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光声成像是近年来诞生的一种新型复合成像技术，是借助光声效应产生而来，光声效应的声信号即光声信号，其强度是由力学、光学、运动学、热学等特征来决定的，光声成像具有声学成像与光学成像的优势，在生物医学领域的应用已经非常成熟，取得了理想的成果。
1光声成像的优势
光声信号产生的基本原理是：当用短脉冲激光照射吸收体时，吸收体中的分子吸收光子后，当满足一定的条件时，吸收体分子的电子从低能级跃迁到高能级而处于激发态，而处于激发态的电子极不稳定，当电子从高能级向低能级跃迁时，会以光或热量的形式释放能量。在光声成像应用中通常会选择合适波长的激光作为激发源，使吸收的光子的能量转化为热能的效率最大，通常从光能转化为热能的效率可达到90%以上。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，这就是光声信号。与声学成像相比，光声成像利用了光吸收系数，在化学成分的分析方面，有着独特的优势。其中，声波能够获取物体的弹性参量、密度等力学特征，应用在生物体中，可以将生物体的功能信息、生理结构等清晰地反映出来。与光学成像相比而言，光声成像对于组织有着非常高的分辨率，光学成像往往只能够得出组织表层1mm深度左右的高质量图像，如果深度偏高，分辨率就会大受影响，与之相比，声波的散射强度更小，在生物组织中的传播有着低散射、低耗散的优势，空间分辨率的成像深度非常理想。此外，光声成像在生物医学领域中的应用更加安全，该种成像方式应用的是激光、微波照射法，与X射线、CT相比，更加安全，只需要很少的电磁辐射能量，即可获取到理想的光声信号，避免对生物组织造成热损伤。
2多参量光声图像在生物医学领域中的应用分析
2.1多尺度成像
多参量光声图像可以得出深层组织图像，还能够利用图像参量来实现多尺度成像，揭示出生物体的功能与结构信息。所参量光声图像的成像效果，与组织的生理功能、光吸收系数有着密切的关系，在应用的过程中，需要根据各个组织的成分来合理选择电磁波波长，选择性针对组织中的成分进行分析，得出解剖、代谢、分子、功能、基因方面的信息。如，DNA、RNA的紫外线吸收能力较强，利用紫外线作为激发光源，即可获取到高对比度图像。在临床医学中，如果细胞核形态存在异常，也就说明，癌细胞DNA复制发生障碍，因此，该种诊断方式对于早期癌症的诊断有着重要的意义；血红蛋白主要吸收可见光频段电磁波，利用光声成像，可以获取到关于血液系统的高对比图像；油脂、水等对于近红外段电磁波与微波段吸收情况良好，利用近红外激光、微波作为光源，可以快速分析出其中的异常聚集问题。在生物组织中，每一种化学成分的光吸收特性都是不同的，在诊断过程中，可以借助多波长激光照射组织来获取相关信息，通过定性分析与定量分析相结合的方式得出生物组织各项化学组分信息，利用波长与电磁波吸收特性，既可以分析出血红蛋白含量，还可以获取到脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白的相对含量，分析出血氧饱和度。血红蛋白是生物体内的重要载体，可以直接反映出生物的新陈代谢过程，这对皮肤疾病、脑血管疾病、肿瘤的早期诊断，有着重要的意义。
2.2生物组织黏弹特征
此外，借助多参量光声成像，还可以检测出生物组织黏弹特征，在检测时，需要使用连续激光照射样本，得出组织黏弹参数，利用光声信号相位与强度，获取到最终的检测信息，与光吸收特性相比而言，该种方式从力学角度反映出组织硬度、血液粘稠度，可以直接计算出组织生物力学系数与光学参量，为诊断提供可靠的信息指导，在心血管疾病、肿瘤的早期诊断上，有着突出的作用。
2.3温度分布情况
多参量光声成像还能够反映出温度的分布情况，光声信号强度与光吸收系数是密切相关的，与媒介系数为正比关系，在媒介温度升高之后，媒介系数也会相应升高，因此，利用该种系数可以反映出具体的光声图像。数据显示，在每升高1℃，光声升压会增高5%。借助光声成像，可以直接得出温度系数，灵敏度高达0.16℃，能够检测出绝对温度值，准确度非常高。光声成像还可以借助光声多普勒效应与光声信号之间的关系来得出血流速度的相关信息，检测出信号多普勒频移，借助这一原理，可以满足血流速度精细成像的要求，根据相关数据，得出低速流体信息。
2.4红细胞形态特征
借助多参量光声信号的功率频谱参数，还可以得出亚波长微结构信息、细胞形态、声学功率谱特性测出红细胞形态特征，鉴别早期血栓与癌细胞的形成。根据研究实验显示，针对窄带低频光声呈现系统的信号进行分析，可以鉴定出亚波长尺寸微结构信息，以频谱斜率作为参数，计算出亚波长尺寸结构。在生物组织之中，存在大量的微米量级微结构，如红细胞、微钙化斑点、黑素瘤等等，借助多参量光声成像，能够为相关疾病的诊断提供有价值的信息。此外，借助于物化谱参量呈现技术，可以将声学功率谱与光学吸收谱分析相结合，得出组织的化学特征与物理特征，该种分析方式为物化谱分析法（Physio-chemicalspectrum），在分析时，需要先利用不同波长激光脉冲进行照射，得出带有组织化学成分信息的声学功率谱，计算出一维功率谱，将亮相参数结合起来，即可获取到组织的二维物理化学谱。物理化学谱可以清晰地反映出组织的微结构特征与物理化学成分，得出组织特异化标签。
3多参量光声成像的应用分析
多参量光声成像不仅具有深分辨率高的优势，也具备信息敏感、成像对比度高的优势，可以从血液流速、组织力学、温度分布、生化组分、微结构特性来分析生物的功能、解剖、基因、分子、代谢信息，选择适宜的工作频率和成像模式，可以达到纳米级的分辨率，深度也能够达到50mm。多参量光声成像技术的应用满足了生物医学领域的发展需求，有着非常大的应用潜力。但是，毕竟多参量光声成像属于新型技术，在应用的过程中，还有一些难题需要突破。首先，该种技术的理论是建立在生物组织声学特征均匀的基础上，如果组织的声学特征不均匀、分布复杂，必然会影响应用效果。在人体组织中，空穴、骨骼的声阻抗是存在差异的，容易致使声传播出现反射和散射的问题。其次，虽然多参量光声成像的深度已经达到了50mm，但是对于更深组织成像，还具有局限性，这也是下一阶段需要重点解决的问题。
参考文献
[1]陈炳章,易航,杨金戈,等.光声内窥镜系统在人体直肠癌离体组织中的实验研究[J].物理学报，2014(8)：76-77.
[2]曾志平,谢文明,张建英,等.基于聚焦光声层析技术的甲状腺离体组织成像[J].物理学报，2012(9)：23-25.
关键词： 光学相干层析成像；生物医药；图像技术
Key words： optical coherence tomography；biological and medical；imaging technique
中图分类号：TH744；O439 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）32-0255-02
0 引言
光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomography，简称OCT）是近年来发展较快的一种最具发展前途的新型层析成像技术，特别是生物组织活体检测和成像方面具有诱人的应用前景，已尝试在眼科、牙科和皮肤科的临床诊断中应用，是继X-CT和MRI技术之后的又一大技术突破，近年来已得到了迅速的发展。
1 光学相干层析成像技术回顾
随着科学的进步，当今医学成像技术已经在医学诊断中起着重要的作用，各种探测方法和显示手段趋于更精确、更直观、更完善从而有助于人们观察生物组织，了解材料结构，它的发展是物理、数学、电子学、计算机科学和生物医学等多门学科相互结合的结果。
从显微镜的发明到X射线在医学上的应用使人们以图像的形式观察到了肉眼不能直接看到的形态结构，推动了医学诊断的发展。目前，各种医学成像技术不断发展，用于生物医学领域的研究，不同的成像原理可以用于观察不同的器官组织，不但给出组织的形态，还对组织特征进行识别和检测。
各种成像技术中，光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography）是一项新兴的光学成像技术，当从散射介质中返回的弹道光子和蛇行光子与参考光的光程差在光源的相干长度范围内，发生干涉，而漫射光子与参考光的光程差大于光源的相干长度，不能发生干涉，从而把带有被测样品信息的弹道光子和蛇行光子提取出来，进行成像，它可以实现对生物组织高分辨率的非侵入层析测量，具有广泛的应用前景。
光学相干层析成像技术是从光学相干域反射仪（或光学低相干反射仪）发展而来的，1991年，美国麻省理工学院（MIT）的David Huang等人在Science上首先报道了光学相干层析成像（简称OCT）技术。之后Schmitt等将此技术用于生物组织光学特性参数测量，取得了很好的效果。1996年Carl Zeiss Meditec Inc. of California把眼科的OCT系统做成临床医疗器械投放市场。
OCT技术问世以来，各个研究机构为了扩展它的应用范围和提高性能进行了大量的研究工作，出现了许多新方法，为OCT技术在医学领域的广泛应用打下基础。将OCT技术与多普勒技术相结合，形成一种新的检测仪器――多普勒光学相干层析系统，可用来检测眼部血管的血流速度和流向，还能测量介质的结构特性；把OCT技术与内窥镜结合起来形成OCT导管式内窥镜，能够用于对心血管系统、胃肠道系统、泌尿系统及呼吸道等管状生物组织的高分辨率成像；为了在高散射介质中获得更高的纵向分辨率和更大的探测深度，将OCT技术与光学共焦显微术结合起来形成了光学相干显微术，能够有效的滤除高散射介质远离焦面的杂散光。
在国内，对OCT的研究也正在进行，主要包括有：上海光机所和南开大学进行了OCT技术研究及生物组织光学的探讨，建立了用SLD作为光源的OCT系统，采用了相位调制的外差探测方法；清华大学分别用飞秒激光器和SLD作为光源建立了OCT系统，并采用了傅立叶域光学延迟线的扫描方法，得到了洋葱和兔子眼球的层析图像；天津大学进行了线聚焦OCT技术研究及PS-OCT的研究；华中科技大学对OCT技术作了理论阐述，并采用LED作为光源建立了OCT系统。但是目前国内对于OCT的研究还只是局限于实验阶段，与国外同行还有一定差距。
OCT是一种20世纪90年代兴起的新型层析成像技术，它的出现及发展称得上是医学诊断领域一次突破。自OCT技术出现以来，发展非常迅速，各种新技术不断出现，从分离式OCT到全光纤式OCT，再到ODT和内窥镜式OCT，层出不穷，应用范围逐渐扩大，从最早用于眼科到今天用于对牙齿、心脏、肠胃道的清晰成像。但OCT不会取代超声或者核磁共振成像，而是作为医学成像的一个有益的补充。目前，OCT技术的研究在美国、西欧以及日本等一些发达的国家引起了重视，并投入了大量的人力物力，取得了高速的发展，而国内由于资金和仪器设备等一些条件的限制，还处于理论研究或实验室研究的阶段，需要国内相应的研究机构加大投入力度，加强应用研究，不断缩小与国外的差距，使得OCT技术得到更迅猛的发展。
2 光学相干层析成像术的发展
当前主流的OCT系统操作基本上是在所谓的时域OCT（Time-Domain Optical Coherence Tomography，TDOCT）系统中用点对点探测方案来执行的。
近来，一种新颖的OCT系统-基于光谱而非扫描干涉法的频谱领域光学相干层析成像（Spectral-Domain Optical Coherence Tomography，SDOCT）正在兴起。在SDOCT中，样品的全部深度结构（A-扫描）从光谱干涉图中经离散傅立叶转换而同步获得，无需深度扫描过程。其主要部件是迈克而逊干涉仪和光谱仪。早在1995年，Fercher等人就已提出谱域OCT概念。同年，Leitgeb等人给出了谱域OCT的结果与方法。自那以来，SDOCT已得到很大发展；2000年，Maciej Wojtkowski第一次报道了活体视网膜SDOCT成像。SDOCT相关的理论还被快速提升。
3 光学相干层析成像在非医学领域的应用
OCT研究的最初目的是为生物医学的层析成像，并且医学应用仍然继续占主导地位。除了在医学领域的应用，随着OCT技术的发展，OCT技术正在向其他领域推进，特别是工业测量领域，如位移传感器、薄底片的厚度测量以及其他可以转换成位移的被测物的测量。
最近，低相干技术已作为高密度数据存储的关键技术。OCT技术还可用于测量高散射聚合物分子的残余孔隙、纤维构造和结构的完整性。还可以用于测量材料的镀层。OCT技术还能用于材料科学，J.P.Dunkers等人使用OCT技术对复合材料进行了无损伤的检测。M.Bashkansky等人利用OCT系统对陶瓷材料进行了检测，拓展了OCT技术的应用范围。S.R.Chinn等还对OCT在高密度数据存储中的应用进行了研究，实现多层光学存储和高探测灵敏度。
4 结语
OCT技术以其非接触性和非破坏性、有极高的探测灵敏度与噪声抑制能力、高分辨率无损伤和在体检测上对活体组织无辐射等优越性以及造价低、结构简单等优点，在材料科学和生物医学等领域的无损检测方面有着重要的应用价值和广阔的发展前景。
参考文献：
[1]A.F.Fercher， C.K.Hitzenberger， M.Sticker， et al. Dispersion compensation for optical coherence tomography depth-scan signals by a numercal technique [J].Optics Communications， 2002， 204： 67-74.
