小动物光学成像的发展（荧光成像，生物发光成像）

0 说明

本文内容为Nature上2005的一篇review的简要阅读笔记，属于optical imaging 入门的普及性文章。主要是概念介绍。

1 Basis knowledge

平面成像Photographic
层析成像Tomography，即是断层扫描，由低维投影数据重建高维目标的一项技术。它的基本原理是利用一定的传感器结构分层地提取被测对象的相关信息，再利用一定的算法重现所需要的信息，多层信息的叠加即可重现对象的三维信息。根据提取信息的原理和种类的不同，传感器可以用各种射线 (X射线,\gamma射线、中子、离子、正电子等 )、电磁场、光、声等作为信息载体，亦可以以各种方式排列和分布，并且可以以各种图像重建算法反演对象的相关信息。
- X-射线成像（平面和断层，模拟和数字）
  - X-射线穿过某一物质，部分光子被吸收，其强度成指数关系衰减，未被吸收的光子被穿过物体后，被检测器接收。
  - 经过放大并且转换成电子流，得到模拟信号，再转换成数字信号输入计算机进行处理重建成图像供诊断使用。
  - 检测器接收到的信号强弱取决于人体横截面内组织的密度。密度高的组织吸收的X射线较多，比如人体的骨骼等，密度低的组织的吸收的X射线较少，检测器接收到的信号就较强，譬如脂肪等组织。
- CT计算机层析成像技术步骤
  - 用一组平行平面去截所要成像的物体，得到在每个平面上的物体图像、
  - 利用这些平面图像的叠合，得到被测量物体的立体表示。
- 核医学成像（平面、断层，和正电子湮灭成像）
从大到小：分子，原子，质子，中子，电子，光子，胶子，夸克

2 行业背景

小动物成像成为生物医学研究的基石，是体外研究和临床应用的重要联系工具。

3 平面成像Planar imaging和荧光层析成像

对比

4 光域

光学层析成像有三个不同的照明检测技术领域

时域TD：当需要独立测量组织吸收，散射或荧光染料的寿命时，必须使用TD或FD技术。使用超快（飞秒至皮秒）光子脉冲照射组织，并根据时间分辨光子到达组织边界周围不同位置的时间。与连续波方法相比，它们可以使用早期到达的光子来提高分辨率，因为高扩散光子被拒绝了[28-30]。不利的一面是，由于实现了较低的占空比（即打开激光束和检测器的时间长度），因此TD方法不如CW方法敏感，从而导致可用于成像的平均光强度较低。此外，由于与超快开关电子设备和脉冲激光器相关的时间和强度波动，TD仪器比CW系统噪声更大。
频域FD：使用频率为f的调制强度的光，该光在扩散介质中建立相同频率的光子波。光强度和光子波前远离光源或受激发的荧光染料的相移的测量揭示了有关组织光学特性和荧光染料生物分布的信息。FD方法比CW和TD方法受环境光的影响小。但是，它们需要几百MHz或更高的频率才能实现CW分辨率的提高。它们也比连续波方法更不可靠，因为减少了感应高频时的信噪比检测。在多个频率下获得的数据可以改善FD成像性能，并且可以通过傅立叶逆变换等效于TD数据。
连续波域CW：使用恒定强度的光，简单且低成本的光学组件，最佳的信噪比性能。与TD和FD方法中使用的光源和检测器相比，CW光源和检测器通常更稳定并且具有较低的噪声特性。缺点：the difficulty of resolving the tissue absorption from scattering and the inability to image fluorescence lifetime 难以解决散射引起的组织吸收以及无法成像荧光寿命的问题。

5 改善空间采样

在光学断层成像技术中，激发荧光断层成像和生物发光断层成像是两种主要的成像模态。光学断层成像技术重建生物体内的光源依据的关键数据是生物体表面的光学分布信息，而要得到生物体表面的光学分布信息根据探测器的测量方法不同，主要有接触式和非接触式两种。接触式测量方式采用光纤探头接触被测物体表面获得透射扩散光通量，其优势在于能够直接采集到生物体表面的光学信号信息；但是由于光纤数量有限，采样只是得到在被测物体表面的有限点导致空间分辨率很低。基于高灵敏CCD的接触式测量方式是采用固定几何形状的成像腔同时采用光纤传输，这种方法可以得到边界信息，但是同样存在空间分辨率低的问题。非接触式测量方式采用高灵敏度的CCD和镜头采集生物体表面的光学信号，由于CCD的高分辨率可以捕获生物体表面大规模的光学数据，达到亚毫米的空间分辨率，同时大大降低了接触式采集装置的复杂性。在非接触式光学断层成像中，光的传输包括两个部分首先光从被测生物体内部光源处出发，在生物体内传输到生物体与空气的分界面；此后从生物体表面逃逸，在自由空间中传输，最后被探测器接收。因此，非接触式光学断层成像重建生物体内部光源时，首先要获得复杂生物体表面的光学信号分布信息，然后再根据该信息采用合适的重建算法进行体内反演，获取生物体内光源。

6 荧光成像和生物发光成像

原理

体内可见光成像(optical in vivo imaging)技术主要包括生物发光(bioluminescence)与荧光(fluorescence)成像两种技术。生物发光成像是用荧光素酶(luciferase)基因标记细胞或DNA，利用其产生的蛋白酶与相应底物发生生化反应产生生物体内的探针光信号；而荧光成像则是采用荧光报告基因（如GFP、RFP）或Cyt及dyes等荧光染料进行标记，利用荧光蛋白或染料产生的荧光就可以形成体内的荧光光源。前者是动物体内的自发光，不需要激发光源，可通过高度灵敏的CCD直接捕捉光信号，而后者则需要外界激发光源的激发才可以捕捉发光信号。传统的动物实验方法需要在不同的时间点宰杀实验动物以获得数据, 得到多个时间点的实验结果。相比之下，体内可见光成像技术通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标（标记细胞及基因）的移动及变化，所得的数据也更加真实可信。另外, 这一技术由于不涉及放射性物质，具有操作简单，所得结果直观，灵敏度高等特点, 在刚刚发展起来的几年时间内，已广泛应用于生命科学、医学研究及药物开发等方面。

自荧光成像与荧光成像对比

7 光声成像

生物医学光声成像技术是指:当宽束短脉冲激光辐照生物组织时,位于组织体内的吸收体(如肿瘤)吸收脉冲光能量,从而升温膨胀,产生超声波;这时,位于组织体表面的超声探测器件可以接收到这些外传的超声波,并依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布的图像.由上可见,光声成像技术检测的是超声信号,反映的是光能量吸收的差异.

所以该技术能很好地结合光学和超声这两种成像技术各自的优点:由于探测的是超声信号,所以该技术克服了纯光学成像技术在成像深度与分辨率上不可兼得的不足. 另外,光声技术的图像差异来源于组织体光学吸收的不同,这就能够有效地补充纯超声成像技术在对比度和功能性方面的缺陷. 所以,光声技术有可能实现对组织体较大深度的高分辨率、高对比度的功能成像. 也正是源于光声成像技术以上独特的优势,使得该技术在近年来赢得了普遍的重视,并且得到快速的发展.