1.2  光学成像技术发展和应用

通过对目前各种生物成像技术进行研究，我们发现，和其他的方法相比，光学成像技术有许多过人之处，因为它有较高的分辨率和良好的对比度，因此可以更及时更早的发现分子变异或细胞层次上的疾病。

光学成像（Optical Imaging）是指利用光学的方法将生物体、组织或细胞进行成像，以此获得相关的有用信息。把生物光学成像限定在可见光和红外光范围，依据探测方式的不同可分为荧光成像（Fluorescence Imaging）、生物发光成像（Bioluminescence）、光声成像（Photoacousitic Imaging）、光学断层层析成像（Optical Coherence tomography）等。通常来讲，生物成像有两种方法：其一是使用光电倍增管进行成像，；其二就是利用电荷耦合原件进行CCD的成像，这常常应用于动物体的成像和生物体的高光谱成像。

与上述种种成像方式（如:X-CT、超声成像、MRI）比较而言，利用光学成像的方法对于生物组织成像有诸多优点，列举如下:

1) 对于肿瘤的早期诊断，超声成像等方法没有办法清楚的显示相关信息。这对于恶性肿瘤和非恶性的肿瘤的区分存在困难[3]。同时，X射线的辐射较大，会造成生物体的不可逆伤害。而采用光学的方法，则无上述的伤害性，且可在治疗期间多次诊疗成像，在无辐射无伤害的前提下，满足整个治疗过程中实时监控病理状态的要求。

2) 放射性的同位素适合使用的领域有限，且对机体有很大且不可逆的伤害。

3) 对于微米量级的物体，超声多普勒仪的分辨率却在毫米量级，生物体内部的化学成分是没有办法获取的[4]。而光学成像的分辨率则可以小上十倍以上。

4) 核磁共振[5]的分辨率是足够的，对于特殊的化学物质而言探测同样可行，但一些非具体的化学物质，处于元素态的将无法探测，而这种对于元素的探测在体外成像中往往是需要的。由于光学成像的探测只利用光，因而价格较为低廉。相比较，核磁共振需要超导磁，因此其造价高，并导致使用的定价昂贵。

5) 各种不同的光谱对于探测生物的分子构造和化学信息来讲是可行的。

6) 光学吸收这一特性可以揭示许多有关癌症的信息，如分子变异，这往往是医学领域中癌变被发现的方法之一，因而对于尽早的治疗癌症病人，意义深远。

7) 各种散射体的尺寸分布可以通关光学方法进行显示。多普勒效应[6]产生的光频率的波动可以帮助我们获取血液的许多信息，使我们在临床手术和治疗过程中可以“切”得更精准。

8) 靶向造影剂[7]的光学特性可以提供有关生物标志分子成像的对比度;光谱技术也可以同时探测多种造影剂;

9) 人眼的高度透明性，使得光学方式的探测方法优点突出，最明显的体现就是视网膜成像的高分辨率

表1.1 各种成像技术的指标比较[4]

成像方法 分辨率 成像速度 特征

X-CT 2-3mm ~200mm 是 X射线衰减 快 非侵入电离辐射

MRI 2-3mm ~100-200mm 是 H+的浓度 慢 非侵入

超声成像 500μm ~10-20cm 是 声波散射 快 接触式

光学显微镜 1μm ~5-10μm 否 组织染色 慢 离体

共焦显微镜 1μm ~0.2-0.5mm 是 光反射或散射 快 非侵入

OCT 1-15μm ~2-3mm 是 光反射或散射 快 非侵入

SEI 1-10 —— 是 光反射或散射 快 非侵入

在成像技术的研究过程中，光学成像技术在各种疾病的确诊与细胞微观结构的研究方面扮演着重大角色。而早在17世纪光学显微镜就已经在医疗领域投入使用。光学显微镜的出现，使得医学领域形成了如解剖学等的不同分类。在眼科检查中，裂隙灯显微镜(Slit-lamp Biomicroscopes)[8]及检眼镜(Ophthalmoscopes)被广泛应用于角膜和视网膜的观测之中。通过光纤进行光导，可以使医生用常规方法进行内窥，进而诊断如消化道等生物体内部的病症。上表1.1是各种成像技术的各项指标比较，可以看出光学成像的成像速度和分辨率相对于其他方法的成像方式都有很大改善。