[2]D.Huang，E.A.Swanson，et al.Optical Coherence Tomography [J].Science，1991， 254： 1178-1181.
[3]陈玉平，赵宏，杨琦，等.谱域光学相干层析成像系统的实验研究[J].西安交通大学学报，2008，42（7）：815-817.
[4]朱永凯.光学相干层析成像及光学相干显微技术的理论与应用研究[D].西安：西安交通大学机械学院，2005.
[5]高上凯.医学成像系统[M].北京：清华大学出版社，2000： 62-81.
[6]吴世法.近代成像技术与图像处理[M].北京：国防工业出版社，1997：21-40.
[7]C.K.Hitzenberger， A.Baumgartner， A.F.Fercher. Dispersion induced multiple signal peak splitting in partial coherence interferometry [J]. Optics Communications， 1998， 154： 179-185.
[8]薛玲玲，张春平，张建东，等.生物组织光学及其进展[J].激光与光电子学进展，1999，11：36-422.
水下光学成像技术是当前探索水下奥秘的基本方法之一，在生物学、地质学、港口工程等多个领域内有重要的意义，但由于水本身的性质，其作为介质时的光学性质与空气有所不同，光线在水下传播时水体对光线的吸收和后向散射会造成很大的图像噪声，降低图像质量，加之传输距离有限，一般的成像系统在水中使用时像差会发生变化，色差和畸变明显增大，成像质量差，图像清晰度低，因此有必要对水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行研究，以为适用于水下环境的特殊成像系统的研制提供理论基础。
一、水的光学特性
光在水介质和空气介质中的传输有着较大的差异，介质的密度对光的吸收和散射有着很大的影响，空气的密度小因而对光的吸收和散射也相对较小，水的密度为空气的800多倍，对可见光有着严重的吸收和散射作用。水对光波的散射和吸收可造成光在水中的衰减，即使是在最纯净的水中，水对光也有着严重的衰减，且是按指数规律迅速衰减，水介质对光的衰减特性通常是使用衰减长度表示。
（一）水对光的选择吸收特性
水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性。水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。纯净水和清的大洋水在光谱的蓝-绿区域透射比量大，其中波长为462-475nm的蓝光衰减最少。但在这个蓝-绿窗口，水的吸收也足以使光的强度每米衰减约百分之四。其它颜色的光被吸收得更多，几米之外几乎完全消失了。
（二）水对光的散射特性
如果水下仅存在对光能量的吸收，可以通过加大照明光源功率来提高水下成像距离，但水对光的散射现象随着照明的增强更趋严重，使水下成像更为困难。水中光散射是指光在水中传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向。水中散射有两种，即纯水本身产生的散射和由悬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。比入射光波长小很多的无吸收粒子的散射遵从瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波长时，存在着一个比较复杂的共振状态，称为米氏散射。
二、水的光学特性对水下光学成像质量的影响
（一）水中光衰减对光学成像的影响
光在水中的衰减是在吸收和散射这两个不相关的物理过程作用下发生的，光子消失的过程称为吸收，被吸收的光子转化为热能从光束中被吸收，光子前进方向发生变化称为散射，除散射粒子外，水折射率的微小变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叠加入光束中，通常水对光的散射引起的光衰减多于水对光的吸收引起的光衰减，在清澈透明的水中，水中光衰减有60%是由散射引起，40%为吸收引起，而在浑浊的水中，由于悬浮粒子的增加，水对光散射增强，由散射引起的光衰减还会增加。
（二）水中光的吸收特性对光学成像的影响
水分子是极化分子，在紫外和红外谱带上有着强烈的由电子激发的紫外共振和由分子激发的红外共振，因此对此区域吸收强烈，尤其是对红外的吸收十分强烈。水对光吸收宽带效应使得光在水中传播时虽然不存在光在空气传播中存在的“窗口”，但在蓝绿区域水对光的吸收达到最小值，习惯上将此区域认为是光在水中传播时的“窗口”。
光束在水中传播时，水对光的选择性吸收，使得白光照射下，随着拍摄物体所处深度的增加其颜色也会发生变化，通常在水下1-2m内近距离拍摄时，物体的颜色基本可以较好地反映出来，而超过2m后被拍摄物体的颜色就会发生变化，一般在水下6m时红色就会基本消失，在水下20m时黄色会消失，同时红色会变成黑色，在30m时物体基本完全变成蓝色或者蓝绿色。
（三）水中光的散射特性对光学成像的影响
水对光的散射可对成像距离增加困难，使图像对比度下降，随着成像距离的增大，水下成像的画面反差随之降低，细节画面也会随距离增加而更模糊。
水对光的散射系数与散射粒子的大小相关，水中散射粒子的大小分布是不一致的，水分子、可溶性物质、悬浮的无机颗粒、微生物等可对光产生散射作用的粒子大小从零点几纳米到几毫米不等，对于水分子来说，其对光的散射遵循瑞利散射规律，即是散射光强B与入射波长λ的四次方成反比。
在波长为480nm时，水分子引起的瑞利散射衰减系数约为0.004m-1，而纯净的蒸馏水光束的有效衰竭系数约为0.037m-1，可知水分子的瑞利散射衰减只是水中光衰减中的一小部分。
水中对光束可产生散射作用的散射粒子直径与入射光波长接近时，散射粒子对光的散射存在着一个复杂的共振状态，此时散射光强与波长几乎没有关系，而遵循米氏散射定律，其衰减系数SM以公式可表示为：
式中R表示散射粒子半径，N为每立方米水体中的离子数，Ks为实际散射截面与几何截面的比值，当散射粒子的尺度远大于波长时，近似考虑为散射截面与几何截面相等，即Ks取1。
（四）水中照明对光学成像的影响
水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中传播时，随着深度增加更为分散直至趋于只与天顶角相关的渐进分布，在浅层水摄影中，若天气为晴朗的白天，则自然光所提供的照明已足够进行水下拍摄，而在深层水拍摄或夜晚摄影时，水下的光照度很低，水下使用成像系统时绝大多数情况下需要照明系统，因此有必要将水下照明对光学成像的影响进行考虑。
三、结语
水对光波有着吸收和散射作用，可造成光在水中的衰减，水对光的选择性吸收可使水下拍摄物体的颜色随着其所处深度的增加而发生变化，水对光的散射可降低像的衬度，使成像系统不能接受到有用的信息。在设计成像系统时应充分认识得到水的光学特性对水下光学成像的影响，提高系统设计的针对性，从而提高水下成像系统整体性能。
参考文献：
1稀土上转换纳米材料结构组成
UCNP通常由基质、敏化剂与激活剂构成。目前研究发现，以NaYF4作为基质，Er3+、Tm3+、Ho3+离子对共掺杂的材料是UCL性能最好且最具潜力的UCNP[3]。其合成方法主要包括水热/溶剂热法、溶胶凝胶法、热分解法等。其中，水热/溶剂热法和热分解法因具有灵活控制晶粒生长并且一次合成过程可以同时实现纳米材料的制备及表面修饰等优点，是目前应用最广泛的合成方法[4]。通过以上方法合成的UCNP通常由疏水性配体（油胺、油酸）封端，导致合成的材料水溶性和生物相容性差。为了将UCNP更好地应用于医学领域，对其进行表面功能化修饰尤为重要。主要方法包括配体除去、配体氧化、配体交换、表面硅烷化，以及两亲性聚合物包覆等方法。
2生物医学应用
2.1生物传感
UCNP具有多个发射峰且发射谱带窄，以及近红外激发下显示出低背景自发荧光的特性，使其特别适用于生物传感的应用。UCNP已被广泛用于检测各种生物变量（如温度、pH值）。支持温度传感应用的是波尔兹曼分布理论。Er3+是常见用于温度传感的镧系离子，Er3+在520nm和550nm处的UCL，分别对应2H11/24I15/2和4S3/24I15/2能级跃迁，因此可以用来检测温度。MaestroLM等[5]设计了第一台NaYF4∶Yb/Er纳米材料用于细胞测温，使用它可以精确检测单个癌细胞，如HeLa癌细胞的温度（25℃~45℃，区间区分低至为0.5℃）。Rodríguez-SevillaP等[6]将具有光热转化作用的金纳米棒与细胞共孵育后，向培养液中加入UCNP，最后采用800nm激光对金纳米棒进行辐照，使其产生热量，进而引起细胞周围温度的升高，通过UCNP的荧光值计算出相应位置的温度值。
2.2生物成像
2.2.1CT成像
CT是临床诊断和治疗中应用最广泛的成像技术之一，该技术基于X射线衰减系数。UCNP中一些镧系元素离子具有较强的X射线衰减能力，所以其可作为CT造影剂。在镧系元素中，镥具有最高的原子序数。ShenJW等[7]将NaLuF4作为基质材料的UCNP应用于CT成像。其他研究者也对基于Yb3+的NaYbF4∶Gd/Yb/Er，NaYbF4∶Tm和基于Gd3+的NaGdF4∶Yb/Er的UCNP作为CT成像进行了充分研究[8，9]。UCNP为CT造影剂的构建提供新的原料来源。
2.2.2MRI成像
MRI是一种较新的医学成像技术，其扫描通常需要造影剂以提高灵敏度和准确度。在元素周期表中具有最高数目未配对电子的Gd3+常用作MRI造影剂。Gd3+与二亚乙基三胺五乙酸（diethylenetriamine-pentaaceticacid，DTPA）的螯合物是临床上最常用的造影剂之一[10]。研究发现其造影剂在体内释放游离Gd3+具有高毒性，将Gd3+离子掺入UCNP中可以显著降低释放从而减少毒性[11]。ZhangH等[12]研制出用于标记T细胞的超小型NaGdF4-TAT纳米探针，静脉注射24h后通过T1加权MRI可以灵敏地跟踪标记过的T细胞簇。BijuS等[13]研究出一种新型UCNPMRI造影剂（NP-PAA-FA），其可作为低于1.5TT1加权造影剂、3TT1/T2双重加权造影剂和超高磁场高效T2加权造影剂。该造影剂主要特征是通过改变磁场强度而改变造影剂的类型，此项研究将极大地推动MRI造影剂在医学领域发展。
