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~2 eV.
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
DOT, PAT Ballistic component is significant within a few mfp.
Wang & Jacques, Computer Methods and Programs in
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
),(),(t S t a r r =φμ光在组织中的速度；扩散系数；
1
]}
)1(??s g μ
多次前向散射
弹道光子
“蛇行”光子吸收
从能量传输角度出
发的输运理论
随机模型：
Monte-Carlo 模拟
随机行走理论等多流理论
扩散理论
理论标准扩散近似
扩散光学成像的分类
连续强度
强度调制（频域）
时间分辨（时域）
扩散光学成像的分类
连续强度
z y
(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
a cl
μ
=
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
G
DPF
cl
a
e
I
I+
?
?
=η
/
a
)
()(2112HbO c l aHbO Δλλ)()(2222HbO c l aHbO Δλλμ)
()(232HbO c l aHbO Δλλμ
)](1λμaHb )]
()()()(.1333221λμλμλμλλaHb aHbO aHbO D O ?Δ由光源探测器间的距离l 和DPF共同决定
850
805
730
*)*)*)222L C L C L C HBO HBO HBO 730850730*0.104*0.130*7.49OD OD ?=+
近红外光谱检测原理