活體成像技術(shù)作為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究的重要手段，為科學(xué)家們提供了一種無創(chuàng)、實(shí)時(shí)地觀察活體生物體內(nèi)生理和病理過程的方法。其中，近紅外光譜成像（Near-infrared Spectroscopy Imaging, NIRSI）因其獨(dú)特的優(yōu)勢，在活體成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文將詳細(xì)探討近紅外光譜成像在活體成像中的應(yīng)用及其原理、優(yōu)勢和發(fā)展前景。

一、活體成像技術(shù)概述

活體成像技術(shù)是指在不對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物造成傷害的前提下，應(yīng)用影像學(xué)方法，利用一套非常靈敏的光學(xué)檢測儀器對活體狀態(tài)下的生物過程進(jìn)行細(xì)胞和分子水平的定性和定量研究的技術(shù)。通過這項(xiàng)技術(shù)，可以非侵入式、直觀地觀測活體動(dòng)物體內(nèi)腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移、疾病的發(fā)展過程、基因的表達(dá)變化等生物學(xué)過程。目前，活體成像技術(shù)主要采用生物發(fā)光（Bioluminescence）與熒光（Fluorescence）兩種技術(shù)。

二、近紅外光譜成像的原理

近紅外光譜成像技術(shù)利用近紅外光（波長約在700至1700納米之間）在生物組織中的傳播特性進(jìn)行成像。近紅外光在穿透皮膚、脂肪和骨骼等生物組織時(shí)，散射和吸收現(xiàn)象均較少，因此相對于可見光而言，其“折損率”更低，能夠更深地穿透生物組織。此外，在近紅外區(qū)域，來自生物體內(nèi)各種色素的自發(fā)熒光也大大降低，這有助于提高成像的信噪比和對比度。

近紅外光譜成像系統(tǒng)通常包括一個(gè)光源（發(fā)射器）和一組探測器。光源發(fā)射特定波長的近紅外光，這些光穿透生物組織后，與組織中的成分（如血紅蛋白、水等）相互作用，部分光被吸收，部分光被散射回并被探測器捕捉。通過分析不同波長光的傳播時(shí)間和吸收情況，可以推斷出組織中的成分分布及其濃度變化。

三、近紅外光譜成像在活體成像中的應(yīng)用

腦功能成像

近紅外光譜成像技術(shù)在腦功能成像方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。由于近紅外光能夠穿透顱骨，實(shí)現(xiàn)對大腦皮層的無創(chuàng)成像，因此被廣泛應(yīng)用于腦科學(xué)研究。例如，功能近紅外光譜成像技術(shù)（functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS）可以通過測量大腦皮層對近紅外光的吸收變化，來反映大腦活動(dòng)時(shí)的血氧水平變化。這種變化與大腦神經(jīng)活動(dòng)密切相關(guān)，因此可以用于研究大腦的認(rèn)知功能、情感反應(yīng)等。

fNIRS系統(tǒng)通常包括多個(gè)光源和探測器，按照一定的布局放置在受試者頭顱表面。光源發(fā)射近紅外光，探測器接收穿透腦組織后散射回來的光。通過分析不同通道的光信號變化，可以重建出大腦皮層的功能活動(dòng)圖像。fNIRS技術(shù)具有便攜性、非侵入性、對運(yùn)動(dòng)偽跡不敏感等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于嬰幼兒、老年人等特殊人群以及自然情境下的腦功能研究。

腫瘤檢測與成像

近紅外光譜成像技術(shù)在腫瘤檢測與成像方面也表現(xiàn)出色。由于腫瘤組織與正常組織在光吸收特性上存在差異，近紅外光譜成像可以實(shí)現(xiàn)對腫瘤組織的無創(chuàng)檢測。例如，一些研究利用近紅外熒光探針標(biāo)記腫瘤細(xì)胞，然后通過近紅外光譜成像系統(tǒng)觀察探針在體內(nèi)的分布情況，從而實(shí)現(xiàn)對腫瘤組織的定位和成像。

此外，近紅外二區(qū)（NIR-II，波長約在1000至1700納米之間）熒光成像技術(shù)因其更深的組織穿透深度和更高的信噪比，在腫瘤成像方面表現(xiàn)出更大的潛力。通過開發(fā)具有高亮度和良好生物相容性的NIR-II熒光探針，可以實(shí)現(xiàn)對深部腫瘤組織的高分辨率成像，為腫瘤的早期診斷和治療提供有力支持。

心血管系統(tǒng)成像

近紅外光譜成像技術(shù)還可以用于心血管系統(tǒng)的成像研究。例如，通過靜脈注射近紅外熒光探針，可以實(shí)現(xiàn)對血管系統(tǒng)的無創(chuàng)成像。這種成像方法不僅可以觀察血管的分布和形態(tài)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測血流速度和血流量等生理參數(shù)。這對于研究心血管疾病的發(fā)生機(jī)制、評估治療效果等具有重要意義。

四、近紅外光譜成像的優(yōu)勢

非侵入性

近紅外光譜成像技術(shù)是一種無創(chuàng)成像方法，不會(huì)對實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或受試者造成任何傷害。這使得該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，特別是對于那些無法進(jìn)行有創(chuàng)成像的研究對象（如嬰幼兒、老年人等）。

高信噪比和對比度

由于近紅外光在生物組織中的散射和吸收較少，且生物組織的自發(fā)熒光較低，因此近紅外光譜成像具有較高的信噪比和對比度。這有助于實(shí)現(xiàn)對生物組織內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)的清晰成像。

較深的組織穿透深度

相對于可見光成像技術(shù)而言，近紅外光譜成像具有更深的組織穿透深度。這使得該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對深部組織結(jié)構(gòu)的成像研究，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更廣闊的空間。

五、近紅外光譜成像面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景

盡管近紅外光譜成像技術(shù)在活體成像領(lǐng)域表現(xiàn)出色，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何進(jìn)一步提高成像的分辨率和靈敏度、如何開發(fā)具有更好生物相容性的熒光探針等。這些問題的解決將有助于推動(dòng)近紅外光譜成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，近紅外光譜成像技術(shù)有望在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。例如，在疾病診斷方面，近紅外光譜成像技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對疾病的早期、無創(chuàng)、精準(zhǔn)診斷；在藥物研發(fā)方面，該技術(shù)可以用于評估藥物在體內(nèi)的分布和代謝情況；在手術(shù)導(dǎo)航方面，近紅外光譜成像技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)的手術(shù)指導(dǎo)信息，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。

活體成像技術(shù)作為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究的重要手段，為科學(xué)家們提供了一種無創(chuàng)、實(shí)時(shí)地觀察活體生物體內(nèi)生理和病理過程的方法。其中，近紅外光譜成像技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢，在活體成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展，近紅外光譜成像技術(shù)有望在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為人類的健康事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。