2.2.3光学成像
UCNP已经引起了许多研究者对将其应用于光学造影剂的兴趣。典型的NaYF4∶Yb，Er可以在980nm激发下发出明亮的荧光，由于其声子能量低、上转换荧光效率高和发光颜色丰富等优点，已广泛用于小动物成像[14]。ZhangK等[15]通过酰胺化反应将纳米金刚石（nanodiamonds，ND）和NaYF4∶Yb，Er纳米颗粒结合，制备出UCNP-ND用于光学成像和细胞中药物递送的新型纳米平台，由于强烈的上转换荧光和pH响应性药物释放，UCNP-ND可以为可视化和肿瘤治疗中药物递送提供新的思路。
2.2.4多模态成像
常规的单个成像技术有其固有的限制和缺点。多模态成像可以弥补其缺点，使疾病在早期诊断阶段得到更加准确的信息，从而提高疾病的治愈率。MRI/CT双模态成像是最普遍的成像组合。JinX等[16]通过热解法首次合成具有优异的MRI/CT成像性能和相对低毒性的聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）修饰NaGdF4∶Dy的纳米粒子。CT和MRI成像无法进行细胞水平成像，光学成像在细胞水平具有较高分辨率和灵敏度，但不具有较高空间分辨率和难以提供三维组织的缺点。因此，将荧光成像与CT和MRI成像相结合，可以获得组织和细胞级的高分辨成像。SunQ等[17]合成了具有优异MRI/UCL/CT三模态成像性能、较低毒性且无荧光淬灭的NaGdF4∶Yb/Er，Tm@NaGdF4∶Yb@NaNdF4∶Yb纳米材料。将多种成像相结合制备一种多功能成像探针在生物医学领域具有潜在的应用价值。
2.3肿瘤治疗
2.3.1光动力治疗
光动力治疗（photodynamictherapy，PDT）[18]是在激发光的照射下，光敏剂（photochemicalsensitizer，PS）被激发将氧气转化为活性氧，杀死癌细胞的治疗方法。其因具有微创性和时空选择性被广泛应用于肿瘤治疗领域。典型PDT由PS、激发光和氧气构成。常规PDT受到激发光穿透深度的限制，UCNP具有UCL性质用于PS的激活，从而提高穿透深度[19]。UCNP介导的PDT在深部肿瘤治疗方面已取得巨大成果。然而，缺乏肿瘤选择性而对正常组织不可避免的光毒性仍然是一个棘手的问题。LiF等[20]研究出肿瘤pH敏感光动力纳米材料（pHsensitivephotody-namicnanomaterials，PPN），由自组装PS接枝的pH响应性聚合物配体（pHresponsivepolymerligand，PPL）和UCNP组成。在正常血液pH=7.4时，PPN带负电，没有光活性，在肿瘤细胞外pH=6.5时快速将其表面电荷从阴性转变为阳性，并在肿瘤细胞内/溶酶体pH=5.5时进一步分解成单个UCNP，此过程促进聚集的PS解离成自由分子，而显著增强PS的光活性。在NIR照射下，PPN的UCL可以诱导酸性肿瘤微环境中游离PS的光激发，从而杀伤肿瘤细胞。体内和体外实验均表明，PPN可以克服传统PS不足作为潜在新型PDT用于未来癌症诊疗。
2.3.2光热治疗
光热疗法（photothermaltherapy，PTT）[21]是利用具有较高光热转换效率的材料作为光热剂，在NIR照射下吸收光能并转化为热能来杀死癌细胞的治疗肿瘤的新方法。由于稀土离子的消光系数较低，在直接光照下转化为热能的能力有限。而当其与较强消光系数等电位纳米粒子（如Au、CuS）耦合时，可提高PTT的有效性。QianLP等[22]制备出NaYF4∶Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au纳米颗粒（粒径70～80nm）用于PTT可有效破坏人神经母细胞瘤细胞，显示出较好的抗肿瘤疗效。FanW等[23]将超小型CuS加入到UC-NPs@SO2纳米粒子表面制造出一种核心卫星纳米治疗(core-satellitenanotheranostic，CSNT)物质，基于CuS显著的PTT效应，CSNT可以在NIR照射下产生细胞毒性热，还通过掺杂的高-Z元素（Yb/Gd）作为放射增敏剂产生高度局部化的增强辐射效果。
2.3.3成像指导肿瘤治疗
近年来，随着纳米医学的迅速发展，集多功能为一体的可视化成像指导的肿瘤诊疗成为一个热点话题。研究发现UCNP可以同时实现肿瘤的诊断与治疗。YuZ等[24]研究出一种超小型具有良好靶向性并可在光学成像，MRI、CT成像下进行PDT的新型UC-NP[MNPs（MC540）/DSPE-PEG-NPY]。该UCNP对过表达Y1受体的肿瘤（如乳腺癌细胞）具有高靶向性，核壳MNP（MC540）可以实现优异的上转换荧光成像，其中掺杂Gd3+和Lu3+稀土离子可分别增强MRI和CT成像。其在体外和体内显示出良好PDT治疗效果。该纳米材料的研发将为临床中过表达Y1受体的肿瘤诊疗提供一个新思路。为了提高肿瘤治疗效果，研究者将两种或以上治疗模式集合于一体，实现疗效互补、协同作用以增强抗肿瘤疗效。LuM等[25]制备多功能纳米材料AuNRs@SiO2-IR795，实现集成的PTT/PDT和荧光成像，协同PDT/PTT对体外癌细胞抑制效率显著增高。
【关键词】 分子影像学 肿瘤 胶质瘤
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世纪早期曾断言[1]：人们只有打破鸡蛋才能做煎蛋卷，同样，人类医学史上，以前人们也认为只有打开人体取出组织才能探测到人体内部的微观变化，然而这样的时代已经过去了。近几十年来，医学影像技术得到了长足的发展，随着影像设备的不断改进，一些显示系统已经达到了微观水平，这些技术上的进步，就使以前的分子离体显示形成现在的分子在体显像，即分子影像学。分子影像学是医学影像技术和分子生物学相结合的新学科，分子影像技术是利用现有的一些医学影像技术，主要是核医学（positron emission tomography，PET），核磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）和光学成像方法（optical coherence tomography，OCT），对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像。这一技术不同于经典的影像学，它是应用探针探测分子的异常，而不是获取分子改变的结局。正因为它是探测分子事件的过程，而不是结果，所以分子影像有助于了解人体目前分子生物学技术正在研究的疾病发生的启动阶段、前期发病过程中的各阶段的及疾病形成的分子表达，同时也可以在分子水平了解各种治疗的反应，进而有助于认识疾病机制，提高诊治水平。
分子影像技术有三个关键因素，第一是高特异性的分子探针，第二是合适的信号放大技术，第三就是能灵敏地获得高分辨力图像的探测系统。
1 分子影像技术的探测方法
分子影像技术主要的探测方法有三种：核探测方法，核磁共振方法和光学方法。这些方法在探测灵敏度、空间分辨率、时间分辨率等性能方面各有优缺点，应视需要解决的问题来选择。
1.1 核医学成像技术
核医学成像技术是目前分子成像中最为活跃的部分，主要包括PET、SPECT(single photon emission computed tomography)、Plannar成像。其中PET目前应用最广，基本原理是在体内引入一种直接或间接参与体内生化过程的放射性示踪剂，并用PET等仪器在体外加以显像，PET常用的放射性示踪剂有11C、13N、15O和18F等。该种成像技术广泛应用于肿瘤学、神经病学、精神病学、心脏病学和基因学的临床基础研究。在肿瘤的诊断和治疗过程中，需要标记的生化分子必然是某种肿瘤具有特异性显像能力的物质分子，这种分子或者和基因组中的某个功能团或者与基因片段的配体具有特殊的亲和力。通过放射性核素标记过的生化物质在人体内的分布，用模型的方法对这种分布进行解释，用统计学的方法进行进一步分析，有可能得到对肿瘤诊断和治疗有用的信息和规律。
1.2 MRI分子成像技术
用MRI对基因表达和成像的主要优点是其空间分辨率高于PET，且能同时获取生理与解剖信息，而有望在基因表达及分子成像中发挥重要作用，现有的磁共振分子影像技术主要包括功能磁共振（functional MRI，fMRI）和核磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）。其中fMRI包括灌注成像、扩散成像、局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性对比度成像（blood oxygen level depended functional imaging，BOLD）等[2]。
1.3 光学成像技术
体内基因表达的光学成像方法，包括荧光、光吸引、反射或利用生物发光作为对比剂，成像系统可基于弥散的光学图，以表面为主的光学成像、相控矩阵光检测、同焦点成像、多光子成像、活体内显微镜下显微成像等。
分子影像技术在疾病早期诊断和治疗以及研究疾病发生和发展的生物学特性方面有重要作用。恶性肿瘤是临床医学研究中的热点，肿瘤影像学是现代肿瘤研究中的核心技术之一，同时被认为是现代六个重大科学机遇之一[3]。在肿瘤影像学的研究中，充分地展示了多学科交叉的优势，核药学、核生物学、影像物理学、放射光学、光电子学等。目前分子影像技术在脑胶质瘤的诊断和治疗中研究较多。
2 分子影像技术在胶质瘤诊断中的应用
分子诊断学是建立在分子探针和体内靶（如酶、受体、mRNA messenger ribonucleic acid分子代谢物等）物质的特异性结合的基础上，使用灵敏度很高的测量系统，从而可以在探针分子的浓度比较低的情况下实现对疾病的检测，并在不改变检测过程的情况下得出被检测人员是否有病或者是否具有某种癌前病变的前期征兆[4]。目前能够用于分子成像的技术是正电子发射断层成像（PET）为代表的核素成像、功能磁共振成像（fMRI）、核磁共振波谱成像（MRS）和某些光学成像（optical imaging，OI），这些成像手段可以对人体组织的生物或病理过程在分子水平上，进行无创的静态的或实时初态的成像。
