵循瑞利散射規律，即是散射光強B與入射波長λ的四次方成反比。
在波長為480nm時，水分子引起的瑞利散射衰減系數約為0.004m-1，而純凈的蒸餾水光束的有效衰竭系數約為0.037m-1，可知水分子的瑞利散射衰減只是水中光衰減中的一小部分。
水中對光束可產生散射作用的散射粒子直徑與入射光波長接近時，散射粒子對光的散射存在著一個復雜的共振狀態，此時散射光強與波長幾乎沒有關系，而遵循米氏散射定律，其衰減系數SM以公式可表示為：
式中R表示散射粒子半徑，N為每立方米水體中的離子數，Ks為實際散射截面與幾何截面的比值，當散射粒子的尺度遠大于波長時，近似考慮為散射截面與幾何截面相等，即Ks取1。
（四）水中照明對光學成像的影響
水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中傳播時，隨著深度增加更為分散直至趨于只與天頂角相關的漸進分布，在淺層水攝影中，若天氣為晴朗的白天，則自然光所提供的照明已足夠進行水下拍攝，而在深層水拍攝或夜晚攝影時，水下的光照度很低，水下使用成像系統時絕大多數情況下需要照明系統，因此有必要將水下照明對光學成像的影響進行考慮。
三、結語
水對光波有著吸收和散射作用，可造成光在水中的衰減，水對光的選擇性吸收可使水下拍攝物體的顏色隨著其所處深度的增加而發生變化，水對光的散射可降低像的襯度，使成像系統不能接受到有用的信息。在設計成像系統時應充分認識得到水的光學特性對水下光學成像的影響，提高系統設計的針對性，從而提高水下成像系統整體性能。
參考文獻：
1稀土上轉換納米材料結構組成
UCNP通常由基質、敏化劑與激活劑構成。目前研究發現，以NaYF4作為基質，Er3+、Tm3+、Ho3+離子對共摻雜的材料是UCL性能最好且最具潛力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法等。其中，水熱/溶劑熱法和熱分解法因具有靈活控制晶粒生長并且一次合成過程可以同時實現納米材料的制備及表面修飾等優點，是目前應用最廣泛的合成方法[4]。通過以上方法合成的UCNP通常由疏水性配體（油胺、油酸）封端，導致合成的材料水溶性和生物相容性差。為了將UCNP更好地應用于醫學領域，對其進行表面功能化修飾尤為重要。主要方法包括配體除去、配體氧化、配體交換、表面硅烷化，以及兩親性聚合物包覆等方法。
2生物醫學應用
2.1生物傳感
UCNP具有多個發射峰且發射譜帶窄，以及近紅外激發下顯示出低背景自發熒光的特性，使其特別適用于生物傳感的應用。UCNP已被廣泛用于檢測各種生物變量（如溫度、pH值）。支持溫度傳感應用的是波爾茲曼分布理論。Er3+是常見用于溫度傳感的鑭系離子，Er3+在520nm和550nm處的UCL，分別對應2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能級躍遷，因此可以用來檢測溫度。MaestroLM等[5]設計了第一臺NaYF4∶Yb/Er納米材料用于細胞測溫，使用它可以精確檢測單個癌細胞，如HeLa癌細胞的溫度（25℃~45℃，區間區分低至為0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]將具有光熱轉化作用的金納米棒與細胞共孵育后，向培養液中加入UCNP，最后采用800nm激光對金納米棒進行輻照，使其產生熱量，進而引起細胞周圍溫度的升高，通過UCNP的熒光值計算出相應位置的溫度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是臨床診斷和治療中應用最廣泛的成像技術之一，該技術基于X射線衰減系數。UCNP中一些鑭系元素離子具有較強的X射線衰減能力，所以其可作為CT造影劑。在鑭系元素中，镥具有最高的原子序數。ShenJW等[7]將NaLuF4作為基質材料的UCNP應用于CT成像。其他研究者也對基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作為CT成像進行了充分研究[8，9]。UCNP為CT造影劑的構建提供新的原料來源。
2.2.2MRI成像
MRI是一種較新的醫學成像技術，其掃描通常需要造影劑以提高靈敏度和準確度。在元素周期表中具有最高數目未配對電子的Gd3+常用作MRI造影劑。Gd3+與二亞乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是臨床上最常用的造影劑之一[10]。研究發現其造影劑在體內釋放游離Gd3+具有高毒性，將Gd3+離子摻入UCNP中可以顯著降低釋放從而減少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于標記T細胞的超小型NaGdF4-TAT納米探針，靜脈注射24h后通過T1加權MRI可以靈敏地跟蹤標記過的T細胞簇。BijuS等[13]研究出一種新型UCNPMRI造影劑（NP-PAA-FA），其可作為低于1.5TT1加權造影劑、3TT1/T2雙重加權造影劑和超高磁場高效T2加權造影劑。該造影劑主要特征是通過改變磁場強度而改變造影劑的類型，此項研究將極大地推動MRI造影劑在醫學領域發展。
2.2.3光學成像
UCNP已經引起了許多研究者對將其應用于光學造影劑的興趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激發下發出明亮的熒光，由于其聲子能量低、上轉換熒光效率高和發光顏色豐富等優點，已廣泛用于小動物成像[14]。ZhangK等[15]通過酰胺化反應將納米金剛石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er納米顆粒結合，制備出UCNP-ND用于光學成像和細胞中藥物遞送的新型納米平臺，由于強烈的上轉換熒光和pH響應性藥物釋放，UCNP-ND可以為可視化和腫瘤治療中藥物遞送提供新的思路。
2.2.4多模態成像
常規的單個成像技術有其固有的限制和缺點。多模態成像可以彌補其缺點，使疾病在早期診斷階段得到更加準確的信息，從而提高疾病的治愈率。MRI/CT雙模態成像是最普遍的成像組合。JinX等[16]通過熱解法首次合成具有優異的MRI/CT成像性能和相對低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修飾NaGdF4∶Dy的納米粒子。CT和MRI成像無法進行細胞水平成像，光學成像在細胞水平具有較高分辨率和靈敏度，但不具有較高空間分辨率和難以提供三維組織的缺點。因此，將熒光成像與CT和MRI成像相結合，可以獲得組織和細胞級的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有優異MRI/UCL/CT三模態成像性能、較低毒性且無熒光淬滅的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb納米材料。將多種成像相結合制備一種多功能成像探針在生物醫學領域具有潛在的應用價值。
2.3腫瘤治療
2.3.1光動力治療
光動力治療（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激發光的照射下，光敏劑（photochemicalsensitizer，PS）被激發將氧氣轉化為活性氧，殺死癌細胞的治療方法。其因具有微創性和時空選擇性被廣泛應用于腫瘤治療領域。典型PDT由PS、激發光和氧氣構成。常規PDT受到激發光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性質用于PS的激活，從而提高穿透深度[19]。UCNP介導的PDT在深部腫瘤治療方面已取得巨大成果。然而，缺乏腫瘤選擇性而對正常組織不可避免的光毒性仍然是一個棘手的問題。LiF等[20]研究出腫瘤pH敏感光動力納米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自組裝PS接枝的pH響應性聚合物配體（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP組成。在正常血液pH=7.4時，PPN帶負電，沒有光活性，在腫瘤細胞外pH=6.5時快速將其表面電荷從陰性轉變為陽性，并在腫瘤細胞內/溶酶體pH=5.5時進一步分解成單個UCNP，此過程促進聚集的PS解離成自由分子，而顯著增強PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以誘導酸性腫瘤微環境中游離PS的光激發，從而殺傷腫瘤細胞。體內和體外實驗均表明，PPN可以克服傳統PS不足作為潛在新型PDT用于未來癌癥診療。
2.3.2光熱治療
光熱療法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有較高光熱轉換效率的材料作為光熱劑，在NIR照射下吸收光能并轉化為熱能來殺死癌細胞的治療腫瘤的新方法。由于稀土離子的消光系數較低，在直接光照下轉化為熱能的能力有限。而當其與較強消光系數等電位納米粒子（如Au、CuS）耦合時，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制備出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au納米顆粒（粒徑70～80nm）用于PTT可有效破壞人神經母細胞瘤細胞，顯示出較好的抗腫瘤療效。FanW等[23]將超小型CuS加入到UC-NPs@SO2納米粒子表面制造出一種核心衛星納米治療(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物質，基于CuS顯著的PTT效應，CSNT可以在NIR照射下產生細胞毒性熱，還通過摻雜的高-Z元素（Yb/Gd）作為放射增敏劑產生高度局部化的增強輻射效果。
2.3.3成像指導腫瘤治療
近年來，隨著納米醫學的迅速發展，集多功能為一體的可視化成像指導的腫瘤診療成為一個熱點話題。研究發現UCNP可以同時實現腫瘤的診斷與治療。YuZ等[24]研究出一種超小型具有良好靶向性并可在光學成像，MRI、CT成像下進行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。該UCNP對過表達Y1受體的腫瘤（如乳腺癌細胞）具有高靶向性，核殼MNP（MC540）可以實現優異的上轉換熒光成像，其中摻雜Gd3+和Lu3+稀土離子可分別增強MRI和CT成像。其在體外和體內顯示出良好PDT治療效果。該納米材料的研發將為臨床中過表達Y1受體的腫瘤診療提供一個新思路。為了提高腫瘤治療效果，研究者將兩種或以上治療模式集合于一體，實現療效互補、協同作用以增強抗腫瘤療效。LuM等[25]制備多功能納米材料AuNRs@SiO2-IR795，實現集成的PTT/PDT和熒光成像，協同PDT/PTT對體外癌細胞抑制效率顯著增高。
【關鍵詞】 分子影像學 腫瘤 膠質瘤
Abstract: Molecular imaging is a combination of medical imaging technique and molecular biology. It is a noninvasive and real?鄄time imaging on molecule level of the physiological and pathological process inside the human body by using advanced imaging technique， such as positron emission tomography(PET)，magnetic resonance imaging(MRI) and optical coherence tomography(OCT). The application to the diagnosis and treatment for gliomas is one of the most important aspects that molecular imaging concerned. In this article， the principle and the technique of molecular imaging， the applications of molecular imaging to the diagnosis and treatment for gliomas are reviewed.
