第五节　光学成像

一、光学成像的基本原理

传统的脑功能成像如fMRI、PET、SPECT及MEG（图1-5-1）等方法，虽然已被成功用于脑功能的研究中，但是目前也存在时间或空间分辨率不够的问题。光学成像作为一种无损、高时空分辨率的脑功能成像技术，在研究大脑皮层区域功能构筑及其血流动力学响应方面取得重大进展。

1977年，乔布斯（Jobsis）在Science杂志上发表论文，第一次用近红外光对动物大脑皮层中的血氧水平进行了检测，发现血液中的脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白分别在735nm和850nm处有两个吸收峰，其变化可以反映血红蛋白的载氧情况。该报道引起了生物医学界的广泛重视，此后很多研究小组对近红外成像技术进行了研究，并且将近红外光谱成像技术运用于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的测量中。随着光学理论和电子计算机技术的飞速发展，1991年出现了反射式扩散光学成像技术（reflectance diffuse optical tomography，rDOT），近红外光谱技术开始真正应用于检测成年人大脑皮层的功能活动，并进入了快速发展的时期。

光学成像的原理，可以简单的归纳为：通过光在物质中传播的两种基本相互作用：吸收、散射，来了解该物质的特性。通过光在组织中的传播模型，重建出由输入到输出这一过程中的组织变化，这就是光学成像的物理基础。

当光照射在人体组织时，光子在人体内部传输会发生吸收和散射。组织对光的吸收可以归结为组织中的不同成分分子对光的吸收。组成人体最重要的成分是水分子，水对波长短的光子（＜600nm）吸收性较差，而对波长较长（＞900nm）的光子吸收性较好。人体组织中的另一重要组成部分是血液，而血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白是吸收光子的主要成分，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对波长较短的光子均有很好的吸收性，但是对波长较长的光子的吸收性却较差。所以当波长较长和较短的光子穿越人体组织时，会很快被吸收，穿透性都很差。这些光子在人体组织中只能传播很短的距离（图1-5-2）。

在人体组织中，恰好可以在近红外波段找到这样一种“光学窗”，它的波长范围是650～950nm。在该波段范围内，水、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收系数都比较小，光子可以从人体头部表面出发穿越头骨到达大脑，从大脑射出的光子就携带了大脑组织变化的信息。有资料证明，近红外光子在人体内传播的距离长于30cm。根据比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law），光在同一组织中传播，光子强度会呈指数下降，一般情况下检测到的光子强度不足入射光子强度的万分之一。然而，因为近红外光子在人体组织内有较低的吸收系数，经过脑组织传播后光子仍然可以被高灵敏度的光电检测器可靠地检测。

同时光在通过一种物质传播到另外一种物质的过程中，在两种物质的分界面上会发生散射现象。人体中存在不同的组织结构，光子从光源发出后，即在组织内经过多次散射，其行进路径可用“随机游走”描述。“随机游走”的步长与组织的散射系数有关，散射系数较大的组织里，“随机游走”的步长较小，散射系数较小的组织里，“随机游走”的步长较大。随着在组织里传播路径的增长，光子的能量迅速减弱。

由于光在组织中主要有吸收和散射两种传播模式，通过其传播模型就能得到组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况。

二、光学成像的方法

脑功能光学成像技术对深入分析脑的信息加工过程，揭示脑的高级功能相当重要。下面主要介绍几种目前应用比较广泛的光成像方法：

（一）近红外光成像技术

1977年，乔布斯观察到成年猫大脑皮层内氧合／脱氧血红蛋白和细胞色素的浓度变化曲线［1］。此后近红外光成像技术（near-infrared spectroscopy，NIRS）被广泛应用到氧合／脱氧血红蛋白和细胞色素氧化酶等的测量中。1993年，威尔林格（Villringer）等人首先将近红外光谱技术应用于成人脑功能的检测，随后单通道近红外光谱技术广泛应用于成人和婴儿血流动力学的检测（图1-5-3）、脑认知功能和婴儿脑发育过程的研究中［2］。