目前，分子、功能和基因配体成像在肿瘤诊断中的应用主要体现在三个层次上。第一个层次是基于某些肿瘤的形成机制和遗传有关的事实，通过分析基因序列和肿瘤标志蛋白质，找出易感人群，开展针对易感人群的预防肿瘤医学。第二个层次是根据分子和基因配体成像可以检测肿瘤早期疾病的癌前分子改变、基因变化、肿瘤细胞标志物、生长动力学等参数，检测那些刚刚形成实体的肿瘤，为及时治疗提供依据。第三个层次是用分子和基因配体成像技术，解决当前临床诊疗中的问题。例如改进目前在临床上大量存在诊断信息单一，不能确定良恶性、分期和预后不准确等问题，进一步提高诊断的准确率。这三个层次形成了肿瘤影像诊断学当前需要解决的基础和应用研究方面的问题。
2.1 基因配体和分子成像
这是在第一层次也是在最高层次上实现对肿瘤早期预防预测工作。因为人体的病变首先开始于基因调控的生物大分子紊乱，长期的紊乱会造成生理参数的变化，生物参数的变化引起脏器的器质性变化。所以基因配体和分子水平的病变是所有疾病的源头。
p53基因是人体内在肿瘤的发生中起着重要作用的抑癌基因，在正常情况下，p53基因是保护正常细胞不受外来侵袭的，但是突变后的p53基因不仅丧失了抑癌的作用，反而成了致癌的因素。在许多病人的很多种肿瘤中已经被证实[5]， p53基本突变是肿瘤最为常见的遗传变异。然而对p53基因还有很多问题没有搞清楚。只有在动物实验的基础上，用无创伤的人体成像方法对这些问题进行非常系统的深入研究之后，才能逐步把其中的规律搞清楚。
Parletich等[6]用X?鄄ray衍射方法测量得到p53基因和DNA连接的结构图，他们发现突变可能发生在p53基因和DNA相互作用时的6个活性物质处，也可以以结构断裂的方式发生突变。这种结构表明p53和DNA之间的特殊序列的结合方式是p53基因能够起到抑癌作用的核心问题。
从预防的角度看，很多种类的癌症具有遗传因素，因此通过对基因的分析可以帮助确定肿瘤的易感人群。对这类人群，一旦通过蛋白质生物芯片技术，结合细胞水平高倍显微镜下观测癌症易感人群获得足够的知识，进行早期检查是完全可能的。这些易感病人可以因为生活状况，环境的改善，原来的早期病变消失，所以对这些易感人群进行预防辅导，包括心理辅导、饮食习惯和生活习惯的辅导，采取经常进行体检的技术措施以及根据家族史对重点部位进行及时体检，可以使这部分人群不发生癌症或者发生癌症之后及时得到处理。
2.2 胶质瘤的早期诊断
肿瘤的亚临床病灶是指人体内存在的癌细胞团容量小于目前医学影像设备在临床上能够达到的空间分辨率，因而不能在临床上检测出来。国际上公认的看法是：实体部分直径小于4mm的肿瘤被认为还没有“生根”，也就是说其血管还没有完全生长，和人体的正常组织的联系还比较弱，是容易治疗的癌症，被称为肿瘤亚临床病灶。我们目前所说的早期诊断是指那些癌组织的实体在10mm以下水平的临床病灶[7]。
解决胶质瘤的早期诊断问题，主要的成像工具是PET，因为PET的本征空间分辨率已经达到2mm~3mm的水平，而且PET使用的放射性核素包括11C、13N、15O及18F，由这些放射性核素标记的化合物非常多，从而为分子和基因配体成像提供了机会。在所有示踪剂中，2＇?鄄脱氧?鄄18F?鄄葡萄糖（18F?鄄FDG）临床上使用最广泛。对头部肿瘤进行研究的生物学根据是肿瘤对18F?鄄FDG摄取率的增加[2]。葡萄糖摄取率对正在癌变的细胞相当敏感，这类癌细胞的葡萄糖摄取率增加的幅度相当大[8]，但在实际操作上，企图直接从18F?鄄脱氧葡萄糖PET图像中检测到病灶是不可能的。因为葡萄糖代谢是每个人都有的代谢，而且葡萄糖代谢的分布具有个体差异。因此采集大量的体检人员的PET图像，进行有针对性的处理和分析是必要的。除了蛋白质生物芯片检测技术以外，建立不同年龄段正常人群葡萄糖代谢的标准图谱也是一种必要的方法。
另一种方法是用药载动力学来分析经过放射性核素标记的药物在人体内分布，通过药载动力学参数的研究，可以把正常的代谢和异常的代谢区分开来，也可以实现对胶质瘤内部组织细胞活性的度量，并和统计学方法结合实现病理水平上的肿瘤组织分割，得到胶质瘤组织的不同边界，用这种方法确定胶质瘤的亚临床病灶的问题。
光学成像方法可以探测到体内基因表达。对组织蛋白酶B和H蛋白激酶的成像能发现直径1mm以下的肿瘤。
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2.3 分子影像技术在当前胶质瘤临床诊断中的应用
在PET成像中，示踪剂18F?鄄FDG在临床上使用最广泛，被证明是探测脑神经胶质瘤、对胶质瘤分级、预测预后、评价治疗效果及鉴别复发与坏死的有效工具。它可以进行参数成像，对人体内的生化过程或者肿瘤病理进行定量或半定量的分析[9，10]，还可以根据大脑对葡萄糖的生物摄取清楚显示大脑的解剖结构[2，11]。11C标记的氨基酸在探测肿瘤残余组织方面比18F?鄄FDG优越[2]。11C标记的甲硫氨酸（MET）在高级别和低级别的神经胶质瘤中均能浓聚，其在划定肿瘤范围时具有比18F?鄄FDG更好的效果，特别是在鉴别低级别的胶质瘤时，肿瘤与周围正常组织的对比度比较高。MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。把18F?鄄FDG和MET结合起来预测胶质瘤的级别及预后是一种更好的方法。Bruno Kashten[12]等提出了一种对切除前的胶质瘤进行评价的定量计算方法：用T/MCU值的大小来衡量胶质瘤的级别，其中T代表肿瘤对示踪剂的摄取值，MCU表示大脑皮质对示踪剂的摄取值。当T/MCU?鄄F?鄄FDG≤0.8且T/MCU?鄄MET
fMRI可深入细胞、分子水平来评价胶质瘤功能性改变，包括扩散成像、灌注成像和局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性（BOLD）对比度成像等。
扩散成像之弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是利用组织中水分子弥散的各向异性探测组织微观结构成像方法。有研究发现DTI可清楚显示胶质瘤与白质纤维的关系，确定皮质脊髓束与肿瘤间的距离，可用于指导手术[13]。在脑胶质瘤的鉴别诊断上，Krabbe等[14]指出脑转移瘤增强部位的ADC值高于高级别的胶质瘤的瘤周水肿。
MR灌注成像定量、半定量分析毛细血管的血流灌注情况，反映生理与病理情况下组织的血液动力学改变，评估局部组织活力及功能，对肿瘤灌注值的分析可以帮助肿瘤的诊断与鉴别诊断。
MRS可以测定生物体内局部的特定分子的信号，具有很高的化学特异性，与18F?鄄FDG?鄄PET探测能量代谢率不同，MRS探测的是代谢产物，它是在分子代谢产物的水平上提供癌细胞活性的信息，许多1H谱技术表示脑胶质瘤肿瘤区与正常组织明显不同[15]，表现为NAA(N?鄄acetyl aspartate)下降，Cho(choline?鄄containing compounds)上升，Cr(creamate)下降，NAA/Cho与Cho/Cr比值非常有助于鉴别高低级别的胶质瘤，NAA/Cho比值越低，表示肿瘤恶性程度越高，相反Cho/Cr比值与肿瘤的恶性程度呈正相关性。Law等[16]通过对肿瘤周围区的波谱研究发现，高级别胶质瘤肿瘤周围区的Cho/Cr值明显高于转移瘤周围区的相应值。
3 分子影像技术在胶质瘤治疗中的应用
3.1 基因治疗
基因治疗是将外源性正常的治疗性目的性基因用基因转移技术导入到靶细胞中，通过基因表达过程，使其表达产物起到对疾病的治疗作用。在基因治疗中需要及时监测目的基因的转染及表达情况。如果将目的基因和标记基因拼接起来，可以通过监测标记基因来判断目的基因的存在情况，在此理论基础上发展起来了影像标记基因技术。
有学者[17]对某种特殊的癌症进行临床初步试验的结果表明，利用有缺陷的E1B?鄄55KD型腺病毒和有缺陷的p53基因结合在肿瘤细胞中复制，有可能激活p53基因使得癌细胞自杀，从而达到治疗肿瘤的目的。单纯疱疹病毒Ⅰ型胸苷激酶（HSV?鄄TK）作为许多抗肿瘤基因治疗中的前体药物转化酶，HSV?鄄TK可以将低毒的药物转化成毒性化学物，导致肿瘤细胞的死亡[18~20]。通过核技术的基因表达成像说明了HSV?鄄TK的可行性。虽然至今许多实验尚未能进入临床应用，但设计在某类肿瘤异性表达的分子靶作为分子影像的靶点，是可以借鉴该类思路的。
3.2 化 疗
高分辨率的microPET的出现，为新药的研究和开发提供了一个新的技术平台，它能在同一活体动物上全程监测放射核素标记的新药在体内的变化，也可在任意时间间隔无创伤地重复研究。此举可大大提高新药研究的有效性和准确性，缩短新药研究的周期，减少新药研究的投入资金，故已引起了全球医药界的极大关注。
临床上肿瘤化疗的失败主要是由先天性和获得性肿瘤多药耐药（multidrug resistance，MDR）引起的。MDR现象的发生是因为动物和人类基因组中本身就存在着MDR基因，那些对化疗不敏感或疗效较差的肿瘤中往往有MDR基因的过度表达。MicroPET是研究体内功能性转运的有效技术，因此，在肿瘤细胞多药耐药的基础研究和多药耐药逆转成分的研究中，可发挥独到的作用。MDR显像在临床上有很大的用途：（1）诊断和定位MDR相关基因过度表达的肿瘤；（2）预测化疗的疗效；(3) 筛选MDR调节剂，确定MDR调节剂的用药剂量和抑制MDR作用的时间。目前用得最多的MDR显像剂是99mTC标记的脂溶性+1价阳离子，如99mTC?鄄MIBI、99mTC?鄄tetrofosmin。
3.3 放 疗
11C标记的甲硫氨酸在划定胶质瘤范围时具有很好的效果，它在肿瘤中的累积相对较高，而在正常脑实质中的累积相对较低，MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。另外用fMRI方法一次采集肿瘤及其周围组织尽可能多的参数，例如局部血容积、局部脑血流、BOLD等参数成像，并用氧灌注成像的方法进行氧增强的灌注成像，把这些结果和PET/SPECT的成像结果进行比较，对图像信息进行整合和系统分析，并把研究结果用一个生物学模型归纳到胶质瘤放疗的生物学模型，从而有效指导放疗计划。而对于脑胶质瘤外科手术切除后的残余肿瘤实行放疗中最大的问题是易复发，其中重要的一个原因是胶质瘤中存在有大量的乏氧细胞，这些乏氧细胞对射线不敏感。已有多个学者发现，对胶质瘤术后病人给予吸入高压氧后立即进行放疗能显著改善病人预后，延长存活时间[21，22]。
【参考文献】
[1]Steven ML. Molecular imaging in oncology:the diagnostic imaging revolution [J].Clinical Cancer Res， 2000，6:20-25.