Key words: molecular imaging; neoplasms; glioma
Lenin在20世紀早期曾斷言[1]：人們只有打破雞蛋才能做煎蛋卷，同樣，人類醫學史上，以前人們也認為只有打開人體取出組織才能探測到人體內部的微觀變化，然而這樣的時代已經過去了。近幾十年來，醫學影像技術得到了長足的發展，隨著影像設備的不斷改進，一些顯示系統已經達到了微觀水平，這些技術上的進步，就使以前的分子離體顯示形成現在的分子在體顯像，即分子影像學。分子影像學是醫學影像技術和分子生物學相結合的新學科，分子影像技術是利用現有的一些醫學影像技術，主要是核醫學（positron emission tomography，PET），核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）和光學成像方法（optical coherence tomography，OCT），對人體內部生理或病理過程在分子水平上進行無損傷的、實時的成像。這一技術不同于經典的影像學，它是應用探針探測分子的異常，而不是獲取分子改變的結局。正因為它是探測分子事件的過程，而不是結果，所以分子影像有助于了解人體目前分子生物學技術正在研究的疾病發生的啟動階段、前期發病過程中的各階段的及疾病形成的分子表達，同時也可以在分子水平了解各種治療的反應，進而有助于認識疾病機制，提高診治水平。
分子影像技術有三個關鍵因素，第一是高特異性的分子探針，第二是合適的信號放大技術，第三就是能靈敏地獲得高分辨力圖像的探測系統。
1 分子影像技術的探測方法
分子影像技術主要的探測方法有三種：核探測方法，核磁共振方法和光學方法。這些方法在探測靈敏度、空間分辨率、時間分辨率等性能方面各有優缺點，應視需要解決的問題來選擇。
1.1 核醫學成像技術
核醫學成像技術是目前分子成像中最為活躍的部分，主要包括PET、SPECT(single photon emission computed tomography)、Plannar成像。其中PET目前應用最廣，基本原理是在體內引入一種直接或間接參與體內生化過程的放射性示蹤劑，并用PET等儀器在體外加以顯像，PET常用的放射性示蹤劑有11C、13N、15O和18F等。該種成像技術廣泛應用于腫瘤學、神經病學、精神病學、心臟病學和基因學的臨床基礎研究。在腫瘤的診斷和治療過程中，需要標記的生化分子必然是某種腫瘤具有特異性顯像能力的物質分子，這種分子或者和基因組中的某個功能團或者與基因片段的配體具有特殊的親和力。通過放射性核素標記過的生化物質在人體內的分布，用模型的方法對這種分布進行解釋，用統計學的方法進行進一步分析，有可能得到對腫瘤診斷和治療有用的信息和規律。
1.2 MRI分子成像技術
用MRI對基因表達和成像的主要優點是其空間分辨率高于PET，且能同時獲取生理與解剖信息，而有望在基因表達及分子成像中發揮重要作用，現有的磁共振分子影像技術主要包括功能磁共振（functional MRI，fMRI）和核磁共振波譜（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。其中fMRI包括灌注成像、擴散成像、局部血容積、局部腦血流和血氧水平依賴性對比度成像（blood oxygen level depended functional imaging，BOLD）等[2]。
1.3 光學成像技術
體內基因表達的光學成像方法，包括熒光、光吸引、反射或利用生物發光作為對比劑，成像系統可基于彌散的光學圖，以表面為主的光學成像、相控矩陣光檢測、同焦點成像、多光子成像、活體內顯微鏡下顯微成像等。
分子影像技術在疾病早期診斷和治療以及研究疾病發生和發展的生物學特性方面有重要作用。惡性腫瘤是臨床醫學研究中的熱點，腫瘤影像學是現代腫瘤研究中的核心技術之一，同時被認為是現代六個重大科學機遇之一[3]。在腫瘤影像學的研究中，充分地展示了多學科交叉的優勢，核藥學、核生物學、影像物理學、放射光學、光電子學等。目前分子影像技術在腦膠質瘤的診斷和治療中研究較多。
2 分子影像技術在膠質瘤診斷中的應用
分子診斷學是建立在分子探針和體內靶（如酶、受體、mRNA messenger ribonucleic acid分子代謝物等）物質的特異性結合的基礎上，使用靈敏度很高的測量系統，從而可以在探針分子的濃度比較低的情況下實現對疾病的檢測，并在不改變檢測過程的情況下得出被檢測人員是否有病或者是否具有某種癌前病變的前期征兆[4]。目前能夠用于分子成像的技術是正電子發射斷層成像（PET）為代表的核素成像、功能磁共振成像（fMRI）、核磁共振波譜成像（MRS）和某些光學成像（optical imaging，OI），這些成像手段可以對人體組織的生物或病理過程在分子水平上，進行無創的靜態的或實時初態的成像。
目前，分子、功能和基因配體成像在腫瘤診斷中的應用主要體現在三個層次上。第一個層次是基于某些腫瘤的形成機制和遺傳有關的事實，通過分析基因序列和腫瘤標志蛋白質，找出易感人群，開展針對易感人群的預防腫瘤醫學。第二個層次是根據分子和基因配體成像可以檢測腫瘤早期疾病的癌前分子改變、基因變化、腫瘤細胞標志物、生長動力學等參數，檢測那些剛剛形成實體的腫瘤，為及時治療提供依據。第三個層次是用分子和基因配體成像技術，解決當前臨床診療中的問題。例如改進目前在臨床上大量存在診斷信息單一，不能確定良惡性、分期和預后不準確等問題，進一步提高診斷的準確率。這三個層次形成了腫瘤影像診斷學當前需要解決的基礎和應用研究方面的問題。
2.1 基因配體和分子成像
這是在第一層次也是在最高層次上實現對腫瘤早期預防預測工作。因為人體的病變首先開始于基因調控的生物大分子紊亂，長期的紊亂會造成生理參數的變化，生物參數的變化引起臟器的器質性變化。所以基因配體和分子水平的病變是所有疾病的源頭。
p53基因是人體內在腫瘤的發生中起著重要作用的抑癌基因，在正常情況下，p53基因是保護正常細胞不受外來侵襲的，但是突變后的p53基因不僅喪失了抑癌的作用，反而成了致癌的因素。在許多病人的很多種腫瘤中已經被證實[5]， p53基本突變是腫瘤最為常見的遺傳變異。然而對p53基因還有很多問題沒有搞清楚。只有在動物實驗的基礎上，用無創傷的人體成像方法對這些問題進行非常系統的深入研究之后，才能逐步把其中的規律搞清楚。
Parletich等[6]用X?鄄ray衍射方法測量得到p53基因和DNA連接的結構圖，他們發現突變可能發生在p53基因和DNA相互作用時的6個活性物質處，也可以以結構斷裂的方式發生突變。這種結構表明p53和DNA之間的特殊序列的結合方式是p53基因能夠起到抑癌作用的核心問題。
從預防的角度看，很多種類的癌癥具有遺傳因素，因此通過對基因的分析可以幫助確定腫瘤的易感人群。對這類人群，一旦通過蛋白質生物芯片技術，結合細胞水平高倍顯微鏡下觀測癌癥易感人群獲得足夠的知識，進行早期檢查是完全可能的。這些易感病人可以因為生活狀況，環境的改善，原來的早期病變消失，所以對這些易感人群進行預防輔導，包括心理輔導、飲食習慣和生活習慣的輔導，采取經常進行體檢的技術措施以及根據家族史對重點部位進行及時體檢，可以使這部分人群不發生癌癥或者發生癌癥之后及時得到處理。
2.2 膠質瘤的早期診斷
腫瘤的亞臨床病灶是指人體內存在的癌細胞團容量小于目前醫學影像設備在臨床上能夠達到的空間分辨率，因而不能在臨床上檢測出來。國際上公認的看法是：實體部分直徑小于4mm的腫瘤被認為還沒有“生根”，也就是說其血管還沒有完全生長，和人體的正常組織的聯系還比較弱，是容易治療的癌癥，被稱為腫瘤亞臨床病灶。我們目前所說的早期診斷是指那些癌組織的實體在10mm以下水平的臨床病灶[7]。