目前近红外光成像技术按照调制方式主要分为三种：连续波技术（continuous wave）［3］、时间分辨技术（time resolved）［4］和频域调制技术（frequency domain modulation）［5］。整个系统由四部分构成，分别是：柔性探头（光源和检测器）、模拟／数字转换和数据采集、光源驱动与控制以及PC机。

NIRS作为一种非侵入式的脑功能检测技术，它具有如下特点：①完全无创，采用1～30mW的低功率光，无需放射物跟踪的注入，同时对人体无副作用；②可以分别对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化值进行检测；③装置小型化：无需fMRI或者PET似的大型加速器，占用地方小，同时由于探头（光源、检测器）小，可通过光纤传输，整个装置便于移动和临床监测；④时间响应快，可以做到动态实时监控；⑤避免了脑电波检测仪器的缺点，对相对运动的抗稳定性好；⑥投射距离有限；⑦空间分辨率较差。

（二）内源光学成像技术

1986年格林弗德（Grinvald）提出了一种内源信号光学成像技术（intrinsic optical signal imaging，IOSI），并观察到了大脑皮层的功能构筑［6］。内源光学成像技术中所指的内源信号，是指由神经元活动所引起的有关物质成分、运动状态改变而导致其光学特性发生变化，在与某些特定波长的光量子相互作用后得到的包含了这些特性的光信号。傅若斯蒂（Frostig）等人的研究表明内源信号至少包含3种成分：局部血流量的变化、血红蛋白氧饱和水平的变化、散射光的变化［7］。到目前为止IOSI是一种具有最高空间分辨率（20～100µm）和适用时间分辨率（毫秒级）的在体脑功能成像技术，它为研究大范围皮层内的功能构筑提供了有力的工具［8］。

（三）激光散斑成像技术

目前已有多种技术如激光多普勒和fMRI研究了基于哺乳动物体感刺激模型的局域脑血流响应，但是循环中脑血流所扮演的角色以及它与代谢功能活动之间的关系一直都存在较大的争议，因此需要获取更精确的时空分辨率来评估大脑内在的血流动力学响应机制。20世纪80年代布莱尔思（Briers）等人提出了一种激光散斑成像技术（laser speckle imaging，LSI），是一种无需扫描、具备高时空分辨率、能同时获得脑血流速度等多种生物信息的光成像技术［9］，无侵袭性，为脑皮层血流成像提供了重要的工具。

（四）神经元事件相关光信号成像

美国著名神经学成像专家格拉顿（Gratton）和法比尼克（Fabianic）的实验室利用近红外光的特性研究人脑活动的变化，他们称此方法为神经元事件相关光信号成像（event-related optical signals，EROS）［10］。他们将纤维光源置于头皮上，光贯穿颅骨进入颅内，并被脑组织散射，在距光源仅几厘米处放置感光器件，测量光通过的时间。EROS是一种基于光散射原理，能直接对大脑神经活动进行成像的方法，其光信号是由伴随皮层活动时水和离子的活动、细胞的泳动、细胞外间隙膨胀和收缩、毛细血管的膨胀以及神经递质的释放等发生的神经元活动光学散射特性变化引起的。

（五）染色成像技术

染色成像技术（voltage sensitive dye imaging，VSDI）是最早对神经元活动进行成像的方法之一，运用适当的染料，对皮层直接染色，可大大增强用普通成像设备取得脑功能活动图像的能力。常用的染料为电压敏感染料，染料被引入生物体内后，将会随着神经细胞膜电势的功能改变迅速改变它们发出荧光的强度和波长。VSDI可以和内源光学成像或探针记录方法相结合，进行脑功能活动的多方位研究。

（六）光学相干层析成像

光学相干层析成像（optical coherence tomography，OCT）是20世纪90年代发展起来的一种新型光学成像技术，采用低相干的近红外光作为光源，使用迈克尔逊干涉仪进行选通，得到只包含尺度相应于相干长度的一薄层生物组织信息。OCT是一种非侵袭性的高速断层成像，集光学、医学、生物学和图像信息处理技术于一体，主要应用于人眼视网膜和其他生物组织的层析成像，此外，也有研究报道OCT在神经外科领域的应用［11］。

