光透明劑對(duì)生物組織二次諧波成像的影響.pdf

1、自從Denk(1990)等人首次論述了雙光子激發(fā)熒光顯微掃描成像以來，以二次諧波等非線性效應(yīng)作為信號(hào)源的多光子顯微技術(shù)越來越受人們關(guān)注。因其具有非線性光學(xué)成像所特有的高空間分辨率和深成像深度，并且該成像技術(shù)可避免在光學(xué)成像中的熒光漂白效應(yīng)，對(duì)生物組織有較低的殺傷性。是一種理想的非侵入生物活體的成像方法，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)該成像技術(shù)的研究也越來越受人們關(guān)注。由于二次諧波對(duì)組織微觀結(jié)構(gòu)變化的高度敏感性(非中心對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的介質(zhì)

2、才能產(chǎn)生二次諧波)，且二次諧波成像技術(shù)無須染色、不需通過激發(fā)分子產(chǎn)生熒光就可以實(shí)現(xiàn)活體生物組織在分子水平的成像，所以二次諧波成像為某些疾病的早期診斷提供一種新型的具有三維高空間分辨率的手段。 然而由于生物組織內(nèi)部各種成分折射率的高度不均勻性，導(dǎo)致生物組織對(duì)光的強(qiáng)散射，限制了光在生物組織中的穿透深度，光子很難達(dá)到更深的組織，這樣二次諧波成像的深度和對(duì)比度就受到了很大的限制。以致激光成像技術(shù)只能應(yīng)用在生物組織較淺層的診斷與成像，從而

3、限制了激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了克服這個(gè)問題，人們做了很多努力，比如引進(jìn)激光導(dǎo)光光學(xué)纖維結(jié)合醫(yī)用激光器用于醫(yī)學(xué)診斷和治療，但因其成本較高、傳輸損耗以及操作控制等方面考慮，該技術(shù)目前尚不能普及。1997年，Tuchin V.V.提出了光透明技術(shù)(在不會(huì)對(duì)生物組織造成不可恢復(fù)的損傷的前提下，通過施加光透明劑改善生物組織中的散射體與基質(zhì)(胞液和組織間液)間的折射率匹配，降低生物組織對(duì)光的散射，以達(dá)到光透明效果的技術(shù))。該技術(shù)通過施加光透明

4、劑于生物組織來改善生物組織中的折射率不匹配從而降低生物組織對(duì)光的散射，進(jìn)而有效地提高光在生物組織中的穿透深度，為生物組織生理和病理的臨床早期無損診斷提供更全面更準(zhǔn)確的信息。 為了研究光透明劑對(duì)生物組織二次諧波成像的影響，本論文對(duì)光透明劑(甘油)應(yīng)用于生物組織(兔動(dòng)脈血管組織)前后的成像深度以及對(duì)比度進(jìn)行對(duì)比研究，利用鈦寶石飛秒激光激發(fā)光源、德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的LSM510 IIETA激光共焦掃描顯微系統(tǒng)作為掃描顯微系統(tǒng)，獲得樣品施

5、加光透明劑(甘油)前后的二次諧波成像對(duì)比組圖。本文實(shí)驗(yàn)證明了光透明劑(甘油)能夠明顯提高生物組織(兔動(dòng)脈血管組織)二次諧波成像的深度和對(duì)比度。目前多數(shù)的研究小組用近紅外反射光譜和相干光斷層成像(OCT)研究光透明劑對(duì)生物組織非線性光學(xué)成像的影響。光透明劑對(duì)生物組織背向二次諧波成像的影響這方面的研究剛剛起步，由于前向二次諧波成像技術(shù)難以應(yīng)用于對(duì)厚組織樣品的研究，因此背向二次諧波成像診斷技術(shù)對(duì)臨床醫(yī)學(xué)診斷更有實(shí)際意義。本論文著重討論光透明劑

6、對(duì)背向二次諧波成像的影響，為光透明機(jī)理的研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于推動(dòng)血管疾病基于激光診斷和治療的研究。 本論文共分為六部分對(duì)我們?cè)诠馔该鲃?duì)生物組織二次諧波成像的影響研究方面所取得的進(jìn)展進(jìn)行介紹。 在緒論中，首先簡(jiǎn)要介紹了本論文的研究意義和研究背景，然后概要地論述了光透明效應(yīng)的特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)并簡(jiǎn)要介紹了二次諧波成像，最后指出了本論文的研究重點(diǎn)。 在第一章中，首先簡(jiǎn)要介紹了SHG產(chǎn)生的基本原理，由于生物組織產(chǎn)生的二次

7、諧波最主要的轉(zhuǎn)換源自膠原，不同生物組織中的二次諧波信號(hào)強(qiáng)弱與組織中的膠原含量密切相關(guān)，因此簡(jiǎn)要討論了膠原產(chǎn)生的二次諧波強(qiáng)度與入射激光的關(guān)系；接著重點(diǎn)從飛秒激光系統(tǒng)、掃描顯微系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)三個(gè)方面介紹了多光子顯微成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)其主要部分的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行概括地介紹，與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)相比較，突出多光子激光掃描共聚焦顯微成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 在第二章中，本章著眼于論述光透明技術(shù)的作用機(jī)理，闡明了由于光透明劑具有很高的親水

8、性、滲透性，光透明劑能夠擴(kuò)散到生物組織內(nèi)促進(jìn)組織細(xì)胞脫水從而提高細(xì)胞內(nèi)外、細(xì)胞之間的折射率的匹配(從宏觀上講，提高了生物組織中的散射介質(zhì)與周圍成份之間的折射率匹配)最終降低生物組織對(duì)光的散射作用，達(dá)到光透明的效果；并簡(jiǎn)要地介紹選擇光透明劑的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)調(diào)光透明劑必須具有高滲透性和很高的親水性、必須能夠擴(kuò)散到生物組織內(nèi)促進(jìn)組織內(nèi)部各成分之間的折射率匹配、必須不會(huì)對(duì)樣品造成不可逆的損害等方面條件。 在第三章中，本實(shí)驗(yàn)利用多光子激光掃描共

9、聚焦顯微成像系統(tǒng)每加深5 μm逐層進(jìn)行掃描并獲得添加光透明劑前后兩組二次諧波成像的對(duì)比組圖。對(duì)比分析這兩組實(shí)驗(yàn)的二次諧波成像深度和同深度處的對(duì)比度，研究發(fā)現(xiàn)，成像深度從35μm提高到75μm，同深度處的成像對(duì)比度也有明顯的提高。從而得出了光透明劑能夠提高生物組織二次諧波成像深度和對(duì)比度。 在第四章中，在二次諧波成像過程中，使用系統(tǒng)自帶工具ROI(Region ofInterest)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(每一次成像的光強(qiáng)分布)。結(jié)合我們的

10、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用比爾-郎伯定律描述光強(qiáng)的衰減來分析光透明劑在成像深度方面的影響，并利用一個(gè)計(jì)算成像對(duì)比度的經(jīng)驗(yàn)公式來分析光透明劑在成像對(duì)比度方面的影響。數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的直觀結(jié)果相符合，為光透明效應(yīng)理論提供有力的支持。 在第五章中，全文總結(jié)，對(duì)本論文在光透明劑對(duì)生物組織二次諧波成像的影響方面的研究所取得的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。 相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表在激光生物學(xué)報(bào)，F(xiàn)rontiers of Optoelectronics inCh