解決膠質瘤的早期診斷問題，主要的成像工具是PET，因為PET的本征空間分辨率已經達到2mm~3mm的水平，而且PET使用的放射性核素包括11C、13N、15O及18F，由這些放射性核素標記的化合物非常多，從而為分子和基因配體成像提供了機會。在所有示蹤劑中，2＇?鄄脫氧?鄄18F?鄄葡萄糖（18F?鄄FDG）臨床上使用最廣泛。對頭部腫瘤進行研究的生物學根據是腫瘤對18F?鄄FDG攝取率的增加[2]。葡萄糖攝取率對正在癌變的細胞相當敏感，這類癌細胞的葡萄糖攝取率增加的幅度相當大[8]，但在實際操作上，企圖直接從18F?鄄脫氧葡萄糖PET圖像中檢測到病灶是不可能的。因為葡萄糖代謝是每個人都有的代謝，而且葡萄糖代謝的分布具有個體差異。因此采集大量的體檢人員的PET圖像，進行有針對性的處理和分析是必要的。除了蛋白質生物芯片檢測技術以外，建立不同年齡段正常人群葡萄糖代謝的標準圖譜也是一種必要的方法。
另一種方法是用藥載動力學來分析經過放射性核素標記的藥物在人體內分布，通過藥載動力學參數的研究，可以把正常的代謝和異常的代謝區分開來，也可以實現對膠質瘤內部組織細胞活性的度量，并和統計學方法結合實現病理水平上的腫瘤組織分割，得到膠質瘤組織的不同邊界，用這種方法確定膠質瘤的亞臨床病灶的問題。
光學成像方法可以探測到體內基因表達。對組織蛋白酶B和H蛋白激酶的成像能發現直徑1mm以下的腫瘤。
轉貼于
2.3 分子影像技術在當前膠質瘤臨床診斷中的應用
在PET成像中，示蹤劑18F?鄄FDG在臨床上使用最廣泛，被證明是探測腦神經膠質瘤、對膠質瘤分級、預測預后、評價治療效果及鑒別復發與壞死的有效工具。它可以進行參數成像，對人體內的生化過程或者腫瘤病理進行定量或半定量的分析[9，10]，還可以根據大腦對葡萄糖的生物攝取清楚顯示大腦的解剖結構[2，11]。11C標記的氨基酸在探測腫瘤殘余組織方面比18F?鄄FDG優越[2]。11C標記的甲硫氨酸（MET）在高級別和低級別的神經膠質瘤中均能濃聚，其在劃定腫瘤范圍時具有比18F?鄄FDG更好的效果，特別是在鑒別低級別的膠質瘤時，腫瘤與周圍正常組織的對比度比較高。MET的這一特點可用于放療計劃中劃定治療的外部邊界。把18F?鄄FDG和MET結合起來預測膠質瘤的級別及預后是一種更好的方法。Bruno Kashten[12]等提出了一種對切除前的膠質瘤進行評價的定量計算方法：用T/MCU值的大小來衡量膠質瘤的級別，其中T代表腫瘤對示蹤劑的攝取值，MCU表示大腦皮質對示蹤劑的攝取值。當T/MCU?鄄F?鄄FDG≤0.8且T/MCU?鄄MET
fMRI可深入細胞、分子水平來評價膠質瘤功能性改變，包括擴散成像、灌注成像和局部血容積、局部腦血流和血氧水平依賴性（BOLD）對比度成像等。
擴散成像之彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是利用組織中水分子彌散的各向異性探測組織微觀結構成像方法。有研究發現DTI可清楚顯示膠質瘤與白質纖維的關系，確定皮質脊髓束與腫瘤間的距離，可用于指導手術[13]。在腦膠質瘤的鑒別診斷上，Krabbe等[14]指出腦轉移瘤增強部位的ADC值高于高級別的膠質瘤的瘤周水腫。
MR灌注成像定量、半定量分析毛細血管的血流灌注情況，反映生理與病理情況下組織的血液動力學改變，評估局部組織活力及功能，對腫瘤灌注值的分析可以幫助腫瘤的診斷與鑒別診斷。
MRS可以測定生物體內局部的特定分子的信號，具有很高的化學特異性，與18F?鄄FDG?鄄PET探測能量代謝率不同，MRS探測的是代謝產物，它是在分子代謝產物的水平上提供癌細胞活性的信息，許多1H譜技術表示腦膠質瘤腫瘤區與正常組織明顯不同[15]，表現為NAA(N?鄄acetyl aspartate)下降，Cho(choline?鄄containing compounds)上升，Cr(creamate)下降，NAA/Cho與Cho/Cr比值非常有助于鑒別高低級別的膠質瘤，NAA/Cho比值越低，表示腫瘤惡性程度越高，相反Cho/Cr比值與腫瘤的惡性程度呈正相關性。Law等[16]通過對腫瘤周圍區的波譜研究發現，高級別膠質瘤腫瘤周圍區的Cho/Cr值明顯高于轉移瘤周圍區的相應值。
3 分子影像技術在膠質瘤治療中的應用
3.1 基因治療
基因治療是將外源性正常的治療性目的性基因用基因轉移技術導入到靶細胞中，通過基因表達過程，使其表達產物起到對疾病的治療作用。在基因治療中需要及時監測目的基因的轉染及表達情況。如果將目的基因和標記基因拼接起來，可以通過監測標記基因來判斷目的基因的存在情況，在此理論基礎上發展起來了影像標記基因技術。
有學者[17]對某種特殊的癌癥進行臨床初步試驗的結果表明，利用有缺陷的E1B?鄄55KD型腺病毒和有缺陷的p53基因結合在腫瘤細胞中復制，有可能激活p53基因使得癌細胞自殺，從而達到治療腫瘤的目的。單純皰疹病毒Ⅰ型胸苷激酶（HSV?鄄TK）作為許多抗腫瘤基因治療中的前體藥物轉化酶，HSV?鄄TK可以將低毒的藥物轉化成毒性化學物，導致腫瘤細胞的死亡[18~20]。通過核技術的基因表達成像說明了HSV?鄄TK的可行性。雖然至今許多實驗尚未能進入臨床應用，但設計在某類腫瘤異性表達的分子靶作為分子影像的靶點，是可以借鑒該類思路的。
3.2 化 療
高分辨率的microPET的出現，為新藥的研究和開發提供了一個新的技術平臺，它能在同一活體動物上全程監測放射核素標記的新藥在體內的變化，也可在任意時間間隔無創傷地重復研究。此舉可大大提高新藥研究的有效性和準確性，縮短新藥研究的周期，減少新藥研究的投入資金，故已引起了全球醫藥界的極大關注。
臨床上腫瘤化療的失敗主要是由先天性和獲得性腫瘤多藥耐藥（multidrug resistance，MDR）引起的。MDR現象的發生是因為動物和人類基因組中本身就存在著MDR基因，那些對化療不敏感或療效較差的腫瘤中往往有MDR基因的過度表達。MicroPET是研究體內功能性轉運的有效技術，因此，在腫瘤細胞多藥耐藥的基礎研究和多藥耐藥逆轉成分的研究中，可發揮獨到的作用。MDR顯像在臨床上有很大的用途：（1）診斷和定位MDR相關基因過度表達的腫瘤；（2）預測化療的療效；(3) 篩選MDR調節劑，確定MDR調節劑的用藥劑量和抑制MDR作用的時間。目前用得最多的MDR顯像劑是99mTC標記的脂溶性+1價陽離子，如99mTC?鄄MIBI、99mTC?鄄tetrofosmin。
3.3 放 療
11C標記的甲硫氨酸在劃定膠質瘤范圍時具有很好的效果，它在腫瘤中的累積相對較高，而在正常腦實質中的累積相對較低，MET的這一特點可用于放療計劃中劃定治療的外部邊界。另外用fMRI方法一次采集腫瘤及其周圍組織盡可能多的參數，例如局部血容積、局部腦血流、BOLD等參數成像，并用氧灌注成像的方法進行氧增強的灌注成像，把這些結果和PET/SPECT的成像結果進行比較，對圖像信息進行整合和系統分析，并把研究結果用一個生物學模型歸納到膠質瘤放療的生物學模型，從而有效指導放療計劃。而對于腦膠質瘤外科手術切除后的殘余腫瘤實行放療中最大的問題是易復發，其中重要的一個原因是膠質瘤中存在有大量的乏氧細胞，這些乏氧細胞對射線不敏感。已有多個學者發現，對膠質瘤術后病人給予吸入高壓氧后立即進行放療能顯著改善病人預后，延長存活時間[21，22]。
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中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）45-0076-02