[2] Jane B， Kampo， Bu L， et al. Positron Emission Tomography in patients with glima[J].Cancer，1988，62:1074-1078.
[3] Blasberg G. Molecular imaging and cancer[J]. Molecular Cancer Therapeutics， 2003，2:335-343.
[4]Weissleder R.Molecular imaging:exploring the next frontier[J].Radiology，1999，212:609-614.
[5]吴昊泉， 李昌本， 赵寿元. p53功能缺陷型肿瘤的基因治疗 [J].中国肿瘤生物治疗杂志，2000，7（12）:162-164.
[6]Sonka M， Michael Fitzparick J， Higgins W， et al. Computer?鄄aided diagnosis in mammography[J]. Handbook ofMedical Imaging， PSIE，2002，2:915-986.
[7]Walecki J， Sokol M，Pieniazek P，et al.Role of short TE 1H?鄄MR spectroscopy in monitoring of post?鄄operation irradiated patients[J].European Journal of Radiology，1999，30:154-161.
[8]Brunetti A，Alfano B，Soricelli A，et al.Functional characterization of brain tumors:an overview of the potential clinical value[J]. Nuclear Medicine Biology，1996，23:199-715.
[9]Francisco S， Ravina E， Tawhai MH， et al.Functional cerebral imaging in the evaluation and radiotherapeutic treatment planning of patients with malignant glioma [J]. Radiation Oncology Biol Phys，1994，30(3):663-669.
[10]Hamilton RJ， Sweeney PJ， Pelizzari CA， et al. Functional imaging in treatment planning of brain lesions[J]. Radiation Oncology Biol Phys，1997，37(1):181-188.
[11]Birnbaum MJ， Haspel HC， Rosen OM， et al.Transformation of rat fibroblasts by FSV rapidly increases glucose transport gene transcription[J].Science，1987，223:1495-1498.
[12]Nuutinen J， Sonnimen P， Lihikoinen P， et al. Radiotherapy treatment planning and long?鄄term follow?鄄up with methionine PET in patient with low?鄄grade astrocytoma[J]. Radiation Oncology Biol Phys，2000，48(1):43-52.
[13]洪汛宁，沈天真，陈星荣，等.弥散张量成像技术在星形细胞肿瘤中的应用价值初探[J].中国医学计算机成像杂志，2003，9（1）：8-11.
[14] Stadnik TW， Chaskis C， Michotte A， et al. Diffusion?鄄weighted MR imaging of intracerebral masses :comparison with conventional MR imaging and histologic findings[J].AJNR，2002，22(5):969-976.
[15] Bendszus M， Warmuth?鄄Metz M. MR spectroscopy in gliomatosis cerebri[J]. ANIR，2000，21:375-380.
[16]Law M， Cha S， Knopp EA ，et al. High?鄄grade gliomas and solitary metastasts:differentiation by using perfusion and proton spectroscopy MR imaging[J].Radiology，2002，222(3):715-721.
[17]Bischoff JR， Kirn Dh， Williams A， et al. An adehouirus， mutant that replicates selectively in p53?鄄deficient human tumor cells[J]. Science，1996， 274:373.
[18] Mendelsohn J. The epidermal growth factor receptor as a target for cancer therapy[J].Endocr Relat Cancer，2001，8(1):3-9.
[19]Muldoon LL， Nilaver G， Kroll RA，et al.Comparison of intracerebral inclulation and osmotic blood?鄄brain barrier disruption for delivery of adenovirus，herpesvirus and iron oxide particles to normal rat brain[J].Am J Pathol，1995，147(6):1840-1851.
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）45-0076-02
伴随光学显微镜技术的飞速发展，显微技术也在相应的不断进步。经过有关光学系统及信息处理能够使显微镜的分辨率大幅提高，用于生物样品三维信息的获取、记录、处理和显示的显微镜成像系统也得到了很大发展。在显微镜成像过程中，其所获取的每一幅图像都包含了焦平面和焦平面外的光信息，焦平面外的信息对所成图像造成了很大的模糊干扰，因而使得图像清晰度降低甚至无法识别。为了去除这些离焦光信息，人们尝试了许多解决办法。激光扫描共焦技术在荧光显微成像的基础上克服了离焦平面信息的干扰，从而得到了清晰地聚焦平面的图像。但是其缺点也是很显然的：其价格昂贵不利于技术的普及;不能得到样品完整、真彩的图像;由于需作二维逐点扫描，其成像速度受到限制，不能对样品实施快速动态成像。宽场显微镜是一套传统的显微镜，其价格便宜，可广泛用于各种行业实现对样品的快速观测，为了实现对样品的三维观察，首先需要对样品进行光学切片，在基于宽场显微技术的基础上经过对显微镜的改进，可采用各种方法实现宽场显微镜的光学切片成像。随着对微观世界更深入的研究，人们希望进一步提高光切片质量和切片的速度等。本文将介绍几种基于宽场显微技术的快速三维成像技术。
一、非干测量的宽场光切片技术
细胞膜的活动在细胞的力学中扮演着重要的角色，因此观测细胞膜的三维结构是非常重要的。一般我们使用相衬和荧光显微镜技术去观察它的活动，然而这种光学观察只能提供细胞边界的信息，很难去了解细胞表面的拓扑结构。为了清楚实时地观察到生物样品的三维结构，这种仪器应该满足分辨率高、成像速度快、视野大等多种要求。在基于宽场显微光切片的技术基础上，可以采用一种新的光学技术――非干涉测量的宽场显微镜光学轮廓测量技术来实现这一要求。这一技术不需后期的扫描机制即可得到三维图像，系统中探针是浸入水的物镜，它的工作距离在毫米范围内。图1显示的是实验装置，该装置采用传统的光学显微镜作为主要的设备，使用一个功率固定的钨卤素灯作为光源，它的功率波动范围为小于1%，带通滤波片的波长范围为350～610纳米。这套系统使用栅格图案在空间相位0，2π/3，4π/3获得三幅图像，然后使用零查探测原理去删除这个栅格图案获得光学剖面图像，通过对图像的后期处理即可呈现样品的3D结构。
二、基于Z轴自动控制宽场光切片技术
在对细胞或者微小的样品进行观察时，显微镜是必不可少的工具，但是一般的显微镜包括宽场显微镜只能观察他们的二维图像，为了得到三维的图像，需要在显微镜的z轴方向上进行光学切片，得到不同焦平面的图像，然后利用计算机技术实现三维重构。为了在宽场显微镜中得到Z轴上不同的焦平面信息，需要对轴进行微调，Z轴方向每上升或者下降一定的距离获取一副图像。传统的方法是用手动的方式去调节Z轴的旋钮，达到Z轴上升或下降的目的。这种方式使得得到的断层扫描图像难以获得足够的精度和足够薄的切层厚度，而且各个断层图像的层厚变得不均匀，这样将在很大程度上影响图像的三维重构效果，同时在进行断层扫面时图像的拍摄时通过手动的方式控制拍摄，这样拍摄一副断层图像需时过长，在荧光样品拍摄前往往已经暴露在激发光的强光之下，这样大大增加了样品被强光漂白导致损伤的危险。因此，一种采用全自动宽场显微光切片的技术将具有重要意义。
这种技术能通过计算机控制显微镜物镜Z轴作精确的微动，来对样品进行逐层扫描成像，其精度可达到纳米级，同时它还能控制摄像系统对每层断层图像进行自动的摄取与存储，不需人工干预。因此，在光路中加装一套激发光快门开合系统，通过计算机同步控制快门开合系统和自动数码成像（或视频图像）拍摄系统，这些装置的增加对宽场显微光切片技术有着非常重要的意义。这样的一套系统可广泛应用于各种医学和生物研究领域，特别是需要观察三维断层的相关领域如生物医学成像与生物医学材料的领域，具有非常重要的实用价值。
三、变形光栅光切片技术
要想得到物体不同层的图像，传统的方法是移动透镜或者相机，但是在一些应用中物体或者成像条件是快速变化的，需要设备能在相同条件下同时捕获多个层的图像。其中一种方法是采用分束器，将一束光分成几束，然后使用多个相机来获得图像，通过移动相机来达到获取不同焦平面图像的目的。但是这种方法会导致复杂的光学系统并且需要多个同步相机。一种使用特别设计的变形光栅能被当作分束器使用，在单图像平面同时记录多个物体不同焦平面的信息，这将只需要一个简单的光学系统便可实现同时获取不同层面的图像，大大降低了成本。使用变形光栅同时得到多个物层面图像的方法原理在于，变形光栅是一个二元位相光栅。其暗区域能增加光学厚度，它在非零衍射序列具有聚焦的功能。特别设计的光栅在每一个变形序列上具有不同焦长的透镜的作用，在图像视野产生假的三维图像。光栅焦长和图像面的分离是通过设计光栅结合物体放大倍数实现的。该技术的基础是变形的衍射光栅，它的光栅线由一个半径为二次方程的光栅线构成。它产生的光栅线是圆弧并且它的中心是偏离透镜轴中心的，如图2所示，变形光栅扮演一套透镜的功能，它能修改每一个衍射序列（+1，0，-1）的焦长，这导致三个物面在同一个探测器面上呈现。当光束进入系统时，零序列衍射产生一幅激光束焦斑图像，+1和-1序列提供光束焦平面后和焦平面前两个层面的图像。因此，利用这种技术可在不需要任何扫描特别是纵向扫描，可实现对样品多层面同时一次成像。但是缺点是一次只能进行三层成像，需要更多层数成像需要加装Z轴扫描装置。
四、基于变焦透镜的宽场显微光切片技术
这种技术原理类似于前面介绍的基于Z轴自动控制宽场光切片技术，将Z轴的机械控制装置用可变焦的透镜来代替。通过改造宽场显微镜可实现这一功能，如图4所示。在该设备中，需要自制一模块，该模块包含一些透镜和可电控的变焦透镜放置在靠近物镜的地方和成像端口想连接，同时为了在目镜中能观察到清晰的图像许在目镜端口加装一相同变焦透镜。这一装置进行光学切片的原理相对比较简单，通过计算机或者其他装置控制变焦透镜的驱动装置，改变电流，透镜的焦距会随着电流大小发生变化，焦距变化后可得到样品不同层的光学信息，完成光学切片的功能。通过实现计算机控制，可实现快速自动宽场显微镜光学切片技术。另外为了让显微镜的改造变得更加简单，可以在显微镜的成像接口处加装一套带有变焦透镜的中继成像装置。这一技术在原理上并不复杂，结构简单，不需要加装机械扫描装置，减少了使用机械装置进行扫描时带来的震动，同时通过精密电流控制可使得描层厚均匀，但是扫描需要时间比较长，为实现实时快速的扫描带来了挑战。
