前沿|短波红外结构光,实现人体水和脂肪的无标记、非接触、宽场量化成像

研究背景

近年来，近红外光学成像因其能够利用组织的光学吸收特征并探测组织成分而备受关注。例如，基于相关原理开发的血氧仪已在临床上广泛应用；空间频域成像（SFDI）、高光谱成像可以无标记、非接触方式测量组织中的血红蛋白；通过脉冲激光及介质耦合，光声成像（PA）可以在厘米深度探测血红蛋白。然而，由于水和脂肪在近红外（例如700-900nm）波段的吸收特征远弱于血红蛋白，上述方法难以对水和脂肪进行量化成像。另一方面，在短波红外波段（例如1000-2000nm），水和脂肪对光的吸收作用显著增强，因此有望通过短波红外吸收系数谱量化水和脂肪含量。值得注意的是，在目前的光学成像技术中，漫反射光谱成像（DOSI）可以测量组织中水和脂肪的含量，但空间分辨率较低，约为1厘米；光声成像（PA）也已被用来探测组织中的脂肪，但限于脂肪团块，难以对脂肪含量进行量化测量。

创新研究

针对以上技术难题，北京航空航天大学赵雁雨副教授和波士顿大学Darren Roblyer副教授课题组近日报道了他们在水和脂肪无标记、非接触量化成像方面的最新研究成果。他们通过短波红外结构光进行高光谱成像，利用水和脂肪在短波红外波长独特的光学吸收特性，针对光在生物组织中的传播建立计算模型，首次实现了在短波红外波段利用结构光对生物组织的光学吸收和散射系数进行测量，并以亚毫米分辨率实现了对组织中水和脂肪含量、分布的无标记、非接触、大视场量化成像，如图1所示。该研究成果于2020年10月23日以“Shortwave-infrared meso-patternedimaging enables label-free mapping of tissue water and lipid content”为题发表在Nature Communications。

图1. 高光谱短波红外结构光系统示意图

此项研究展示了多个科学和临床领域的潜在应用：
     
       1. 人体含有大约70%的水分，组织中的水含量和水肿、炎症反应等生理、疾病过程密切相关；皮肤衰老的过程也伴随着水分的减少。针对上述应用，该研究展示了对小动物模型水肿和炎症反应的实时、量化监测能力，包括对组织水分含量、空间分布的监测，如图2所示。

 图2. 水肿（a-c）和炎症反应（d-g）监测

2. 人体血液中脂肪的含量（血脂）与心血管疾病、肥胖症等密切相关。目前临床上血脂检查需采集静脉血进行测定，这一有创检测过程伴随痛感并存在感染风险，且检测速度较慢，难以对临床上血脂异常的早期干预和治疗提供实时反馈。该研究初步展示了对人体血脂的无创、非接触监测，如图3所示。

图3. 人体血脂的无创、非接触探测

3. 该研究还展示了对皮下白色脂肪和褐色脂肪的非接触分类判别、肿瘤内部脂肪的空间分布测量等应用。

应用与展望

除了上述临床相关的应用，该仪器及成像方法还可以应用到护肤品“锁水”功能评估等日常生活场景。可以预见，短波红外结构光成像技术将成为测量组织在短波红外波段光学特征的关键技术，为探索与水、脂肪相关的生理、疾病过程及其机理提供新的技术手段，同时为新的应用研究提供新的平台。

       本文第一作者为北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心医用光子学研究所副教授赵雁雨，通讯作者为波士顿大学副教授Darren Roblyer。该研究成果也得到了北航生物医学工程高精尖创新中心的启动经费支持。