伴隨光學顯微鏡技術的飛速發展，顯微技術也在相應的不斷進步。經過有關光學系統及信息處理能夠使顯微鏡的分辨率大幅提高，用于生物樣品三維信息的獲取、記錄、處理和顯示的顯微鏡成像系統也得到了很大發展。在顯微鏡成像過程中，其所獲取的每一幅圖像都包含了焦平面和焦平面外的光信息，焦平面外的信息對所成圖像造成了很大的模糊干擾，因而使得圖像清晰度降低甚至無法識別。為了去除這些離焦光信息，人們嘗試了許多解決辦法。激光掃描共焦技術在熒光顯微成像的基礎上克服了離焦平面信息的干擾，從而得到了清晰地聚焦平面的圖像。但是其缺點也是很顯然的：其價格昂貴不利于技術的普及;不能得到樣品完整、真彩的圖像;由于需作二維逐點掃描，其成像速度受到限制，不能對樣品實施快速動態成像。寬場顯微鏡是一套傳統的顯微鏡，其價格便宜，可廣泛用于各種行業實現對樣品的快速觀測，為了實現對樣品的三維觀察，首先需要對樣品進行光學切片，在基于寬場顯微技術的基礎上經過對顯微鏡的改進，可采用各種方法實現寬場顯微鏡的光學切片成像。隨著對微觀世界更深入的研究，人們希望進一步提高光切片質量和切片的速度等。本文將介紹幾種基于寬場顯微技術的快速三維成像技術。
一、非干測量的寬場光切片技術
細胞膜的活動在細胞的力學中扮演著重要的角色，因此觀測細胞膜的三維結構是非常重要的。一般我們使用相襯和熒光顯微鏡技術去觀察它的活動，然而這種光學觀察只能提供細胞邊界的信息，很難去了解細胞表面的拓撲結構。為了清楚實時地觀察到生物樣品的三維結構，這種儀器應該滿足分辨率高、成像速度快、視野大等多種要求。在基于寬場顯微光切片的技術基礎上，可以采用一種新的光學技術――非干涉測量的寬場顯微鏡光學輪廓測量技術來實現這一要求。這一技術不需后期的掃描機制即可得到三維圖像，系統中探針是浸入水的物鏡，它的工作距離在毫米范圍內。圖1顯示的是實驗裝置，該裝置采用傳統的光學顯微鏡作為主要的設備，使用一個功率固定的鎢鹵素燈作為光源，它的功率波動范圍為小于1%，帶通濾波片的波長范圍為350～610納米。這套系統使用柵格圖案在空間相位0，2π/3，4π/3獲得三幅圖像，然后使用零查探測原理去刪除這個柵格圖案獲得光學剖面圖像，通過對圖像的后期處理即可呈現樣品的3D結構。
二、基于Z軸自動控制寬場光切片技術
在對細胞或者微小的樣品進行觀察時，顯微鏡是必不可少的工具，但是一般的顯微鏡包括寬場顯微鏡只能觀察他們的二維圖像，為了得到三維的圖像，需要在顯微鏡的z軸方向上進行光學切片，得到不同焦平面的圖像，然后利用計算機技術實現三維重構。為了在寬場顯微鏡中得到Z軸上不同的焦平面信息，需要對軸進行微調，Z軸方向每上升或者下降一定的距離獲取一副圖像。傳統的方法是用手動的方式去調節Z軸的旋鈕，達到Z軸上升或下降的目的。這種方式使得得到的斷層掃描圖像難以獲得足夠的精度和足夠薄的切層厚度，而且各個斷層圖像的層厚變得不均勻，這樣將在很大程度上影響圖像的三維重構效果，同時在進行斷層掃面時圖像的拍攝時通過手動的方式控制拍攝，這樣拍攝一副斷層圖像需時過長，在熒光樣品拍攝前往往已經暴露在激發光的強光之下，這樣大大增加了樣品被強光漂白導致損傷的危險。因此，一種采用全自動寬場顯微光切片的技術將具有重要意義。
這種技術能通過計算機控制顯微鏡物鏡Z軸作精確的微動，來對樣品進行逐層掃描成像，其精度可達到納米級，同時它還能控制攝像系統對每層斷層圖像進行自動的攝取與存儲，不需人工干預。因此，在光路中加裝一套激發光快門開合系統，通過計算機同步控制快門開合系統和自動數碼成像（或視頻圖像）拍攝系統，這些裝置的增加對寬場顯微光切片技術有著非常重要的意義。這樣的一套系統可廣泛應用于各種醫學和生物研究領域，特別是需要觀察三維斷層的相關領域如生物醫學成像與生物醫學材料的領域，具有非常重要的實用價值。
三、變形光柵光切片技術
要想得到物體不同層的圖像，傳統的方法是移動透鏡或者相機，但是在一些應用中物體或者成像條件是快速變化的，需要設備能在相同條件下同時捕獲多個層的圖像。其中一種方法是采用分束器，將一束光分成幾束，然后使用多個相機來獲得圖像，通過移動相機來達到獲取不同焦平面圖像的目的。但是這種方法會導致復雜的光學系統并且需要多個同步相機。一種使用特別設計的變形光柵能被當作分束器使用，在單圖像平面同時記錄多個物體不同焦平面的信息，這將只需要一個簡單的光學系統便可實現同時獲取不同層面的圖像，大大降低了成本。使用變形光柵同時得到多個物層面圖像的方法原理在于，變形光柵是一個二元位相光柵。其暗區域能增加光學厚度，它在非零衍射序列具有聚焦的功能。特別設計的光柵在每一個變形序列上具有不同焦長的透鏡的作用，在圖像視野產生假的三維圖像。光柵焦長和圖像面的分離是通過設計光柵結合物體放大倍數實現的。該技術的基礎是變形的衍射光柵，它的光柵線由一個半徑為二次方程的光柵線構成。它產生的光柵線是圓弧并且它的中心是偏離透鏡軸中心的，如圖2所示，變形光柵扮演一套透鏡的功能，它能修改每一個衍射序列（+1，0，-1）的焦長，這導致三個物面在同一個探測器面上呈現。當光束進入系統時，零序列衍射產生一幅激光束焦斑圖像，+1和-1序列提供光束焦平面后和焦平面前兩個層面的圖像。因此，利用這種技術可在不需要任何掃描特別是縱向掃描，可實現對樣品多層面同時一次成像。但是缺點是一次只能進行三層成像，需要更多層數成像需要加裝Z軸掃描裝置。
四、基于變焦透鏡的寬場顯微光切片技術
這種技術原理類似于前面介紹的基于Z軸自動控制寬場光切片技術，將Z軸的機械控制裝置用可變焦的透鏡來代替。通過改造寬場顯微鏡可實現這一功能，如圖4所示。在該設備中，需要自制一模塊，該模塊包含一些透鏡和可電控的變焦透鏡放置在靠近物鏡的地方和成像端口想連接，同時為了在目鏡中能觀察到清晰的圖像許在目鏡端口加裝一相同變焦透鏡。這一裝置進行光學切片的原理相對比較簡單，通過計算機或者其他裝置控制變焦透鏡的驅動裝置，改變電流，透鏡的焦距會隨著電流大小發生變化，焦距變化后可得到樣品不同層的光學信息，完成光學切片的功能。通過實現計算機控制，可實現快速自動寬場顯微鏡光學切片技術。另外為了讓顯微鏡的改造變得更加簡單，可以在顯微鏡的成像接口處加裝一套帶有變焦透鏡的中繼成像裝置。這一技術在原理上并不復雜，結構簡單，不需要加裝機械掃描裝置，減少了使用機械裝置進行掃描時帶來的震動，同時通過精密電流控制可使得描層厚均勻，但是掃描需要時間比較長，為實現實時快速的掃描帶來了挑戰。
五、小結
上面介紹的快速寬場顯微鏡光切片技術各有優缺點，他們大多數需要對Z軸進行掃描，不僅影響了掃描速度，而且使用高精密的控制設備成本也比較高，掃描層厚也不均勻，針對這些缺點，我們可以在寬場顯微鏡的基本框架結構上，結合多種寬場光切片技術實現實時觀察樣品，另外發展一套新的快速實時寬場顯微光切片技術。例如在顯微鏡的成像接口處加裝一套變形光柵系統和變焦透鏡，可以在改變一次變焦的同時獲得三層切片圖像，可大大縮短切片的時間，降低樣品長時間暴露在強光下導致的光損傷，它能快速的進行實時光學切片。這樣的一個系統預期可廣泛應用于各種需要進行實時三維斷層觀測的領域如生物醫學，生物材料等領域，具有非常重要的實用價值。
參考文獻：
0 引言
從第一次近紅外光學成像運用于嬰兒的腦功能成像研究到現在已經有十多年了。未來10年NIRS不斷的改良和應用將會對我們了解發展的大腦做出重大的貢獻。我們相信fNIRS會在我們現在對于發展的大腦的皮層活動的了解與成人大腦功能之間架起一個重要的橋梁。同時，現在的大量的前言語階段嬰兒行為研究絕大多數應用的是注視時間范式，很大一部分發展的認知神經研究的水平還比較低。fNIRS允許我們解釋在人類早期發展中皮層活動定位和行為反應之間的關系。此外，NIRS系統并不昂貴，也還比較便攜，能夠允許嬰兒坐在父母的膝上一定程度的活動，而且更重要的是血液動力學的空間定位結果可以跟成人的腦功能fMRI數據進行比較。fNIRS是理想的研究嬰兒的工具。
神經活動產生于神經元細胞的電傳導活動。在神經元活動的新陳代謝中，神經元細胞會發生一些改變，氧消耗會顯著的增加，附進的腦血流量和氧提供也會增加。一個典型的成人皮層神經活動的血液動力學反應是血流中的含氧血紅蛋白的增加和一個不那么顯著的去氧血紅蛋白的減少，這些導致了血流中總血紅蛋白的增加。神經影像學方法分為兩種：一種是腦活動直接激活的觀察（EEG、MEG）；另一種是隨之發生的血液動力學反應（PET、fMRI、fNIRS）。