五、小结
上面介绍的快速宽场显微镜光切片技术各有优缺点，他们大多数需要对Z轴进行扫描，不仅影响了扫描速度，而且使用高精密的控制设备成本也比较高，扫描层厚也不均匀，针对这些缺点，我们可以在宽场显微镜的基本框架结构上，结合多种宽场光切片技术实现实时观察样品，另外发展一套新的快速实时宽场显微光切片技术。例如在显微镜的成像接口处加装一套变形光栅系统和变焦透镜，可以在改变一次变焦的同时获得三层切片图像，可大大缩短切片的时间，降低样品长时间暴露在强光下导致的光损伤，它能快速的进行实时光学切片。这样的一个系统预期可广泛应用于各种需要进行实时三维断层观测的领域如生物医学，生物材料等领域，具有非常重要的实用价值。
参考文献：
0 引言
从第一次近红外光学成像运用于婴儿的脑功能成像研究到现在已经有十多年了。未来10年NIRS不断的改良和应用将会对我们了解发展的大脑做出重大的贡献。我们相信fNIRS会在我们现在对于发展的大脑的皮层活动的了解与成人大脑功能之间架起一个重要的桥梁。同时，现在的大量的前言语阶段婴儿行为研究绝大多数应用的是注视时间范式，很大一部分发展的认知神经研究的水平还比较低。fNIRS允许我们解释在人类早期发展中皮层活动定位和行为反应之间的关系。此外，NIRS系统并不昂贵，也还比较便携，能够允许婴儿坐在父母的膝上一定程度的活动，而且更重要的是血液动力学的空间定位结果可以跟成人的脑功能fMRI数据进行比较。fNIRS是理想的研究婴儿的工具。
神经活动产生于神经元细胞的电传导活动。在神经元活动的新陈代谢中，神经元细胞会发生一些改变，氧消耗会显著的增加，附进的脑血流量和氧提供也会增加。一个典型的成人皮层神经活动的血液动力学反应是血流中的含氧血红蛋白的增加和一个不那么显著的去氧血红蛋白的减少，这些导致了血流中总血红蛋白的增加。神经影像学方法分为两种：一种是脑活动直接激活的观察（EEG、MEG）；另一种是随之发生的血液动力学反应（PET、fMRI、fNIRS）。
这些技术都是建立在成年被试身上的，运用于婴儿被试要么是有一些严格的限制因素，要么干脆就不能够运用，也有一些运用这些技术研究婴儿的文章公开发表过，①但是这些研究一般都是限制在睡着的、昏昏欲睡的年幼婴儿被试身上。许多年来，研究清醒婴儿的脑功能成像的首要选择是EEG，这是一种非介入式的技术，拥有很高的时间分辨率，但是空间分辨率非常低。fNIRS的出现提供了研究婴儿脑功能成像的一种新的选择。
运用NIRS研究婴儿的脑功能活动是一个增长很快的领域。自1998年以来论文的数量每年以5倍于上年的速度增长。但是早期的fNIRS研究关注的是对于基本刺激的大脑皮层的激活区域，如语音知觉的听觉区，或者是高频闪光的视觉区，直到最近以来，研究者们才开始关注对一些复杂刺激的多种脑区的的激活。此外，越来越多的研究者开始关注清醒婴儿的编码问题，如客体加工、社会交往、生物运动加工、运动观察、人脸加工。在这些研究中，fNIRS被用来定位一些特殊皮层的血液动力学反应，如颞上沟（注视、生物运动加工），眶额皮层（母亲面孔、情绪感知），感觉运动区（动作观察），前额皮质（客体永恒性），枕颞皮层（动态对象）。定位激活的皮层区域，允许被试轻微运动，这是用fNIRS研究人类早期发展的大脑最显著的特点。
1 近红外光学成像：基本原则和方法
这项光学技术中，光线从发射器中发射出来，经过皮肤、颅骨、下面的脑组织反射回接收器。②光线（波长在650nm-1000nm）的衰减即取决于组织对光线的吸收，也取决于光的散射效应。此外，含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对于近红外光线的吸收有不同的特性，这样，血氧水平就可以被测量了。假设散射是恒定的，那么测量出来的近红外光线衰减的改变值就能够用来计算含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白（HHb）、总血红蛋白（HbT=HbO2+HHb）的值了。了解完组织中的光学路径，HbO2、 HHb 、HbT可以用molar为单位表达出来。这种血氧蛋白的改变可以用来标记大脑血流的变化，因此它可以为研究脑功能提供一个新方法。③
先前的研究指出，NIRS得到的血液动力学参数和fMRI得到的BOLD（血氧依赖水平）是相似的。值得注意的是，不同于fMRI的BOLD数据，fNIRS可以分别测量HbO2和HHb的浓度数据。
2 婴儿fNIRS研究的发展和应用
婴儿fNIRS研究相对于以成人为被试的研究会有更高的剔除率。剔除的这部分其中大概有40%是不符合要求的数据。这很大一部分可以归因于设计这样一个方法是困难的，它要求将一个复合的发射-接收器探头戴到婴儿头上，并且要既有效又舒适。因此，很多的时间跟精力被用在改进NIRS上，为使它成为婴儿研究的有效工具。一个能够用于婴儿研究的NIRS头套要求是它必须舒适，轻巧，能够在很短的时间内安置完毕，必须提供在每一个通道提供稳定的光学测量数据。不像成人实验那样，在婴儿头上停止实验调整头套，然后再开始实验是不可能的。头套必须能够稳固的固定在头上，婴儿任何的移动都不会改变发射-接收器束带的位置，这样可以排除光学信号中的运动伪迹。头套上一系列的通道必须被一个半刚性的结构包围，还要有一些柔韧性使之能够贴合头部，同时，每个发射器和接收器之间还要维持一个固定的间隔距离。脆弱的光纤从头套出来的时候要远离婴儿的面部和他能够用手够到的距离。在戴头套的过程中，婴儿不能过分的捣乱（这会导致他们不想开始实验），在记录数据的过程中，头套不能显眼，以避免婴儿在实验的过程中分心。
在未来，fNIRS一个可能的研究领域是调查个体间的差异，举个例子来说，它也许可以帮助确诊婴儿身上一些典型和非典型的症状，看他是否有可能患上孤独症这种发展异常的疾病，从而对诊断和治疗提供一些贡献。这种临床研究的样本量通常会很小，因此头套的最优化设计就显得尤为重要，这样才能得到完整的光学数据，并且使剔除的数据尽量变得更少。
参考文献
前言：对光电成像系统性能的评价主要涉及光学系统和光电成像系统的优化。在对光电成像系统的优化过程中，涉及材料、机械和电子等多门学科。随着科技的不断发展，阵列探测器更新换代的速度相对较快，为了满足阵列探测器的发展需求，加强对光电成像系统的研究，并且对其进行性能优化具有重要的价值。
1.对光电成像系统的性能优化
对光电成像系统的性能优化目标主要是对光学和电学内容进行设计，并且提升光电成像系统的性能，同时降低系统的制作成本。在光电成像系统中，探测器的性能主要是由电荷扩散、几何尺寸和位相时钟等因素决定。在使用的过程中，探测器的性能同样受到环境、运输和温度等因素的影响。
在设计师对光学系统进行设计时，要根据成像倍率和瞬时视场角来决定光学系统的焦距；并且要根据信噪比来设计孔径；同时要根据尺寸来设计相应的视场角；另外，要根据使用换环境和加工难度来设计相应的传递函数余量。在理想的光学系统设计中，艾里斑直径为2.44λF，光学系统函数的截止频率为1/λF，探测器函数的截止频率为1/d，当艾里斑直径为1个像元时，艾里斑直径为d，光学函数截止频率为2.44/d。但是当艾里斑为一个像元时，系统明显的缺乏采样，继而会导致探测器受到一定程度的限制。当系统传递相应的频谱时，将会导致成像失真[1]。
针对系统成像的失真问题，设计师在设计系统的过程中，可以采用增加空间采样频率的方式来提升系统的分辨率。其主要体现在以下几个方面：第一，当系统的艾里斑直径为2个像元时，系统同样欠缺采样，这种设计方式主要应用于航空相机和空间相机，其传递函数相比于设计值较低。第二，当艾里斑函数为3个像元时，光电系统的传递函数较为容易达到0.1，其一般应用于中小型的光电成像系统。第三，当艾里斑函数为4个像元时，光电系统的分辨率相对较高，适用于实验室等设计环境。由此可见，在光电成像系统的性能优化设计中，增加系统空间采样频率的方式可以较好的提升系统的分辨率，进而可以达到光电系统的使用性能[2]。
2 系统误差对函数的影响
在光学成像系统的设计中，由于涉及、制造和使用的过程中会出现相应的误差，继而会降低传递函数，从而会影响光电成像系统的使用性能。根据科学研究显示，其影响性能的因素主要体现在以下几个方面：
2.1波像差对函数的影响
在光学系统的设计中，波像差会对系统的分辨率产生较大的影响，而在系统的设计中，加工环境、设计和使用等变化均可以影响波像差的变化，从而会影响光电成像系统的使用性能。在光电系统的设计中，其下降因子与波像差之间的关系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系统的波像差，单位是波长，ATF（v）是函数的下降因子，表示空间频率。当系统的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125时，系统的下降因子会达到在最低值。因此，在设计师设计光学成像系统的过程中，需要对波像差和函数下降因子进行合理的分析，以便可以保证系统的使用性能[3]。
2.2离焦对函数的影响
在光学成像系统的设计中，需要对系统进行调焦，当调焦过程中出现误差，对系统的函数会产生较大的影响。当离焦的弥散斑直径是d的时候，离焦的函数如公式2所示：
在公式2中，MTF（u）为离焦，当探测器像元的尺寸分别为10%d-d时，离焦函数的下降幅度越来越大。在设计师设计系统的过程中，为了保证系统的分散率，必须将探测器的像元尺寸控制在30%d以内，以便可以保证光电成像系统的使用效率。
2.3像移对函数的影响
在光电成像系统的使用过程中，在曝光时间内，像在像面内会出现移动，从而会在一定程度上导致函数下降。像移主要包括线性异动、高频随机振动和正弦振动。当系统的线性位移数值为d时，系统函数如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空间频率，当系统探测器像元的尺寸分别为10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d时，像移的下降幅度会逐渐增大。
在光电成像系统的设计过程中，光电的函数主要是由波像差、离焦和像移的乘积得到。对于光学遥感中的光电成像系统，在设计的过程中，可以将空间频率设置在0.5左右，在光电系统加工后，其函数应该控制在0.2左右。而系统最终应用的函数应该控制在0.1左右[4]。因此，在光电成像系统的使用过程中，只有设计师根据实际使用要求来进行设计，才可以达到最佳的使用性能。
3 系统的平均传递函数
在光电成像系统中，光学传递函数在线性空间内属于不变的系统，但是探测器取样会不断的发生变化。在系统的使用中，为了满足系统的使用需求，设计师可以采用平均函数的方式来表示空间频率的变化，以便可以更好的对光电成像系统的性能进行优化。在光电成像系统的使用中，随着系统sin函数和cos数值的不断增加，系统的相位值会逐渐缩小，并且逐渐趋于标准理论值。在数据的使用过程中，规定相应的相位等于0.因此，在光电成像系统的设计过程中，设计师应该尽量的减少函数的数值，以便可以保证系统的分辨率。
4 系统的信噪比
在光电成像系统的使用过程中，信噪比是影响系统的重要指标。在信噪比的使用过程中，主要分为红外系统信噪比和光系统信噪比。其分别如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示红外系统的信噪比，其中F为孔径数，L为地面的辐射亮度。通过公式4，可以较好的对系统的数值进行计算。
在公式5中，Se为信号电子数，Ne为噪声电子数，De为暗信号输出的电子数。在系统的设计中，设计师要根据实际情况来合理的选择信噪比的数值。
结语：光电成像系统的设计关系着其分辨率的大小，继而会影响人们对光电系统的使用性能。希望通过本文的相关介绍，设计师在设计光电成像系统的过程中，可以合理的设计像移、离焦和波像差，以便可以更好的提升光电系统的使用性能。
参考文献：
[1]石涵，都东，苏志宏，等.医用全身正电子发射成像探测系统技术的研发热点和进展[J].生物医学工程学杂志，2015，01（12）：218-224.
