光学相干层析分子成像研究现状分析

基金资助项目及批准号 国家自然科学基金（60378041、60478040）、浙江省自然科学基金（Z603003）、博士点基金(20030335099)、霍英东青年教师基金(91010)，光子技术福建省重点实验室开放课题（FP0404），教育部新世纪优秀人才培养计划

- 1 -光学相干层析分子成像研究现状分析

王玲 丁志华 刘旭

浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州 310027

oxsp_0@ zhding@

摘要：本文简要介绍了分子对比剂在光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,即OCT）技术中的研究现状，概述了迄今出现的几种不同的光学相干层析分子成像（molecular contrast OCT，简称为MCOCT）方法，并讨论了MCOCT 的几个重要的实际问题：对比剂的选择范围、激发光强的限制、各种方法灵敏度比较以及MCOCT 应用于临床及生物学领域需要考虑的问题。

关键词：OCT， Optical Coherence Tomography; MCOCT , Molecular Contrast Optical Coherence Tomography；灵敏度

1. 引言

光学相干层析成像（OCT ），凭借其独特的相干门技术和干涉测量优势，能无损伤地观察生物体表面以下的组织结构，并具备组织病理分析所需的高空间分辨率，有望成为体光学成像研究中的重要手段。继OCT 结构成像方法提出之后，OCT 功能成像方法也相继诞生。如多普勒OCT 将多普勒技术与OCT 相结合，提供生物组织内部高分辨血管分布和速度分布图像；偏振OCT 则利用光的矢量特性来探测生物组织内部的双折射分布信息。现行OCT 技术，依据弹性散射光所固有的振幅、位相和偏振等信息，来反映组织内部的结构形态特征与生理功能状况。然而，结构形态的变化作为预示性信息，只能作为间接定性的依据。而且，当疾病尚无临床症状时，往往只涉及分子层次上的改变，并不出现物理性状方面的后端变化。尽管功能成像和内部分子有一定的间接关联，但并不具备分子特异性。因此，如果能将现有的OCT 技术发展为具有特异性分子识别功能，在获取了高分辨结构和功能信息的同时，又能获取分子组成和分布信息，这无疑是OCT 技术和在体光学成像技术的一大飞跃。

事实上，OCT 分子成像研究已经成为国际OCT 领域的重要发展方向。至今已报到的OCT 分子成像方法，大体可分为三大类。第一类利用对比剂的吸收性质提取对比信息。这一类又可继续划分为两类：一类描绘对比剂分布的方法是改变注入到生物目标的特定分子对比剂的吸收光谱，通过采集变化前后的OCT 扫描图样获得的。两幅OCT 扫描图样的差别经过处理就

能得到对比剂的分布。另一类方法利用对比剂的吸收光谱曲线被动的描绘出对比剂的分布。

MCOCT 机制的第二大类是基于利用特殊的分子对比剂，它能够有效地并且相干地将照明光场转变为可用干涉仪探测的辐射光场。第三大类是利用专门设计的对比剂的特殊散射特性描绘出目标样品内的对比剂分布。接下来的三节将会详细讨论每一类的例子。

2. MCOCT 方法简介

2.1 基于吸收的MCOCT 方法

已报到的MCOCT 方法有四种是属于这一类的：泵浦探针OCT[1]，泵浦抑制OCT[2]，光谱OCT[3，4]以及光谱三角测量OCT[5]。此类技术均依赖于向目标样品引入具有特定的光学可激发跃迁或可识别的吸收光谱的分子对比剂。

泵浦探针OCT 即Pump-probe OCT,简称PPOCT ，是最早报道过的实现MCOCT 的成像方法。PPOCT 的工作原理简单且直接--光激发场在OCT 探针波长处将染料分子激发到寿命相对长的三重态来改变染料的吸收截面。该技术的难点在于如何建立一个足够快的OCT 成像系统获得染料分子三重态时的OCT 信号。尽管相对分子能级转化时间，三重态2µs 的能级周期已经算是长的，但是相对于基于泵浦探测的成像技术来说，该时间仍然太短。如此短的时间延迟，在每个泵浦探测周期只有用足够的时间来采集单个OCT 像素。在采样周期的后半部分维持激发场强度不变可能会极大地提高系统效率。然而，这必然导致大剂量光辐射。

