Введение
Медицинская оптическая визуализация – это использование света в качестве метода исследовательской визуализации в медицинских целях, впервые разработанного американским физико-химиком Бриттоном Ченсом. Примеры включают оптическую микроскопию, спектроскопию, эндоскопию, сканирующую лазерную офтальмоскопию, лазерную допплеровскую визуализацию и оптическую когерентную томографию. Поскольку свет является электромагнитной волной, аналогичные явления наблюдаются в рентгеновском излучении, микроволновом и радиоизлучении. Системы оптической визуализации можно разделить на диффузионные и баллистические системы. Модель миграции фотонов в мутных биологических тканях была разработана Боннером и соавторами, или используются методы, основанные на флуоресценции. При использовании для создания трехмерных объемных моделей исследуемого материала, метод DOI называют диффузной оптической томографией, а двухмерные методы изображения классифицируются как диффузная оптическая топография. Эта техника находит широкое применение в нейробиологии, спортивной медицине, мониторинге заживления ран и обнаружении рака. Как правило, методы DOI отслеживают изменения концентрации оксигемоглобина и дезоксигемоглобина и могут дополнительно измерять окислительно-восстановительное состояние цитохромов. Эта техника также может называться диффузной оптической томографией (DOT), ближней инфракрасной оптической томографией (NIROT) или флуоресцентной диффузной оптической томографией (FDOT) в зависимости от области применения. В нейробиологии функциональные измерения, выполненные с использованием ближних инфракрасных длин волн (NIR), с помощью методов DOI могут быть классифицированы как функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS).
Баллистическая оптическая визуализация
Баллистические фотоны – это световые фотоны, распространяющиеся по прямой линии сквозь рассеивающую (мутную) среду. Также известны как баллистический свет. При направлении лазерных импульсов через мутную среду, такую как туман или ткани тела, большинство фотонов либо рассеиваются случайным образом, либо поглощаются. Однако на небольших расстояниях некоторые фотоны проходят сквозь рассеивающую среду по прямой. Эти когерентные фотоны именуются баллистическими фотонами. Фотоны, претерпевшие незначительное рассеяние, но сохранившие некоторую степень когерентности, называются змеиными фотонами. При эффективном детектировании баллистические фотоны находят широкое применение, особенно в когерентных системах медицинской визуализации высокого разрешения. Баллистические сканеры (с использованием сверхбыстрых временных интервалов) и оптическая когерентная томография (ОКТ) (основанная на принципе интерферометрии) – лишь два популярных примера систем визуализации, использующих детектирование баллистических фотонов для создания изображений, ограниченных дифракцией. Преимущество баллистической визуализации перед другими существующими методами (например, ультразвуковой и магнитно-резонансной визуализацией) заключается в возможности достижения более высокого разрешения – порядка 1–10 микрометров, однако она имеет ограниченную глубину визуализации. Кроме того, для увеличения «силы» сигнала (то есть отношения сигнала к шуму) часто измеряются и более рассеянные «квазибаллистические» фотоны. Ввиду экспоненциального уменьшения (в зависимости от расстояния) количества баллистических фотонов в рассеивающей среде, к полученным баллистическим изображениям часто применяются методы обработки изображений для восстановления изображений высокого качества. Методы баллистической визуализации направлены на отбраковку небаллистических фотонов и сохранение баллистических фотонов, несущих полезную информацию. Для решения этой задачи используются специфические характеристики баллистических фотонов в отличие от небаллистических, такие как время пролета, определяемое когерентной визуализацией, коллимация, распространение волнового фронта и поляризация.