近年来新兴的活体成像技术为生物医学研究提供了新的平台。其可从细胞或亚细胞水平对体内的生物学过程进行直观观察和量化分析，具有操作简单，灵敏度高，无创性，观测结果的直观性和连续动态性等特点[1-2]ENREF1。 相对于荧光素酶生物发光成像较强的特异性和高信噪比，荧光成像应用于活体内时因其需要激发光源而造成较强的背景噪音，灵敏度较低，而用于体外细胞及组织标记具有一定优势。利用荧光蛋白和荧光素酶对细胞或动物进行双重标记，前者可用于体外检测和细胞生物学观察，后者用来进行活体动物体内追踪研究[3-4]ENREF1。本研究构建了稳定表达萤火虫荧光素酶-绿色荧光蛋白（Fluc-eGFP，DF）的人乳腺癌MDA-MB-231细胞系，并在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，并应用活体成像示踪监测标记的乳腺癌细胞在小鼠体内的分布、存活及增殖。
1资料与方法
1.1一般资料 细胞，质粒和实验动物：人乳腺癌MDA-MB-231细胞系购自ATCC，人胚肾细胞系293T， Flu-eGFP慢病毒表达质粒（图1）由南开大学医学院免疫学实验室惠赠。6～8周龄健康NOD/SCID雌性小鼠，购自北京大学医学部实验动物科学部，饲养于SPF级环境。
1.2试剂及仪器 DMEM 培养基，Fluc底物luciferin，活体成像设备（IVIS 200），流式细胞仪。
1.3方法
1.3.1慢病毒的包装 将生长旺盛的293T细胞以1*106的密度接种在6孔板内。细胞密度达到90%融合度进行转染。将转染试剂和三种慢病毒包装质粒混合，静置20 min后加入293T细胞培养孔内，4 h后添加2 ml全培养基，16 h后换液，换液24 h后收集病毒上清。
1.3.2慢病毒感染MDA-MB-231细胞及阳性细胞的筛选 将231细胞以10%的密度接种在六孔板内，加入1ml慢病毒上清，2 ml DMEM培养基，24 ug Polybrene。常温下1600 r/min离心1 h。换成全培养基培养扩增。用流式分选出GFP表达阳性的细胞群。荧光显微镜观察GFP的表达情况。
1.3.3 Fluc-eGFP标记的MDA-MB-231细胞GFP和Fluc表达分析 利用流式细胞术检测构建的231-DF细胞系中GFP表达率。231-DF细胞消化后分别以不同梯度的细胞密度接种入6孔板内。培养1 d后应用活体成像仪检测Fluc的表达。成像时向6孔板每个孔内加入500 ul底物溶液（1：100稀释），扫描时间1 s。用living imaging 软件分析处理数据。
1.3.4小鼠皮下移植瘤模型的建立 将培养的状态良好的231-DF细胞消化，制备单细胞悬液，调整细胞数为2×107/ml，用水合氯醛麻醉小鼠，100 ul上述细胞悬液注射至小鼠两侧肩部皮下。
1.3.5活体成像监测移植瘤的生长状况 自接种第2 d起，每7 d应用活体成像检测接种小鼠体内Fluc发光信号，研究移植瘤的生长情况。每只小鼠成像前腹腔注射200 ml的荧光素酶底物，气体麻醉后放入样本暗箱内成像，扫描时间30 s。
2结果
2.1慢病毒感染231细胞及阳性细胞的筛选 荧光显微镜下观察231细胞转染率在80%左右。流式分选出GFP阳性细胞群，GFP表达率在95%左右，经传代扩增5次后表达率无明显变化，见图2。
2.2 231-DF细胞Fluc表达分析 在6孔板连续的5个孔内，随着细胞密度依次递增，荧光信号的强度也依次增强（图3）。说明我们用DF标记的231细胞表达的Fluc蛋白在体外能够使用活体成像检测到。以荧光信号强度对细胞数做一线性回归分析（图3），R2=0.99，表示荧光强度与细胞数之间存在线性正相关。上述结果提示Fluc的信号强度可作为测定活细胞数的标准。
2.3小鼠皮下接种成瘤及活体成像 NOD/SCID小鼠皮下接种经231-DF细胞约2 w后接种部位出现肿瘤结节，所有实验小鼠均接种成功，随时间推移，移植瘤呈圆形或椭圆形生长。于接种第2 d起，成像1次/w，观察到Fluc信号强度随时间增强，提示小鼠体内移植瘤的生长（图4）。
3讨论
慢病毒介导的基因转染能够使外源性基因整合入宿主细胞基因组内，对转录沉默作用有较强的抵抗能力[5]，本实验中DF基因在MDA231细胞内能得到长期稳定的表达，可准确的反映肿瘤细胞在实验动物体内的生存状态。报告基因DF表达eGFP-Fluc融合蛋白，因此可在体外以GFP筛选表达阳性细胞群，建立稳定细胞系。用流式细胞仪进行GFP表达分析，发现连续传代5次后，GFP阳性细胞的比例维持在95%左右。融合基因的优势在于既可进行活体内成像研究、也可从体外验证所标记细胞的分布和功能，结果证明，对于稳定转染了DF基因的细胞系，活体成像的荧光强度与细胞数成正比。
本研究采用慢病毒转染技术，建立了稳定表达双融合eGFP-Fluc蛋白的人乳腺癌MDA-MB-231细胞系，在NOD/SCID小鼠建立乳腺癌皮下移植瘤模型，利用活体成像监测荷瘤小鼠体内肿瘤细胞的存活和增殖。结果提示双报告基因标记技术为进行体内移植瘤成像提供了较大便利。可用于活体成像的小鼠皮下移植瘤模型为乳腺癌相关机制及治疗研究提供了直观，准确的平台。
参考文献：
[1]王丽婷，孙玮，冉海莹，等.活体动物光学成像技术与应用研究[J].医学信息，2015（1）.
[2]刘静静，胡晓俊，李征然，等.Luciferase2/mKate2双报告基因对小鼠骨髓间充质干细胞的标记及活体光学成像研究[J].中山大学学报（医学科学版），2014，35（3）.
摘要：介绍了一种新兴的脑功能成像技术--近红外光谱技术（fNIRIS），阐述了fNIRIS的基本原理及该技术在语言、记忆、阅读等人脑的高级认知中的应用，讨论近红外光谱技术的优势和不足，并对其在认知神经科学方面提出研究展望.
关键词 ：近红外光谱技术；认知；大脑前额叶
中图分类号：Q632；B842.1文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）05-0038-02
1 前言
现有的脑功能成像技术由于设备庞大、伪迹影响较大、造价较高等原因，不适用于研究以儿童、老人及特殊人群为研究对象的脑功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高级神经活动的认知过程.然而近几十年来新兴的近红外光谱技术（fNIRIS）是一种能补充上述脑功能成像技术的不足，同时也是一种能为认知神经科学研究提供新视角的技术，普遍被认为具有良好的发展前景.该技术具有价钱便宜、容易携带和移动、没有噪音污染、对被试无创和实验过程中被试动作不影响实验效果等优点.本文主要介绍近红外光谱技术的基本原理；纵观该技术在自然情境下，如何研究语言、记忆、阅读等人脑的高级认知；并讨论近红外光谱技术的优势和不足.
2 近红外光谱技术的基本原理
2.1 近红外光谱技术的生理学原理
近红外光谱技术以生物组织光学特性为基础，结合光在组织中的传播规律，探究在生物组织中经过散射、吸收等一系列过程后的出射光携带的生化信息，研究目标是找到生物组织中的吸收色团，如氧合血红蛋白（HbO2）、脱氧血红蛋白（Hb）等浓度的定量测量方法，为临床和研究提供方便可靠的监测指标.近红外光谱技术旨在探求组织表面下数毫米的组织光学特性.在生物组织中,光子会历经数千次的弹性散射事件与数次源于吸收发色团的吸收事件,而两种组织中主要的吸收发色团为HbO2和Hb,二者在600nm到900nm的光谱范围中拥有截然不同的吸收光谱.近红外光谱技术可以依据对所测量的HbO2和Hb浓度准确定位测量点所在位置的局部脑活动，这样就可以根据在进行认知活动时HbO2和Hb的浓度相对变化，推知那些脑区参与认知活动，及这些脑区之间的关系.所以，研究人员可利用近红外光谱技术研究脑高级认知活动的神经机制.