（七）干涉成像光谱方法

干涉成像光谱仪（spectroscopy technology of interference imaging，STII）是20世纪80年代发展起来的一种成像光谱仪，使用迈克尔逊干涉仪的时间调制干涉成像光谱方法及萨纳克干涉仪的空间调制干涉成像光谱方法［12］。具有高光谱分辨率、高通量、宽光谱范围的特点，适用于可见和弱红外辐射的探测，STII可以同时获得目标的图像和光谱，在人脑功能成像中具有重要的价值。

三、光学成像在精神影像学中的价值与局限性

现代光学成像技术可以在分子水平研究脑皮层的功能构筑，实现在不同时间和空间尺度，在不同层次上活体动态地监测脑皮层生理、病理变化过程，为揭示大脑认知活动规律、脑神经信号转导、神经元网络信息加工、传递和整合等提供重要的实验依据。认知光学成像是光学功能成像的一个分支，其以探索神经信息处理机制为目标。近年来，一些研究者将近红外成像应用于高级认知活动的研究，如视觉搜索、语言、记忆等，其中主要是人类大脑前额叶区域与认知活动的密切关系。实践证实，近红外技术是认知神经科学研究中的重要手段。

总的来说，光学成像技术正处于迅速发展时期，它在脑科学研究领域的使用日益广泛，在诸多的成像方法中光学成像之所以能够异军突起，是因为它具有以下其他方法所无法比拟的优点：①相对于fMRI等技术来说，这种技术具有更高的时间分辨率；②能够对活脑的皮层激活区进行更为直接的成像；③体积小、重量轻、成本低，特征信号较易获得，具有成熟的技术支撑背景。我们应该认识到不同脑功能成像技术有着各自的优劣之处，光学成像技术是一种新兴的成像技术，提高成像的穿透深度是亟待解决的问题之一，其他不足还有外部皮层组织对光信号的衰减、皮肤色素沉着对光信号的影响等。为了准确、全面、实时地测量大脑在认知过程中的活动，最佳的脑功能成像策略是将不同的方法进行整合，光学脑成像技术与多种脑功能检测技术的交叉结合，采用不同技术手段所获结果的交叉印证将为脑机制研究提供更加翔实的实验数据，推进对大脑奥秘的探索。

（雷　都）

参考文献

［1］Jö bsis FF. Noninvasive，infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science，1977，198（4323）：1264-1267.

［2］Villringer A，Planck J，Hock C，et al. Near infrared spectroscopy （NIRS）：a new tool to study hemodynamic changes during activation of brain function in human adults. Neurosci Lett，1993，154（1-2）：101-104.

［3］Schotland JC. Continuous-wave diffusion imaging. J Opt Soc Am A，1997，14（1）：275-279.

［4］Patterson MS，Chance B，Wilson BC. Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties. Appl Opt，1989，28（12）：2331-2336.

［5］Tromberg BJ，Svaasand LO，Tsay TT，et al. Properties of photon density waves in multiple-scattering media. Appl Opt，1993，32（4）：607-616.

［6］Grinvald A，Lieke E，Frostig RD，et al. Functional architecture of cortex revealed by optical imaging of intrinsic signals. Nature，1986，324（6095）：361-364.

［7］Frostig RD，Lieke EE，Ts’o DY，et al. Cortical functional architecture and local coupling between neuronal activity and the microcirculation revealed by in vivo high-resolution optical imaging of intrinsic signals. Proc Natl Acad Sci U S A，1990，87（16）：6082-6086.

［8］Vanzetta I，Grinvald A. Evidence and lack of evidence for the initial dip in the anesthetized rat：implications for human functional brain imaging. Neuroimage，2001，13（6 Pt 1）：959-967.

［9］Briers JD，Fercher AF. Retinal blood-flow visualization by means of laser speckle photography. Invest Ophthalmol Vis Sci，1982，22（2）：255-259.

［10］Barinaga M. New imaging methods provide a better view into the brain. Science，1997，276（5321）：1974-1976.

［11］Boppart SA，Brezinski ME，Pitris C，et al. Optical coherence tomography for neurosurgical imaging of human intracortical melanoma. Neurosurgery，1998，43（4）：834-841.

［12］唐孝威.脑功能成像.合肥：中国科学技术大学出版社，1999：126-143.