生物組織光譜學技術

　　利用光學方法進行生物組織機能和結構的定量分析已成為生物醫學工程領域中的一種強有力的手段。尤其是無損光譜學技術已引起人們的極大重視并努力研究。它可以通過光在組織中傳播的特性求出被福射組織內的光空間分布,并且借此確定治療中的生理效應,如激光手術、光動力治療等。對于大腦、乳腺、肌肉及其它組織,根據組織漫反射光或漫透射光信號來探測組織之氧化代謝的、生理的或結構的狀態,可為臨床提供方便可靠的生理參數指標。

　　在紅光和近紅外光譜區(600~1300nm),生物組織的某些不同的成分對于光的吸收和散射有著不同的特性,而且在不同的生理狀態下,組織光學參數也大不相同,如組織正常、癌變或局部缺血狀態下的吸收是不同的。通常,在600nm與1300nm之間“光窗”范圍內,組織對光的吸收最小,即在臨床監測的組織部位上存在著可測量的漫反射光或漫透射光,這樣就使得基于定量和波長分析的無損光譜學測量技術成為可能,并結合現代激光技術而發展。

　　目前,用于生物組織的光譜學技術主要有三種:其一是連續波光譜學技術、它是利用近紅外頻段的連續光,基于朗伯一比爾定律,由檢測光強無損估計組織氧化代謝能力,如血紅蛋白(HB)濃度變化和血紅蛋白氧化吸收；其二是時間分辨光譜學技術,光在傳播過程中發生散射現象而使光子傳播路徑長度不同,由時辨方法監測光總路徑長度來定量組織吸收變化,通過一脈沖入射光,光子總路徑長度分布可直接通過測量作為時間函數的光強而得到；其三是頻率分辨光譜學技術,高頻調控的正弦入射光經過組織傳播后由吸收和散射延遲了光子行程時間,引起相位上的變化,此相位移與平均光路徑長度有關。用總光路徑長度作為組織氧合函數可精確定量HB濃度。時間和頻率分辨技術都是基于漫射近似理論。

　　連續波光譜學技術(CWS,Continu-ouswavespeetroseopy)；時間分辨光譜學(TRS,Time一resolveds

　　PeetroseoPy)；頻率分辨光譜學技術(FRS,Freqeuney一resolvedspeetroseopy)在醫學領域有重要作用。

　　連續波光譜學技術(CWS,Continu-ouswavespeetroseopy)

　　CWS技術出現早,技術要求相對簡單,使用方便。目前,美國賓州大學研制的Runman系統打技術較為成熟,具有代表性。

　　時間分辨光譜學(TRS,Time一re-solvedsPeetroseoPy)

　　隨著皮秒脈沖光源和快速檢測器的發展,最近,Chance及其合作者提出了使用時間分辨光譜學技術監測光路徑長度分布來確定組織吸收或散射變化。由探頭檢測入射脈沖光經過幾納秒傳播后的光強,描述了檢測前光子路徑長度分布。在均勻散射組織體中,這種光路徑長度分布對于近紅外波長測量提供了血紅蛋白吸收能力。當吸收增加時,分布縮短,反之,吸收減小,分布增寬。用漫射近似法可以從路徑長度分布測量確定組織光特性,而且,雙波長或多波長TRS可以用來定量血紅蛋白飽和度。

　　頻率分辨光譜學技術(FRS,Freqe-uney一resolvedspeetroseopy)

　　正弦調制的入射光通過組織后,因散射和吸收使光子傳播時間增加,時間延遲引起相位移,此相位移與光子有效平均路徑長度分布有關,即相位移變化代表了光平均路徑長度分布的變化。

　　時間和頻率分辨光譜學技術比CwS技術更具有潛在優點:首先,TRS和FRS技術用單波長和雙波長定量組織氧合狀態具有穩健性和簡單性,這種技術不受波及絕對信號值的組織邊界條件影響；其次,通過調節時間和頻率范圍,即使是有限的組織體也能實現絕對測量；另外,檢測光的某些特性(如相位或調制)要比光強度更敏感于組織特性變化。液狀態是一個動力學過程,用CWS測定肌肉運動中的變化趨勢,對研究運動訓練、血管病和遺傳病是非常有效可行的手段。通過對不同的針灸位置、深度和時間下CWS的檢測,可使針灸最佳地改進組織局部微循環和細胞能量代謝,更好地調節生理機能和醫治疾病。另外,CWS對泌尿系統疾病的診斷和煤氣中毒搶救時的血氧分析等都是極為有用的工具。TSR和FRS的光子遷移可作為診斷探子,即使較大組織體光子遷移時間不過10一ZOns,生理信號在時間域的波動或快速代謝過程可瞬時分辨出。如大腦皮層的不同神經區中與瞬間認識相關的血量分布的改變,導致漫反射信號付立葉變換低頻部分的變化。使用TRS和FRS可分析組織氧合能力并能提高信號比和縮短動態分析時間。通過對腫瘤氧合作用的特征分析,對于臨床上的輻射治療非常有用。另外,組織狀態微小變化會使組織光散射產生很大的可檢測的變化,因此,通過時辨光子遷移測量散射光變化可確定組織微結構變化(如早老性癡呆)。