分子成像的實(shí)現(xiàn)

1895年發(fā)現(xiàn)了X射線這種短波長(zhǎng)的高能電磁波，它對(duì)物體具有很強(qiáng)的貫穿力。利用這一特點(diǎn)，結(jié)合照相技術(shù)，科學(xué)家們研制成了醫(yī)療用X射線診斷儀。借助X射線對(duì)不同物質(zhì)的不同穿透力，使照相底片感受到不同強(qiáng)度的光，可以清楚地觀察人體內(nèi)部的器官以及骨骼，檢查內(nèi)外因和機(jī)體病變?cè)斐傻钠鞴傩螒B(tài)變化，為診斷疾病、外科手術(shù)和內(nèi)科理療提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。X射線機(jī)的問(wèn)世無(wú)疑是人類(lèi)醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑，它使人類(lèi)增添了觀察自己體內(nèi)的“眼睛”。但這種技術(shù)有一些缺點(diǎn)，一是只能觀察到骨骼和器官的表面而不能看到它們內(nèi)部的情況；二是這種技術(shù)能清楚地觀察到骨骼等硬組織的表面，而對(duì)體內(nèi)軟組織的表面的觀察不是很清楚。幾十年后，人們利用超聲波的特點(diǎn)發(fā)明了B超新技術(shù)，利用B超人們可以看到肉眼不能直接觀察的體內(nèi)軟組織表面的情況，彌補(bǔ)了X射線診斷儀的部分缺點(diǎn)。近年來(lái)，人們把計(jì)算機(jī)和數(shù)字模擬技術(shù)與X射線技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了現(xiàn)在被稱(chēng)為CT的成像技術(shù)。CT成像技術(shù)能觀察器官的剖面，使我們知道器官內(nèi)部的情況，另外，它對(duì)骨骼和其他各種器官的觀察都很清楚。但這種技術(shù)還不是十全十美，它不能很清楚地觀察到人體內(nèi)像血液等流體的情況。近年來(lái)，發(fā)展了核磁共振成像技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)血液等體內(nèi)的流體觀察得很清楚，使人們對(duì)人體內(nèi)部的了解和診斷達(dá)到了一個(gè)新水平。

不難發(fā)現(xiàn)，以上幾種技術(shù)具有一個(gè)共同特點(diǎn)，它們給醫(yī)生裝上了了解人體內(nèi)部的“人工眼”。利用這種人工眼，人們可以看見(jiàn)體內(nèi)器官與組織的情況。但這些技術(shù)對(duì)組成器官的分子的種類(lèi)及結(jié)構(gòu)卻一無(wú)所知，無(wú)法從分子結(jié)構(gòu)與組成的變化上考察病變的本質(zhì)。病變是由于生物分子的組織和結(jié)構(gòu)改變引起的，而病變的初期顯然開(kāi)始于很小的局部空間。如果能夠早期診斷病變的確切部位及其病變產(chǎn)生的分子基礎(chǔ)，醫(yī)生就會(huì)很早發(fā)現(xiàn)疾病和更有把握醫(yī)治疾病。因此，如果研制能觀察體內(nèi)器官分子情況的設(shè)備，那么這在醫(yī)學(xué)上將有巨大的意義。能否研制這樣的儀器呢？答案是肯定的。分子光譜成像儀也許不久就會(huì)成為這樣的醫(yī)學(xué)儀器。

光散射是自然界常見(jiàn)的現(xiàn)象，當(dāng)一束光照到介質(zhì)上時(shí)，大部分的光被介質(zhì)反射或透過(guò)介質(zhì)，但還有一部分光被介質(zhì)向四面八方散射而被稱(chēng)為散射光。大部分的散射光的波長(zhǎng)與入射光相同，這種與入射光波長(zhǎng)相同的散射光被稱(chēng)為瑞利散射，以紀(jì)念發(fā)現(xiàn)這種散射光的科學(xué)家瑞利。

1928年，印度科學(xué)家拉曼發(fā)現(xiàn)，有極小部分的散射光的波長(zhǎng)與入射光不同，這種波長(zhǎng)與入射光不同的散射光后來(lái)被稱(chēng)為拉曼散射光。眾所周知，分子由原子組成，分子中的原子核均在其平衡位置附近做周期運(yùn)動(dòng)。原子核間的相對(duì)距離在這種運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生周期變化，形成所謂的振動(dòng)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，拉曼散射光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度等與組成分子的原子之間的振動(dòng)有關(guān)，因而能用它來(lái)測(cè)量分子的結(jié)構(gòu)，并在不久之后研制成了拉曼光譜儀。用拉曼光譜儀測(cè)得的光譜就是可以用來(lái)進(jìn)行分子光譜成像的拉曼光譜。拉曼光譜通常比核磁共振的空間分辨率高得多，原則上司以在很小的范圍內(nèi)進(jìn)行立體掃描，得到物質(zhì)的化學(xué)分子的空間分布，即有關(guān)組織的分子圖像，這就是所謂分子光譜成像。它不僅能表征組織的形態(tài)，而且還可從分子水平提供許多病變信息。

為了實(shí)現(xiàn)分子光譜成像，還需要解決一系列技術(shù)難題。首先，要有能穿透組織的強(qiáng)光，而激光有可能完成此項(xiàng)任務(wù)。其次，由于只有很少一部分散射光是拉曼散射光，因此，需要高靈敏度的信號(hào)檢測(cè)器。當(dāng)前的CCD電荷耦合檢測(cè)器的開(kāi)發(fā)已看到了這方面的曙光。另外，還要求高精密的機(jī)械系統(tǒng)和穩(wěn)定的信息處理方法。當(dāng)然計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和操作控制也是重要的一環(huán)。

拉曼光譜成像在其他領(lǐng)域也會(huì)獲得廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在人們已可以利用普通拉曼光譜和拉曼顯微探針對(duì)復(fù)雜的材料進(jìn)行分子成像。最近國(guó)外報(bào)道了液晶可調(diào)濾波片成像光譜儀，使拉曼化學(xué)成像又前進(jìn)了一大步。用拉曼光譜成像和數(shù)字成像來(lái)估計(jì)復(fù)雜材料的化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)，以及不同分子在復(fù)雜物質(zhì)中，特別是物體表面或界面上的分布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。無(wú)疑，這對(duì)了解材料的分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。這類(lèi)成像的特點(diǎn)是對(duì)參考物質(zhì)不需要處理，也可以進(jìn)行原位測(cè)試。這給化學(xué)、礦物學(xué)、物理和其他技術(shù)帶來(lái)了極大方便。不過(guò)，目前這種儀器尚未商品化，工藝技術(shù)還需進(jìn)一步完善，造價(jià)也很高。但可以預(yù)言，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)用性的拉曼成像技術(shù)很快會(huì)走進(jìn)人類(lèi)的生活。