摘要：近几年来，除了在细胞水平获取相关的生物学信息外，越来越多的研究人员趋向于选择一个完整的生物系统作为研究对象，期望实现在组织层面，在体层面获取个体生物学行为的信息。而光学投影断层成像技术属于一种适用于0.5到10mm尺度的生物样本成像的新技术。特别适用于脊柱动物的胚胎重建以及处于生长发育阶段的器官的3维解剖学检查，具有空间分辨率高，扫描速度快，成本低等优势。
关键词：生物光学；荧光成像；光学投影断层成像
光学投影断层成像（Optical Projection Tomography,OPT）技术是一种新型的高分辨三维成像技术。该技术的出现恰恰填补了原有影像设备在1-10mm成像视野上的空缺，为生命科学研究提供了新的技术手段。作为现代影像技术的新兴技术，OPT具有诸多优点，尤其是其广泛的适用性，使得OPT技术备受科研人员青睐。
1.光学头影断层成像技术概论
光学投影断层成像技术原理来源于投影断层技术，投影断层技术已经演化成了多种用于观测不同尺寸生物的成像技术。光学投影断层成像技术通过光源发射可见光透射或者激发生物样本发光。这些能量束以接近直线的方式穿过样本，然后记录能量束的衰减分布或者是投影过程中激发的光子数来成像，然后通过背向投影算法重构出吸收率分布或者受激辐射分布，通过 Radon 变化来解决反转问题，最终通过重建软件得到生物样本的三维图像。
2.光学投影断层成像技术发展现状
光学投影断层成像技术最先是由Sharp教授在2002年提出的用于研究小鼠胚胎基因表达的一种类似X-rayCT的光学三维成像分析方法。光学投影断层成像技术在3D影像技术领域有着自己独特的优势,因为它可以同时提供形态学信息和生物组织的自体荧光信息，通过使用荧光抗体可以实现基因表达的三维可视化。借助透明匹配溶液BABB(苯甲醇:苯甲酸苄酯=1:2)的使用,再选用不同的大小样本和不同数值孔径的成像镜头，OPT成像的样本最大可以达到几个立方厘米,各向同性分辨率最高可以达到6.7微米，系统扫描完整个样本的投影数据所需时间最快可以5-10分钟,如此高的扫描速度，使得大样本高通量成像方式的研究成为了可能。此外，用于OPT成像系统的各个硬件组件一般都是现成的，易于安装。软件实现也不复杂。这样组建的独立小型的OPT系统在操作方面也很容易上手。快速、高分辨率、无辐射、分子特异性成像、操作方便、实现简单等特性，使得研究人员在从事小鼠离体胚胎以及其他离体器官的研究过程中将光学投影断层成像技术列入他们的选择范围。自光学投影断层成像技术实现以来，该技术已经被广泛应用于经过光学透明化处理过的样本成像上。具体的成像应用包括人类、老鼠、雏鸡、小型爬行动物等等。
3.光学投影断层成像系统
3.1 OPT 技术
OPT 技术的关键有两点，一是获取多角度高分辨率二维投影图像数据。从系统角度讲，首先就是要求我们即将设计实现的图像采集系统的旋转平移等机械运动作为最基本的功能必须稳定可控，其次要选用高分辨率的相机和低光损失的镜头来采集图像。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆只有这样才能保证我们采集到多角度二维投影图像数据的同时，又能保证该数据具有较高的分辨率和对比度。二是数据后处理。利用采集的多角度二维投影数据重建出三维图像是数据后处理的关键。滤波反投影算法是平行束图像重建领域中最基本而且应用广泛的三维重建算法。
3.2光传输模型
光在生物组织中传输的现有理论主要分为两类，一类是辐射传输理论，另一类是电磁理论。电磁理论即麦克斯韦电磁理论，是依托麦克斯韦方程，以光的波动特性为基础，综合考虑生物组织的统计特性提出来的。辐射传输理论是直接处理光能量在生物组织内的统计传输过程，忽略光的波动性和生物组织的内在结构。辐射传输理论认为，生物组织是包含大量散射和吸收元的抽象集合。也就是说，光能量在组织内传输时仅考虑光子的吸收与散射，吸收主要考虑组织对光子的吸收特性所引起的光能量加权衰减。散射主要是指光子散射前后的运动方向的变化。此外，辐射传输理论仅适用于准均匀介质光子传输。
3.3三维重建原理
OPT系统三维重建依赖的原始数据主要是多角度二维投影图像数据，多角度二维投影数据只有通过三维重建才能够使二维数据变为三维体数据。由于光源模型的区别，OPT技术作为可见光透射成像技术获取的三维投影数据与现时的大部分X-RayCT获取的投影数据略有差别，因此三维重建步骤也与CT重建步骤有所不同。在重建之前，必须先要由多角度的二维投影图像转换成的各断层的正弦图，再对单层进行FBP重建，OPT的三维体数据正是由多个二维断层重建结果叠加而成。通常我们取投影图像数量为360张，对应360个角度的二维投影数据，分辨率为2048×2048，其转换过程是把360个投影图中同一层的像素数据进行转置并按照1～360重新排列，写入新矩阵。滤波反投影算法的前提是假设投影数据是理想的平行投影数据，经过亮场矫正和暗场矫正的OPT二维投影数据才最接近理想的平行投影数据，所以矫正后的数据才是我们最终可以用来作三维重建的数据。
3.4 OPT系统总体设计
为了使实际光传输模型最大程度的接近理想传输模型，必须对实际模型进行简化，表现在系统设计上，首先要光路一致，其次入射光的均匀度与平行度要足够好，这一点由光源模块保证；表现在成像样本的处理方法上，降低散射效应和折射效应、增加透明度是保证光穿过样本组织前后光路不发生太大改变、避免因样本自身非均匀而导致入射光子大量损失最主要的方法，样本透明匹配处理方法就是本着此目的设计并实现的。具体的样本处理流程会在第四章本系统的应用研究里做详细的论述。有了系统设计与样本处理两个方面的保证使得OPT成像过程的光传输模型接近理想模型，在此理想模型基础上，我们才能直接应用FBP三维重建算法完成多角度二维投影数据进行三维体数据的重建工作。根据FBP原理，我们需要OPT系统完成的工作就是以转停模式采集多角度成像样本的二维投影图像。
参考文献：
[1]李凌澄. 大景深光学投影断层成像技术研究[D].西安电子科技大学,2014.
[2]李颖超,刘昂,李贵叶,刘丽娜,胡学娟,陈玲玲.光学投影断层成像技术及其研究进展[J].中国激光,2018,45(03):127-135.
[3]潘哲朗. 微小生物体的数字全息显微层析成像技术研究[D].暨南大学,2016.
[4]李凌澄. 大景深光学投影断层成像技术研究[D].西安电子科技大学,2014.
论文作者:张卓学
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/30
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