Медицинская оптическая визуализация — это использование света в качестве метода исследовательской визуализации в медицинских целях, впервые предложенное 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 происходят в рентгеновских лучах , микроволнах и радиоволнах .
Системы оптической визуализации можно разделить на системы диффузионной [1] [2] и баллистической визуализации [3] . Модель миграции фотонов в мутных биологических средах была разработана Боннером и др. [2] Такая модель может быть применена для интерпретации данных, полученных с помощью лазерных допплеровских мониторов кровотока, а также для разработки протоколов терапевтического возбуждения тканевых хромофоров.
Диффузная оптическая визуализация ( DOI ) — это метод визуализации с использованием спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) [4] или методов, основанных на флуоресценции. [5] При использовании для создания объемных 3D-моделей отображаемого материала DOI называется диффузной оптической томографией , тогда как методы 2D-визуализации классифицируются как диффузная оптическая топография .
Этот метод имеет множество применений в нейробиологии, спортивной медицине, мониторинге ран и обнаружении рака. Обычно методы DOI отслеживают изменения концентрации оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина и могут дополнительно измерять окислительно-восстановительные состояния цитохромов. Этот метод также может называться диффузной оптической томографией (DOT), оптической томографией ближнего инфракрасного диапазона (NIROT) или флуоресцентной диффузной оптической томографией (FDOT), в зависимости от использования.
В нейробиологии функциональные измерения, проводимые с использованием длин волн ближнего ИК-диапазона, методы DOI можно классифицировать как функциональную спектроскопию ближнего инфракрасного диапазона (fNIRS).
Баллистические фотоны — это световые фотоны , которые перемещаются через рассеивающую ( мутную ) среду по прямой линии. Также известен как баллистический свет . Если лазерные импульсы посылаются через мутную среду, например, туман или ткани тела , большинство фотонов либо беспорядочно рассеиваются, либо поглощаются. Однако на небольших расстояниях несколько фотонов проходят через рассеивающую среду по прямым линиям. Эти когерентные фотоны называются баллистическими фотонами. Фотоны, которые слегка рассеиваются, сохраняя некоторую степень когерентности , называются фотонами -змеями .
В случае эффективного обнаружения баллистические фотоны найдут множество применений, особенно в системах когерентной медицинской визуализации высокого разрешения . Баллистические сканеры (с использованием сверхбыстрых временных ворот) и оптическая когерентная томография (ОКТ) (с использованием принципа интерферометрии ) — это лишь две популярные системы визуализации, которые полагаются на обнаружение баллистических фотонов для создания изображений , ограниченных дифракцией . Преимущества перед другими существующими методами визуализации (например, ультразвуковой и магнитно-резонансной томографией ) заключаются в том, что баллистическая визуализация может достигать более высокого разрешения порядка 1–10 микрометров, однако она имеет ограниченную глубину визуализации. Кроме того, часто измеряются более рассеянные «квазибаллистические» фотоны, чтобы увеличить «силу» сигнала (т. е. отношение сигнал/шум ).
Из-за экспоненциального уменьшения (по отношению к расстоянию) баллистических фотонов в рассеивающей среде к необработанным захваченным баллистическим изображениям часто применяются методы обработки изображений для восстановления изображений высокого качества. Методы баллистической визуализации направлены на отклонение небаллистических фотонов и сохранение баллистических фотонов, несущих полезную информацию. Для выполнения этой задачи используются специфические характеристики баллистических фотонов по сравнению с небаллистическими фотонами, такие как время пролета посредством когерентно-стротированной визуализации, коллимация, распространение волнового фронта и поляризация. [6]