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一个光子的旅行

发布时间:2020年07月01日

  Hello大家好,我是光子小q(咳咳!我可不是什么导盲犬)。别看我长得瘦瘦小小的,我的用处可大了去了,比如说我能生火做饭(为什么总是首先想到吃呢?)。

 

  有史为鉴,1995年4月,我国陕西省扶风县黄推村出土的距今大约3000的青铜凹面镜--阳燧或夫燧,就是利用光线来生火的工具[1];当然,我的能耐可不止这么一点点,光学可是现代科学发展史上一颗耀眼的明珠,首届诺贝尔物理学奖就颁发给了研究我们这个大家庭其中一员的科学家伦琴[2],"伦琴射线"由此得名。

 

  根据波长不同,光这个大家庭划分出了很多个家族,比如红外家族、可见光家族、紫外家族、x射线家族、γ射线家族等等。而我,小q属于近红外光(Near Infrared Spectrum, NIRS)家族。

  在同一均匀介质(比如真空)中光是沿直线传播的。而现实中,遇到更多的是在非均匀复杂介质中的传播问题。当光子被"注入"到生物体组织,比如人体,会遭遇什么样的情形呢?首先,一部分兄弟姐妹被皮肤反射出去,我们分道扬镳了;紧接着,能进入组织体的光子大军会遇到生物体组织的吸收(Absorption)作用[3],这也是光与组织体相互作用的基本形式之一。要知道,组织体对来自不同波长家族的光的吸收率是不同的,像小q这种波长在600~900 nm的近红外光,被吸收的概率就要低一些[4]。也许我能一溜烟地从这边进去,那边跑出来,成为出射光。当然了,前途是光明的,道路是曲折的。在这种复杂介质环境下,光直线传播的概率就非常小了,只有极少部分兄弟姐妹有幸快速直线逃脱。剩下的大部分,要面对与生物体组织微粒的碰撞,产生散射(Scattering)现象。这也是光与组织体相互作用的另一种基本形式。因为组织体内部也要被看作是由亚微米或微米量级尺度的微粒组成,在这一微观尺度[5]上,散射是大概率事件。但是,不要灰心气馁,也正是在这种吸收和散射中,大量的小q们与生物体组织发生了联系,产生了相互作用,并留下了痕迹,只要把这种痕迹的规律找到,就能呈现出一副别样的图像,也就发现了一个崭新的世界--扩散光学断层成像(Diffuse Optical Tomography, DOT)技术。图1展示了这一技术中的脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)。

图1. 扩散光学断层成像技术的脑-机接口

  不得不说,人类还是很聪明的,他们发现对于来自同一波长家族的光,组织体成分的吸收系数和散射系数是固定不变的,比如人体组织中的水、黑色素、血红蛋白等等[6],然后他们就有了想法:只要想办法知道未知生物体组织的吸收系数和反射系数的分布情况就能推断出其包含的成分,甚至知道它们的准确位置和尺寸大小,并把这种分布描绘出来,就能形成对这一未知组织的成像。

  首先,这一技术要挑选跟小q同一个家族的近红外波段的光,然后给我们"排好队形"一定不能乱。这一步有个专门的很好听的名字--调制[7]。调制完成后我们就会进入加速通道,加速通道提升了光的功率,让我们更加"强壮"更有"力量",就能通过光纤(Fiber)有效地"注入"到那个未知的亟待探寻的生物组织体里面。然后经过组织体包含的各个成分的吸收、散射,从另一边跑出来被等待在那里的"吸收器"--光探测器(Detector)收集起来,清点数量、做好标记整理成数据,然后交给主控计算机进行下一步处理(图2)[8]

图2.光在组织体中的传播、人体前臂DOT实验及其成像结果

  主控计算机有着强大的计算能力,它通常有"三头六臂"--GPU计算卡。有了这种神器,计算机就能对那些做好标记的数据进行计算,反演出未知组织体内各个位置的吸收系数和散射系数的准确数值[9]。据此分布信息,就可以绘制出一张组织体内部吸收系数和散射系数的三维分布图像来,再根据不同的对比度给这一分布加上不同的颜色,一张扩散光学断层成像的图像就诞生了。人们可以通过图像推断出组织体包含的成分等信息,是不是非常神奇?

 

  目前,小q所在光子家族已经帮助人类描绘出了多种人体部位的图像,比如大脑、乳腺、四肢关节等[10]。最近,蒋华北教授课题组自主设计并研制了一种低成本、高性价比的穿戴式扩散光学断层人脑成像系统。(详情请点击阅读原文。)

  有了这些图像,人们能更好地诊断疾病、观察疗效,研究人体各部位功能运作机制,做很多事情。更加难能可贵的是,这项技术是无创的,不会给人身体造成损伤[11],可以放心使用。相信不久的将来,扩散光学断层成像技术一定能大有作为。好了,小q关于扩散光学断层成像的故事讲完了,幸会!

  参考文献:

  【1】 杨军昌. 周原出土西周阳燧的技术研究[J]. 文物, 1997(07):87-89

  【2】 Schewe P F . NOBEL PRIZE IN PHYSICS[J]. 1989

  【3】 张镇西. 光与生物组织体的相互作用--原理与应用. 西安:西安交通大学出版社,2006

  【4】 Wang L, Wu H. Biomedical Optics: Principles and Imaging. New Jersey: Wiley, 2007

  【5】 沈世杰, 刘炳玉, 李清,等. 人乳腺癌组织的特征红外光谱研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2000(01):29-31

  【6】 Vo-Dinh T , Masters B R . Biomedical Photonics Handbook[J]. Journal of Biomedical Optics, 2004, 9(5):1110

  【7】 D. T. Delpy. Optical Imaging in Medicine[C]// Conference on Lasers & Electro-optics Europe. IEEE Xplore, 1998

  【8】 Zhao H , Gao F , Tanikawa Y , et al. Time-resolved diffuse optical tomographic imaging for the provision of both anatomical and functional information about biological tissue[J]. Applied Optics, 2005, 44(10):p.1905-1916

  【9】 Hebden, JC. Optical imaging in medicine. 2. Modelling and reconstruction[J]. physics in medicine & biology, 1997, 42(5):841-853

  【10】 Jiang H , Xu Y , Iftimia N , et al. Three-dimensional optical tomographic imaging of breast in a human subject[J]. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2001, 20(12):1334-1340

  【11】 Yamada Y , Okawa S . Diffuse optical tomography: Present status and its future[J]. Optical Review, 2014, 21(3):185-205

 

(作者:苏黎)

(本文来源于公众号:生物化学与生物物理进展)

 

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