另一类MCOCT 为解决上述短跃迁周期问题变化选择稍微不同的分子跃迁机制——分子构象变化。像这样的分子对比剂有两个：噬菌调理素（bR ）[6]和光敏色素A （PhyA ）[7]。这种方法中MCOCT 的成像方式与PPOCT 中的成像方式有很大的差别：其分子从一个能级转换到另一个能级无需高强度的光激发。泵浦抑制MCOCT 的优点在于所需的泵浦探针光强要求不高，但该方法可用的分子对比剂的种类有限。

光谱OCT 利用近红外染料分子（靛青绿）吸收峰处于探测光谱范围内的特点[8]，能够提供组织的光谱信息，只是成像的分辨率会下降。如果光谱信息能够揭示具体的组织参数，例如散射或吸收光谱特征，图像分辨率受限也是可以接受的。这种MCOCT 成像方法有以下几个优点：

1） 被动式探测，无须泵浦光激发；

2） 对比剂的选择范围比较广。

这些优点使得光谱OCT 成为一种很有潜力的分子成像方法。文献[8]报道的光谱OCT 实验方案所用的光源及染料的吸收光谱如图1所示。图1（a ）是脉管束中注入染料的芹菜梗的光谱OCT 图像，图1（b ）是芹菜梗相同区域不加染料时的光谱OCT 图像，图1（c ）和（d ）分别为芹菜梗脉管束及周围厚角组织的荧光显微图像和普通的光学显微图像。从几幅图像的对比可以看出，加了荧光染料，芹菜组织的分子特异性更加清晰。

光谱三角MCOCT 可以补偿目标样品固有的一级光谱变化，从而大大提高了MCOCT 的成像质量。

图1 光谱OCT 对芹菜梗成像结果

2.2 基于相干激发的MCOCT 方法

目前，已报道的MCOCT 方法有两种是属于这一类的：二次谐波OCT （SH-OCT ）[9、10]，基于相干反斯托克斯拉曼散射（CARS ）的OCT 分子成像（被其研发者称为非线性干涉振动成像，即NIVI ）[11]。这两种方法的原理都是利用目标样品内的分子对比剂有效的将入射OCT 探针光场相干的转化为可用相干方法探测的辐射光场。SH-OCT 和NIVI MCOCT 通常需要用超短脉冲光作光源，因为超短脉冲光源既有利于提高非线性转化效率，又能实现基于相干门的轴向分辨。

SH-OCT 对于骨胶基质的成像以及提取生物样品的取向信息非常有效。原则上，具有高阶非线性极化率的不对称大分子如噬菌调理素（bR ）,都可以用作SH-OCT 的分子对比剂。SH-OCT 的信噪比灵敏度接近SHG 显微镜，另外由于利用了OCT 的相干门，其轴向分辨率大大提高。

NIVI 在反斯托克斯拉曼散射对比机制中利用了目标分子对比剂的三阶非线性光学极化。参考文献[12]首次报告了这种方法。这种方法利用了两个高强度光源：斯托克斯光（S ）和泵浦光（P ），目标聚焦区域的波长分别为S λ和P λ，如图2所示。它利用四波混频过程的三阶非线性光极化产生一个激发场：反斯托克斯场（AS ），其光频为AS λ。由于分子对比剂有一个振动模式与斯托克斯场产生共振，因而，分子对比剂的存在增强了AS 场的产生。这个AS 场与S 场和P 场有确定的相位关系。参考臂试管里装满高浓度的相同分子，产生类似的AS 场，样品产生的激发场与这个参考AS 场叠加干涉就可以测量样品内的对比剂分布。

利用这种方法，只要合理选择S 和P 场的波长以及合适的分子振动模，S 、P 、AS 的波长可以相当接近。在OCT 成像方案中可以利用这个特征将S 、P 、AS 都控制在红外或近红外波段以便将组织散射的影响降到最低。

NIVI 的信号产生过程基于三阶非线性极化，其产生的信号相比SH-OCT 必然更为微弱，