這些技術都是建立在成年被試身上的，運用于嬰兒被試要么是有一些嚴格的限制因素，要么干脆就不能夠運用，也有一些運用這些技術研究嬰兒的文章公開發表過，①但是這些研究一般都是限制在睡著的、昏昏欲睡的年幼嬰兒被試身上。許多年來，研究清醒嬰兒的腦功能成像的首要選擇是EEG，這是一種非介入式的技術，擁有很高的時間分辨率，但是空間分辨率非常低。fNIRS的出現提供了研究嬰兒腦功能成像的一種新的選擇。
運用NIRS研究嬰兒的腦功能活動是一個增長很快的領域。自1998年以來論文的數量每年以5倍于上年的速度增長。但是早期的fNIRS研究關注的是對于基本刺激的大腦皮層的激活區域，如語音知覺的聽覺區，或者是高頻閃光的視覺區，直到最近以來，研究者們才開始關注對一些復雜刺激的多種腦區的的激活。此外，越來越多的研究者開始關注清醒嬰兒的編碼問題，如客體加工、社會交往、生物運動加工、運動觀察、人臉加工。在這些研究中，fNIRS被用來定位一些特殊皮層的血液動力學反應，如顳上溝（注視、生物運動加工），眶額皮層（母親面孔、情緒感知），感覺運動區（動作觀察），前額皮質（客體永恒性），枕顳皮層（動態對象）。定位激活的皮層區域，允許被試輕微運動，這是用fNIRS研究人類早期發展的大腦最顯著的特點。
1 近紅外光學成像：基本原則和方法
這項光學技術中，光線從發射器中發射出來，經過皮膚、顱骨、下面的腦組織反射回接收器。②光線（波長在650nm-1000nm）的衰減即取決于組織對光線的吸收，也取決于光的散射效應。此外，含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對于近紅外光線的吸收有不同的特性，這樣，血氧水平就可以被測量了。假設散射是恒定的，那么測量出來的近紅外光線衰減的改變值就能夠用來計算含氧血紅蛋白(HbO2)、去氧血紅蛋白（HHb）、總血紅蛋白（HbT=HbO2+HHb）的值了。了解完組織中的光學路徑，HbO2、 HHb 、HbT可以用molar為單位表達出來。這種血氧蛋白的改變可以用來標記大腦血流的變化，因此它可以為研究腦功能提供一個新方法。③
先前的研究指出，NIRS得到的血液動力學參數和fMRI得到的BOLD（血氧依賴水平）是相似的。值得注意的是，不同于fMRI的BOLD數據，fNIRS可以分別測量HbO2和HHb的濃度數據。
2 嬰兒fNIRS研究的發展和應用
嬰兒fNIRS研究相對于以成人為被試的研究會有更高的剔除率。剔除的這部分其中大概有40%是不符合要求的數據。這很大一部分可以歸因于設計這樣一個方法是困難的，它要求將一個復合的發射-接收器探頭戴到嬰兒頭上，并且要既有效又舒適。因此，很多的時間跟精力被用在改進NIRS上，為使它成為嬰兒研究的有效工具。一個能夠用于嬰兒研究的NIRS頭套要求是它必須舒適，輕巧，能夠在很短的時間內安置完畢，必須提供在每一個通道提供穩定的光學測量數據。不像成人實驗那樣，在嬰兒頭上停止實驗調整頭套，然后再開始實驗是不可能的。頭套必須能夠穩固的固定在頭上，嬰兒任何的移動都不會改變發射-接收器束帶的位置，這樣可以排除光學信號中的運動偽跡。頭套上一系列的通道必須被一個半剛性的結構包圍，還要有一些柔韌性使之能夠貼合頭部，同時，每個發射器和接收器之間還要維持一個固定的間隔距離。脆弱的光纖從頭套出來的時候要遠離嬰兒的面部和他能夠用手夠到的距離。在戴頭套的過程中，嬰兒不能過分的搗亂（這會導致他們不想開始實驗），在記錄數據的過程中，頭套不能顯眼，以避免嬰兒在實驗的過程中分心。
在未來，fNIRS一個可能的研究領域是調查個體間的差異，舉個例子來說，它也許可以幫助確診嬰兒身上一些典型和非典型的癥狀，看他是否有可能患上孤獨癥這種發展異常的疾病，從而對診斷和治療提供一些貢獻。這種臨床研究的樣本量通常會很小，因此頭套的最優化設計就顯得尤為重要，這樣才能得到完整的光學數據，并且使剔除的數據盡量變得更少。
參考文獻
前言：對光電成像系統性能的評價主要涉及光學系統和光電成像系統的優化。在對光電成像系統的優化過程中，涉及材料、機械和電子等多門學科。隨著科技的不斷發展，陣列探測器更新換代的速度相對較快，為了滿足陣列探測器的發展需求，加強對光電成像系統的研究，并且對其進行性能優化具有重要的價值。
1.對光電成像系統的性能優化
對光電成像系統的性能優化目標主要是對光學和電學內容進行設計，并且提升光電成像系統的性能，同時降低系統的制作成本。在光電成像系統中，探測器的性能主要是由電荷擴散、幾何尺寸和位相時鐘等因素決定。在使用的過程中，探測器的性能同樣受到環境、運輸和溫度等因素的影響。
在設計師對光學系統進行設計時，要根據成像倍率和瞬時視場角來決定光學系統的焦距；并且要根據信噪比來設計孔徑；同時要根據尺寸來設計相應的視場角；另外，要根據使用換環境和加工難度來設計相應的傳遞函數余量。在理想的光學系統設計中，艾里斑直徑為2.44λF，光學系統函數的截止頻率為1/λF，探測器函數的截止頻率為1/d，當艾里斑直徑為1個像元時，艾里斑直徑為d，光學函數截止頻率為2.44/d。但是當艾里斑為一個像元時，系統明顯的缺乏采樣，繼而會導致探測器受到一定程度的限制。當系統傳遞相應的頻譜時，將會導致成像失真[1]。
針對系統成像的失真問題，設計師在設計系統的過程中，可以采用增加空間采樣頻率的方式來提升系統的分辨率。其主要體現在以下幾個方面：第一，當系統的艾里斑直徑為2個像元時，系統同樣欠缺采樣，這種設計方式主要應用于航空相機和空間相機，其傳遞函數相比于設計值較低。第二，當艾里斑函數為3個像元時，光電系統的傳遞函數較為容易達到0.1，其一般應用于中小型的光電成像系統。第三，當艾里斑函數為4個像元時，光電系統的分辨率相對較高，適用于實驗室等設計環境。由此可見，在光電成像系統的性能優化設計中，增加系統空間采樣頻率的方式可以較好的提升系統的分辨率，進而可以達到光電系統的使用性能[2]。
2 系統誤差對函數的影響
在光學成像系統的設計中，由于涉及、制造和使用的過程中會出現相應的誤差，繼而會降低傳遞函數，從而會影響光電成像系統的使用性能。根據科學研究顯示，其影響性能的因素主要體現在以下幾個方面：
2.1波像差對函數的影響
在光學系統的設計中，波像差會對系統的分辨率產生較大的影響，而在系統的設計中，加工環境、設計和使用等變化均可以影響波像差的變化，從而會影響光電成像系統的使用性能。在光電系統的設計中，其下降因子與波像差之間的關系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系統的波像差，單位是波長，ATF（v）是函數的下降因子，表示空間頻率。當系統的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125時，系統的下降因子會達到在最低值。因此，在設計師設計光學成像系統的過程中，需要對波像差和函數下降因子進行合理的分析，以便可以保證系統的使用性能[3]。
2.2離焦對函數的影響
在光學成像系統的設計中，需要對系統進行調焦，當調焦過程中出現誤差，對系統的函數會產生較大的影響。當離焦的彌散斑直徑是d的時候，離焦的函數如公式2所示：
在公式2中，MTF（u）為離焦，當探測器像元的尺寸分別為10%d-d時，離焦函數的下降幅度越來越大。在設計師設計系統的過程中，為了保證系統的分散率，必須將探測器的像元尺寸控制在30%d以內，以便可以保證光電成像系統的使用效率。
2.3像移對函數的影響
在光電成像系統的使用過程中，在曝光時間內，像在像面內會出現移動，從而會在一定程度上導致函數下降。像移主要包括線性異動、高頻隨機振動和正弦振動。當系統的線性位移數值為d時，系統函數如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空間頻率，當系統探測器像元的尺寸分別為10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d時，像移的下降幅度會逐漸增大。