2.2 近红外光谱技术的测量指标
近红外光谱技术能测两种浓度变化：一种是测量脑认知活动过程中相关脑区中脱氧血红蛋白浓度以及氧合血红蛋白的浓度发生的变化趋势；还有一种则是测量脑认知活动过程中脑区总血红蛋白浓度变化.研究人员在统计相关指标时常常使用的是氧合血红蛋白指数、脱氧血红蛋白指数以及总血红蛋白指数这三种数据.[1]
2.3 近红外光谱技术的仪器构成
脑功能近红外光谱检测系统主要由柔性探头、测控模块和计算机3个部分组成.测控模块由计算机事先设定的时钟控制频率.近红外光是从柔性探头上的四个光源发出的，光源是利用时分复用技术由光源驱动单元依次点亮的.仪器工作时，特定波长的近红外光照射在待测生物组织上，光信号经过生物组织衰减后被探测器接收，然后在探测器中进行光电信号的转换和信号的放大.经过信号放大、滤波等处理前端模拟信号经USB接口输入到计算机中.然后由计算机即时对信号数据进行处理，计算出血氧浓度随组织活动的变化并呈现在界面上，由此可推测出相关组织区域的活动强弱.[2]
3 近红外光谱技术在高级认知神经科学研究中的运用
3.1 近红外光谱技术在工作记忆研究中的应用
华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室已经展开了关于各种脑功能的研究.如采用n-back作业范式研究工作记忆中大脑前额叶的活动情况.我们都知道，工作记忆的作用在于初步加工和短暂存储被激活信息，以备进入长时记忆或提取等，其对完成学习、语言理解及问题解决等脑的高级认知活动十分重要.由于工作记忆的中央执行系统中的信息执行控制过程十分难理解，内容包括计划、注意、任务及监督管理等各种认知成分，这些不同功能很难在大脑功能的影像中严格分开.研究利用fNIRIS系统，采用言语性n-back作业范式，监测被试在执行言语性n-back任务时前额叶皮层的激活情况，并分析被试行为表现及脑激活数据.[3]另外他们还研制了一种更实用的三波长近红外脑功能光学成像系统，从而考察被试行为表现及前额叶的工作记忆负荷效应，进而研究较高记忆任务条件下，被试前额叶脑区激活情况对其行为表现的影响.一系列的研究结果表明，被试前额叶的工作记忆负荷效应显著：前额叶皮层激活脑区具有典型的激活模式，被试的错误判断引起额外的前额叶皮层激活；前额叶皮层活动的功能侧化现象显著，记忆负荷越大，侧化指数越小；较高记忆负荷下，被试激活脑区活动程度与其行为参数之间存在着规律性联系.随着近红外光谱技术的发展及其在工作记忆方面的研究应用，利用近红外光谱技术得到的研究结果必将为工作记忆的脑机制的研究提供更加科学可靠的实验数据，为不断加深对工作记忆的认知加工过程的研究做出更多的贡献.
3.2 近红外光谱技术在自然情境下认知过程研究中的应用
由于近红外光谱技术的设备较小，轻便，能进行长时间的重复测量，并且被试实验过程中的动作对脑成像影响不是特别明显，因此适合研究自然情境下认知过程的神经机制.如Nagamitsu等人采用近红外光谱技术研究被试在观看视频游戏时大脑局部血容量，实验过程中要求被试玩巧妙的游戏.实验结果发现，在玩游戏过程中五个成人被试中有四个被试的大脑双侧前额叶的总血红蛋白浓度上升显著；七个儿童被试中有两个被试大脑双侧前额叶的总血红蛋白浓度显著下降.研究结果表明，大脑前额区氧合血红蛋白和双侧运动区氧合血红蛋白的浓度呈显著正相关[4].近年来，研究者不断采用fNIRIS研究大脑前额叶在睡眠、和伦敦塔任务等自然情境中的变化，取得了一系列重要的结果.并且研究者还将此技术用于研究模拟驾驶、电子游戏、教育及咨询情境中的大脑的认知活动研究.近年来，近红外在便携、无伤害性等方面的发展成熟，为在自然情境中研究大脑认知活动机制提供了有效的技术手段.随着近红外光谱技术的广泛应用，日常生活状态下人们认知过程的神经机制将越来越能被脑功能成像的结果所解释[5].
3.3 近红外光谱技术在发展性阅读障碍研究中的应用
发展性阅读障碍是一种较常见的学习障碍现象.发展性阅读障碍的儿童通常有与正常儿童水平相当的智力，他们享有共同的教育机会，但是前者的阅读水平显著落后于后者.以往研究中，其它功能监测技术对阅读障碍儿童大脑功能进行监测所得到的结果各有不同.鉴于此研究者采用fNIRIS设计了恰当的实验范式，以汉语阅读障碍儿童为研究对象，研究其大脑皮层活动在进行汉字语音和语义加工时与正常儿童的差异.研究结果表明汉语阅读障碍儿童在执行汉字阅读任务时，左前额叶皮层中血容增加的区域明显小于正常儿童，且血容增加的幅度较正常儿童低.实验结果为阅读障碍的神经生理学研究提供了可靠证据.[6]
目前随着光电技术和信息技术的发展进步，近红外光谱技术在大脑功能活动的监测上得到了进一步的发展.不仅如此，在研究婴儿大脑方面，由于其大脑发育尚未完全、体积较小、几何结构较简单、光学特性参数也比成人脑有规律，便于研究，因此近红外光谱技术在研究对婴儿大脑的发育与发展方面也十分有效.另外一些研究者使用近红外光谱术研究语音识别时被试皮层的活动，都得到了一些重要的发现.
4 近红外光谱技术的优势与不足
4.1 近红外光谱技术的优势
在现有的脑功能成像技术中，脑电技术（EEG）和事件相关电位技术（erp）虽然有着较高的时间分辨率，但是它们的空间分辨率却较低，并且溯源分析困难.而fMRI和PET等虽然空间分辨率能够满足需要，可是它们又满足不了对时间分辨率的要求.但是近红外光谱技术却能两者兼顾，基本能满足研究者对时间分辨率和空间分辨率的要求.另外近红外光谱技术还有灵活、易用、成本低和没有侵入性的优点，不仅能实时监测脑区认知活动在自然情境中的情况，还可以同时与EEG、fMRI、PET等其他脑功能成像技术研究手段进行测量，并且互不干扰.还能用于对大量被试进行反复多次实验.近年来在近红外光谱技术已广泛应用于认知神经科学领域[7].
4.2 近红外光谱技术的不足
作为一种刚刚发展起来的脑功能成像技术，近红外光谱技术存在许多的不足有待改进.主要不足是定位能力较差，不能覆盖全脑，探测深度有限.同时近红外光谱技术在空间分辨率方面还不够完善，因此大多数研究者采用近红外光谱技术时只报告血氧的变化，通常不报告空间分辨率.这些不足还有待在今后的研究中改进.
5 结语与展望
在近几十年里，近红外光谱技术在研究大脑高级认知神经机制中显示出越来越明显的优势，采用近红外光谱技术研究的实验报告也越来越多的发表在很多高水平的杂志上.近红外光谱技术开辟了大脑研究的新领域和脑功能成像研究的新方向，必将使人们深入的了解大脑功能.近年来功能性近红外光谱技术已经取得了美国药物和食品管理局的认证，并且已在新生儿语言加工的研究、语言和认知发展、认知切换能力等各个认知神经科学领域中得到了普遍的应用[8].当然近红外光谱技术还有待进一步的发展与完善，但随着这项新技术的不断改进，其在心理学各领域的研究将会不断加深，应用范围也将会不断扩大，近红外光谱技术在脑功能研究领域的应用价值将不可估量.
参考文献：
〔1〕刘宝根,周兢,李菲菲.脑功能成像的新方法—功能性近红外光谱技术(FN IRS).心理科学,2011，34(4):943-949.
〔2〕杨炯炯,曾绍群,骆清铭,管林初,匡培梓,龚辉，等.左前额叶参与非相关词对的语义编码过程一来自光学成像的佐证.心理学报,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.
检验医学领域迎来革命性创新机遇
很多患者觉得身体不舒服，前往医院就诊，要准确找到病因可能需要做很多检查，如X光、CT、核磁共振等一系列放射检查，B超、彩超等超声检查，还有抽血化验、病理学活检等等。或许，在将来的一天，我们只需要用一种检查就能快速准确地给出结论。
据介绍，基础科学的飞速发展，极大地促进了医学疾病诊断水平的提高，使现在的疾病诊断越来越迅速准确，诊断成本越来越低廉。尽管如此，目前患者要确诊大部分疾病仍然需要通过医学检查才能确诊，并有较长的等待结果时间。为了准确查出各类常见、不常见、甚至罕见疾病，西南医院仅检验科就有1000多个检验项目。
“放射科、检验科、超声科、病理科・・・・・・这么多的检测手段、检验人员、设备试剂，都是对患者有用且必须的，但是很多科学家都有一个科幻的想法，我们能不能让检验更简单更一站式？”西南医院检验科主任、973项目首席科学家府伟灵形象地比喻，如果说一站式检验是科幻电影，现在检验医学科学家做的事情，就是为这个科幻情节找理论依据和前提条件，先要有想法，未来才会有实现的可能。
本次973太赫兹技术研究项目，就是期望通过物理学、医学等各学科顶尖科学家的共同攻关，让科学家在生物医学微观和宏观领域最终解释各种生命现象，为疾病的诊断、治疗、评估、监测和预警及后续药物设计、研发、生产和评价带来革命性改变。
太赫兹波技术在医学上应用广泛
“相较于现有医学成像技术，太赫兹波光谱成像技术具有更独特、更适用的物理特征。”府伟灵说，由于太赫兹波具有反应物质结构与性质的指纹特性，并且光子能量低，远远小于X射线能量，不会对生物大分子、生物细胞和组织产生有害电离，特别适合于对生物组织进行活体检查。
医院检验科教授黄庆介绍，与现有X光、核磁共振等检测手段相比，太赫兹波的最大特点是能将检测细致到细胞级别。
“如果把X光等检测方法和太赫兹比作不同型号的相机，那么太赫兹就具有像素更高、快门速度更快的优势。”黄庆说，像素更高是由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高。又由于它发出脉冲的时间很短（皮秒量级），所以具有很高的时间分辨率，时间分辨率就相当于快门速度。
另外，太赫兹与X光等现有检测方式相比，辐射剂量几乎为零，对人体伤害非常小。
据介绍，太赫兹波是频率在0.1～10THz的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡的波段。国际上，太赫兹生物医学研究随着欧盟2000年设立的国际联合项目“THz-Bridge”正式启动。美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，并将生物医学应用列为主要方向之一，欧洲也连续10年将生物医学应用作为首要研究方向。
太赫兹-检测医学（THz-LabMed）是当前受到极大重视，涉及医学、生物学、生物医学工程学、物理学、光学、计算机学、信息和材料等多学科的综合交叉前沿学科，是以生物医学实验诊断应用为目的，采用太赫兹（THz）波技术无标记、无损检测生物大分子、生物细胞和组织医学和物理交叉的新学科。基于THz波技术的THz-LabMed是我国与全球同步开展的THz-BioMed研究领域，可以从新的视角为检验医学提供分子、细胞和组织侦检的革命性科学手段，形成检验医学优势新学科和产业基础。
以乳腺癌和神经胶质瘤为初期研究对象