在光電成像系統的設計過程中，光電的函數主要是由波像差、離焦和像移的乘積得到。對于光學遙感中的光電成像系統，在設計的過程中，可以將空間頻率設置在0.5左右，在光電系統加工后，其函數應該控制在0.2左右。而系統最終應用的函數應該控制在0.1左右[4]。因此，在光電成像系統的使用過程中，只有設計師根據實際使用要求來進行設計，才可以達到最佳的使用性能。
3 系統的平均傳遞函數
在光電成像系統中，光學傳遞函數在線性空間內屬于不變的系統，但是探測器取樣會不斷的發生變化。在系統的使用中，為了滿足系統的使用需求，設計師可以采用平均函數的方式來表示空間頻率的變化，以便可以更好的對光電成像系統的性能進行優化。在光電成像系統的使用中，隨著系統sin函數和cos數值的不斷增加，系統的相位值會逐漸縮小，并且逐漸趨于標準理論值。在數據的使用過程中，規定相應的相位等于0.因此，在光電成像系統的設計過程中，設計師應該盡量的減少函數的數值，以便可以保證系統的分辨率。
4 系統的信噪比
在光電成像系統的使用過程中，信噪比是影響系統的重要指標。在信噪比的使用過程中，主要分為紅外系統信噪比和光系統信噪比。其分別如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示紅外系統的信噪比，其中F為孔徑數，L為地面的輻射亮度。通過公式4，可以較好的對系統的數值進行計算。
在公式5中，Se為信號電子數，Ne為噪聲電子數，De為暗信號輸出的電子數。在系統的設計中，設計師要根據實際情況來合理的選擇信噪比的數值。
結語：光電成像系統的設計關系著其分辨率的大小，繼而會影響人們對光電系統的使用性能。希望通過本文的相關介紹，設計師在設計光電成像系統的過程中，可以合理的設計像移、離焦和波像差，以便可以更好的提升光電系統的使用性能。
參考文獻：
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近年來新興的活體成像技術為生物醫學研究提供了新的平臺。其可從細胞或亞細胞水平對體內的生物學過程進行直觀觀察和量化分析，具有操作簡單，靈敏度高，無創性，觀測結果的直觀性和連續動態性等特點[1-2]ENREF1。 相對于熒光素酶生物發光成像較強的特異性和高信噪比，熒光成像應用于活體內時因其需要激發光源而造成較強的背景噪音，靈敏度較低，而用于體外細胞及組織標記具有一定優勢。利用熒光蛋白和熒光素酶對細胞或動物進行雙重標記，前者可用于體外檢測和細胞生物學觀察，后者用來進行活體動物體內追蹤研究[3-4]ENREF1。本研究構建了穩定表達螢火蟲熒光素酶-綠色熒光蛋白（Fluc-eGFP，DF）的人乳腺癌MDA-MB-231細胞系，并在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，并應用活體成像示蹤監測標記的乳腺癌細胞在小鼠體內的分布、存活及增殖。
1資料與方法
1.1一般資料 細胞，質粒和實驗動物：人乳腺癌MDA-MB-231細胞系購自ATCC，人胚腎細胞系293T， Flu-eGFP慢病毒表達質粒（圖1）由南開大學醫學院免疫學實驗室惠贈。6～8周齡健康NOD/SCID雌性小鼠，購自北京大學醫學部實驗動物科學部，飼養于SPF級環境。
1.2試劑及儀器 DMEM 培養基，Fluc底物luciferin，活體成像設備（IVIS 200），流式細胞儀。
1.3方法
1.3.1慢病毒的包裝 將生長旺盛的293T細胞以1*106的密度接種在6孔板內。細胞密度達到90%融合度進行轉染。將轉染試劑和三種慢病毒包裝質粒混合，靜置20 min后加入293T細胞培養孔內，4 h后添加2 ml全培養基，16 h后換液，換液24 h后收集病毒上清。
1.3.2慢病毒感染MDA-MB-231細胞及陽性細胞的篩選 將231細胞以10%的密度接種在六孔板內，加入1ml慢病毒上清，2 ml DMEM培養基，24 ug Polybrene。常溫下1600 r/min離心1 h。換成全培養基培養擴增。用流式分選出GFP表達陽性的細胞群。熒光顯微鏡觀察GFP的表達情況。
1.3.3 Fluc-eGFP標記的MDA-MB-231細胞GFP和Fluc表達分析 利用流式細胞術檢測構建的231-DF細胞系中GFP表達率。231-DF細胞消化后分別以不同梯度的細胞密度接種入6孔板內。培養1 d后應用活體成像儀檢測Fluc的表達。成像時向6孔板每個孔內加入500 ul底物溶液（1：100稀釋），掃描時間1 s。用living imaging 軟件分析處理數據。
1.3.4小鼠皮下移植瘤模型的建立 將培養的狀態良好的231-DF細胞消化，制備單細胞懸液，調整細胞數為2×107/ml，用水合氯醛麻醉小鼠，100 ul上述細胞懸液注射至小鼠兩側肩部皮下。
1.3.5活體成像監測移植瘤的生長狀況 自接種第2 d起，每7 d應用活體成像檢測接種小鼠體內Fluc發光信號，研究移植瘤的生長情況。每只小鼠成像前腹腔注射200 ml的熒光素酶底物，氣體麻醉后放入樣本暗箱內成像，掃描時間30 s。
2結果
2.1慢病毒感染231細胞及陽性細胞的篩選 熒光顯微鏡下觀察231細胞轉染率在80%左右。流式分選出GFP陽性細胞群，GFP表達率在95%左右，經傳代擴增5次后表達率無明顯變化，見圖2。
2.2 231-DF細胞Fluc表達分析 在6孔板連續的5個孔內，隨著細胞密度依次遞增，熒光信號的強度也依次增強（圖3）。說明我們用DF標記的231細胞表達的Fluc蛋白在體外能夠使用活體成像檢測到。以熒光信號強度對細胞數做一線性回歸分析（圖3），R2=0.99，表示熒光強度與細胞數之間存在線性正相關。上述結果提示Fluc的信號強度可作為測定活細胞數的標準。
2.3小鼠皮下接種成瘤及活體成像 NOD/SCID小鼠皮下接種經231-DF細胞約2 w后接種部位出現腫瘤結節，所有實驗小鼠均接種成功，隨時間推移，移植瘤呈圓形或橢圓形生長。于接種第2 d起，成像1次/w，觀察到Fluc信號強度隨時間增強，提示小鼠體內移植瘤的生長（圖4）。
3討論
慢病毒介導的基因轉染能夠使外源性基因整合入宿主細胞基因組內，對轉錄沉默作用有較強的抵抗能力[5]，本實驗中DF基因在MDA231細胞內能得到長期穩定的表達，可準確的反映腫瘤細胞在實驗動物體內的生存狀態。報告基因DF表達eGFP-Fluc融合蛋白，因此可在體外以GFP篩選表達陽性細胞群，建立穩定細胞系。用流式細胞儀進行GFP表達分析，發現連續傳代5次后，GFP陽性細胞的比例維持在95%左右。融合基因的優勢在于既可進行活體內成像研究、也可從體外驗證所標記細胞的分布和功能，結果證明，對于穩定轉染了DF基因的細胞系，活體成像的熒光強度與細胞數成正比。
本研究采用慢病毒轉染技術，建立了穩定表達雙融合eGFP-Fluc蛋白的人乳腺癌MDA-MB-231細胞系，在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，利用活體成像監測荷瘤小鼠體內腫瘤細胞的存活和增殖。結果提示雙報告基因標記技術為進行體內移植瘤成像提供了較大便利。可用于活體成像的小鼠皮下移植瘤模型為乳腺癌相關機制及治療研究提供了直觀，準確的平臺。
參考文獻：
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摘要：介紹了一種新興的腦功能成像技術--近紅外光譜技術（fNIRIS），闡述了fNIRIS的基本原理及該技術在語言、記憶、閱讀等人腦的高級認知中的應用，討論近紅外光譜技術的優勢和不足，并對其在認知神經科學方面提出研究展望.
關鍵詞 ：近紅外光譜技術；認知；大腦前額葉
中圖分類號：Q632；B842.1文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）05-0038-02
1 前言
現有的腦功能成像技術由于設備龐大、偽跡影響較大、造價較高等原因，不適用于研究以兒童、老人及特殊人群為研究對象的腦功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高級神經活動的認知過程.然而近幾十年來新興的近紅外光譜技術（fNIRIS）是一種能補充上述腦功能成像技術的不足，同時也是一種能為認知神經科學研究提供新視角的技術，普遍被認為具有良好的發展前景.該技術具有價錢便宜、容易攜帶和移動、沒有噪音污染、對被試無創和實驗過程中被試動作不影響實驗效果等優點.本文主要介紹近紅外光譜技術的基本原理；縱觀該技術在自然情境下，如何研究語言、記憶、閱讀等人腦的高級認知；并討論近紅外光譜技術的優勢和不足.
2 近紅外光譜技術的基本原理
2.1 近紅外光譜技術的生理學原理
近紅外光譜技術以生物組織光學特性為基礎，結合光在組織中的傳播規律，探究在生物組織中經過散射、吸收等一系列過程后的出射光攜帶的生化信息，研究目標是找到生物組織中的吸收色團，如氧合血紅蛋白（HbO2）、脫氧血紅蛋白（Hb）等濃度的定量測量方法，為臨床和研究提供方便可靠的監測指標.近紅外光譜技術旨在探求組織表面下數毫米的組織光學特性.在生物組織中,光子會歷經數千次的彈性散射事件與數次源于吸收發色團的吸收事件,而兩種組織中主要的吸收發色團為HbO2和Hb,二者在600nm到900nm的光譜范圍中擁有截然不同的吸收光譜.近紅外光譜技術可以依據對所測量的HbO2和Hb濃度準確定位測量點所在位置的局部腦活動，這樣就可以根據在進行認知活動時HbO2和Hb的濃度相對變化，推知那些腦區參與認知活動，及這些腦區之間的關系.所以，研究人員可利用近紅外光譜技術研究腦高級認知活動的神經機制.
2.2 近紅外光譜技術的測量指標
近紅外光譜技術能測兩種濃度變化：一種是測量腦認知活動過程中相關腦區中脫氧血紅蛋白濃度以及氧合血紅蛋白的濃度發生的變化趨勢；還有一種則是測量腦認知活動過程中腦區總血紅蛋白濃度變化.研究人員在統計相關指標時常常使用的是氧合血紅蛋白指數、脫氧血紅蛋白指數以及總血紅蛋白指數這三種數據.[1]
2.3 近紅外光譜技術的儀器構成
腦功能近紅外光譜檢測系統主要由柔性探頭、測控模塊和計算機3個部分組成.測控模塊由計算機事先設定的時鐘控制頻率.近紅外光是從柔性探頭上的四個光源發出的，光源是利用時分復用技術由光源驅動單元依次點亮的.儀器工作時，特定波長的近紅外光照射在待測生物組織上，光信號經過生物組織衰減后被探測器接收，然后在探測器中進行光電信號的轉換和信號的放大.經過信號放大、濾波等處理前端模擬信號經USB接口輸入到計算機中.然后由計算機即時對信號數據進行處理，計算出血氧濃度隨組織活動的變化并呈現在界面上，由此可推測出相關組織區域的活動強弱.[2]
3 近紅外光譜技術在高級認知神經科學研究中的運用
3.1 近紅外光譜技術在工作記憶研究中的應用
華中科技大學生物醫學光子學教育部重點實驗室已經展開了關于各種腦功能的研究.如采用n-back作業范式研究工作記憶中大腦前額葉的活動情況.我們都知道，工作記憶的作用在于初步加工和短暫存儲被激活信息，以備進入長時記憶或提取等，其對完成學習、語言理解及問題解決等腦的高級認知活動十分重要.由于工作記憶的中央執行系統中的信息執行控制過程十分難理解，內容包括計劃、注意、任務及監督管理等各種認知成分，這些不同功能很難在大腦功能的影像中嚴格分開.研究利用fNIRIS系統，采用言語性n-back作業范式，監測被試在執行言語性n-back任務時前額葉皮層的激活情況，并分析被試行為表現及腦激活數據.[3]另外他們還研制了一種更實用的三波長近紅外腦功能光學成像系統，從而考察被試行為表現及前額葉的工作記憶負荷效應，進而研究較高記憶任務條件下，被試前額葉腦區激活情況對其行為表現的影響.一系列的研究結果表明，被試前額葉的工作記憶負荷效應顯著：前額葉皮層激活腦區具有典型的激活模式，被試的錯誤判斷引起額外的前額葉皮層激活；前額葉皮層活動的功能側化現象顯著，記憶負荷越大，側化指數越小；較高記憶負荷下，被試激活腦區活動程度與其行為參數之間存在著規律性聯系.隨著近紅外光譜技術的發展及其在工作記憶方面的研究應用，利用近紅外光譜技術得到的研究結果必將為工作記憶的腦機制的研究提供更加科學可靠的實驗數據，為不斷加深對工作記憶的認知加工過程的研究做出更多的貢獻.
3.2 近紅外光譜技術在自然情境下認知過程研究中的應用
由于近紅外光譜技術的設備較小，輕便，能進行長時間的重復測量，并且被試實驗過程中的動作對腦成像影響不是特別明顯，因此適合研究自然情境下認知過程的神經機制.如Nagamitsu等人采用近紅外光譜技術研究被試在觀看視頻游戲時大腦局部血容量，實驗過程中要求被試玩巧妙的游戲.實驗結果發現，在玩游戲過程中五個成人被試中有四個被試的大腦雙側前額葉的總血紅蛋白濃度上升顯著；七個兒童被試中有兩個被試大腦雙側前額葉的總血紅蛋白濃度顯著下降.研究結果表明，大腦前額區氧合血紅蛋白和雙側運動區氧合血紅蛋白的濃度呈顯著正相關[4].近年來，研究者不斷采用fNIRIS研究大腦前額葉在睡眠、和倫敦塔任務等自然情境中的變化，取得了一系列重要的結果.并且研究者還將此技術用于研究模擬駕駛、電子游戲、教育及咨詢情境中的大腦的認知活動研究.近年來，近紅外在便攜、無傷害性等方面的發展成熟，為在自然情境中研究大腦認知活動機制提供了有效的技術手段.隨著近紅外光譜技術的廣泛應用，日常生活狀態下人們認知過程的神經機制將越來越能被腦功能成像的結果所解釋[5].
3.3 近紅外光譜技術在發展性閱讀障礙研究中的應用
發展性閱讀障礙是一種較常見的學習障礙現象.發展性閱讀障礙的兒童通常有與正常兒童水平相當的智力，他們享有共同的教育機會，但是前者的閱讀水平顯著落后于后者.以往研究中，其它功能監測技術對閱讀障礙兒童大腦功能進行監測所得到的結果各有不同.鑒于此研究者采用fNIRIS設計了恰當的實驗范式，以漢語閱讀障礙兒童為研究對象，研究其大腦皮層活動在進行漢字語音和語義加工時與正常兒童的差異.研究結果表明漢語閱讀障礙兒童在執行漢字閱讀任務時，左前額葉皮層中血容增加的區域明顯小于正常兒童，且血容增加的幅度較正常兒童低.實驗結果為閱讀障礙的神經生理學研究提供了可靠證據.[6]
目前隨著光電技術和信息技術的發展進步，近紅外光譜技術在大腦功能活動的監測上得到了進一步的發展.不僅如此，在研究嬰兒大腦方面，由于其大腦發育尚未完全、體積較小、幾何結構較簡單、光學特性參數也比成人腦有規律，便于研究，因此近紅外光譜技術在研究對嬰兒大腦的發育與發展方面也十分有效.另外一些研究者使用近紅外光譜術研究語音識別時被試皮層的活動，都得到了一些重要的發現.
4 近紅外光譜技術的優勢與不足
4.1 近紅外光譜技術的優勢
在現有的腦功能成像技術中，腦電技術（EEG）和事件相關電位技術（erp）雖然有著較高的時間分辨率，但是它們的空間分辨率卻較低，并且溯源分析困難.而fMRI和PET等雖然空間分辨率能夠滿足需要，可是它們又滿足不了對時間分辨率的要求.但是近紅外光譜技術卻能兩者兼顧，基本能滿足研究者對時間分辨率和空間分辨率的要求.另外近紅外光譜技術還有靈活、易用、成本低和沒有侵入性的優點，不僅能實時監測腦區認知活動在自然情境中的情況，還可以同時與EEG、fMRI、PET等其他腦功能成像技術研究手段進行測量，并且互不干擾.還能用于對大量被試進行反復多次實驗.近年來在近紅外光譜技術已廣泛應用于認知神經科學領域[7].
4.2 近紅外光譜技術的不足
作為一種剛剛發展起來的腦功能成像技術，近紅外光譜技術存在許多的不足有待改進.主要不足是定位能力較差，不能覆蓋全腦，探測深度有限.同時近紅外光譜技術在空間分辨率方面還不夠完善，因此大多數研究者采用近紅外光譜技術時只報告血氧的變化，通常不報告空間分辨率.這些不足還有待在今后的研究中改進.
5 結語與展望
在近幾十年里，近紅外光譜技術在研究大腦高級認知神經機制中顯示出越來越明顯的優勢，采用近紅外光譜技術研究的實驗報告也越來越多的發表在很多高水平的雜志上.近紅外光譜技術開辟了大腦研究的新領域和腦功能成像研究的新方向，必將使人們深入的了解大腦功能.近年來功能性近紅外光譜技術已經取得了美國藥物和食品管理局的認證，并且已在新生兒語言加工的研究、語言和認知發展、認知切換能力等各個認知神經科學領域中得到了普遍的應用[8].當然近紅外光譜技術還有待進一步的發展與完善，但隨著這項新技術的不斷改進，其在心理學各領域的研究將會不斷加深，應用范圍也將會不斷擴大，近紅外光譜技術在腦功能研究領域的應用價值將不可估量.
參考文獻：
〔1〕劉寶根,周兢,李菲菲.腦功能成像的新方法—功能性近紅外光譜技術(FN IRS).心理科學,2011，34(4):943-949.
〔2〕楊炯炯,曾紹群,駱清銘,管林初,匡培梓,龔輝，等.左前額葉參與非相關詞對的語義編碼過程一來自光學成像的佐證.心理學報,2001，33(l)：48-54.
〔3〕Minagawa-Kawai Y, Matsuoka S, Dan I,et al.(2009).Prefrontalactivation associated with social attachment: facial-emotion recognition in mothers and infants[J].Cereb Cortex,19(2):284-292
〔4〕Naganlitsu,S., Nagano, M ., Yarnashita , Y ., Takashima, S., & M atsuishi, T . (2006 ). Prefontal cerebral blood volume pattems while playing video games a near -infrared spectroscopy study. Brain and develo .28(5),315-321.
〔5〕Dale A. M. , Liu A. K. , Fischl B. R. , et al..(2000). Dynamic statistical parametric mapping:combining fMRI and MEG for high-resolution imaging of cortical activity. Neuron,26(1):55-56.
檢驗醫學領域迎來革命性創新機遇
很多患者覺得身體不舒服，前往醫院就診，要準確找到病因可能需要做很多檢查，如X光、CT、核磁共振等一系列放射檢查，B超、彩超等超聲檢查，還有抽血化驗、病理學活檢等等。或許，在將來的一天，我們只需要用一種檢查就能快速準確地給出結論。
據介紹，基礎科學的飛速發展，極大地促進了醫學疾病診斷水平的提高，使現在的疾病診斷越來越迅速準確，診斷成本越來越低廉。盡管如此，目前患者要確診大部分疾病仍然需要通過醫學檢查才能確診，并有較長的等待結果時間。為了準確查出各類常見、不常見、甚至罕見疾病，西南醫院僅檢驗科就有1000多個檢驗項目。
“放射科、檢驗科、超聲科、病理科??????這么多的檢測手段、檢驗人員、設備試劑，都是對患者有用且必須的，但是很多科學家都有一個科幻的想法，我們能不能讓檢驗更簡單更一站式？”西南醫院檢驗科主任、973項目首席科學家府偉靈形象地比喻，如果說一站式檢驗是科幻電影，現在檢驗醫學科學家做的事情，就是為這個科幻情節找理論依據和前提條件，先要有想法，未來才會有實現的可能。
本次973太赫茲技術研究項目，就是期望通過物理學、醫學等各學科頂尖科學家的共同攻關，讓科學家在生物醫學微觀和宏觀領域最終解釋各種生命現象，為疾病的診斷、治療、評估、監測和預警及后續藥物設計、研發、生產和評價帶來革命性改變。
太赫茲波技術在醫學上應用廣泛
“相較于現有醫學成像技術，太赫茲波光譜成像技術具有更獨特、更適用的物理特征。”府偉靈說，由于太赫茲波具有反應物質結構與性質的指紋特性，并且光子能量低，遠遠小于X射線能量，不會對生物大分子、生物細胞和組織產生有害電離，特別適合于對生物組織進行活體檢查。
醫院檢驗科教授黃慶介紹，與現有X光、核磁共振等檢測手段相比，太赫茲波的最大特點是能將檢測細致到細胞級別。
“如果把X光等檢測方法和太赫茲比作不同型號的相機，那么太赫茲就具有像素更高、快門速度更快的優勢。”黃慶說，像素更高是由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高。又由于它發出脈沖的時間很短（皮秒量級），所以具有很高的時間分辨率，時間分辨率就相當于快門速度。
另外，太赫茲與X光等現有檢測方式相比，輻射劑量幾乎為零，對人體傷害非常小。
據介紹，太赫茲波是頻率在0.1～10THz的電磁波，處于宏觀電子學向微觀光子學過渡的波段。國際上，太赫茲生物醫學研究隨著歐盟2000年設立的國際聯合項目“THz-Bridge”正式啟動。美國政府將太赫茲技術評為“改變未來世界的十大技術”之一，日本將其列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首，并將生物醫學應用列為主要方向之一，歐洲也連續10年將生物醫學應用作為首要研究方向。
太赫茲-檢測醫學（THz-LabMed）是當前受到極大重視，涉及醫學、生物學、生物醫學工程學、物理學、光學、計算機學、信息和材料等多學科的綜合交叉前沿學科，是以生物醫學實驗診斷應用為目的，采用太赫茲（THz）波技術無標記、無損檢測生物大分子、生物細胞和組織醫學和物理交叉的新學科。基于THz波技術的THz-LabMed是我國與全球同步開展的THz-BioMed研究領域，可以從新的視角為檢驗醫學提供分子、細胞和組織偵檢的革命性科學手段，形成檢驗醫學優勢新學科和產業基礎。
以乳腺癌和神經膠質瘤為初期研究對象
