量子成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進展
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【摘要】量子成像是是利用輻射場的量子漲落來獲取物體信息的一種非局域成像方法。本文介紹了量子成像的一般概念，包括其理論基礎(chǔ)、實驗裝置和發(fā)展歷史。基于它在空間分辨率、抗干擾能力和圖像采集時間等方面的獨特優(yōu)勢，本文介紹了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，主要應(yīng)用有：鬼磁共振血管造影技術(shù)，量子成像可以在更大的并行加速因子條件下，近乎完美地對背景噪聲進行抑制；量子光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)，量子成像在處理群速度色散和圖像分辨率方面有著絕對優(yōu)勢；X射線量子成像，可以在保持圖像質(zhì)量的前提下降低輻射劑量。此外，若在單像素成像實驗中考慮介質(zhì)的多重散射，量子成像則可以實現(xiàn)對生物組織的單像素透射成像。
【關(guān)鍵詞】量子成像；單像素成像；鬼磁共振血管造影；量子光學(xué)相干斷層掃描；綜述
前言
生命科學(xué)的發(fā)展離不開各種成像設(shè)備和手段，圖像分析從手工繪制到靜態(tài)照片，再到如今的計算機（半）自動測量。今天的成像技術(shù)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，需要可視化、多維度、定量和動態(tài)的圖像分析。隨著理論的發(fā)展和技術(shù)的進步，量子成像自20世紀(jì)90年代登上了歷史舞臺，伴隨著其成像的高分辨率、非局域性和抗干擾性強等天然優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)、保密通信、軍事和氣象等領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用前景。
1量子成像
1.1概念和歷史
量子成像，又稱鬼成像（GhostImaging）或關(guān)聯(lián)成像（CorrelatedImaging），是利用輻射場的量子漲落來獲取物體信息的一種非局域成像方法。典型的量子成像方式為糾纏光源符合成像，基本過程如圖1所示。首先用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的方法制備糾纏光源，即當(dāng)泵浦激光通過非線性晶體時，由于隨機的真空漲落，一個泵浦光會以很小的概率劈裂為一對糾纏雙光子，此過程滿足能量、動量守恒，因此兩光子具有時間、偏振、頻率、自旋糾纏等特性。下轉(zhuǎn)換光子經(jīng)分束器PBS后分成兩路，分別稱為信號光和閑置光。待成像物體置于信號光一路，用一個無空間分辨能力的桶探測器接收；閑置光一路無待測物體，信息由可探測空間光場分布的空間探測器接收。因此，無論是信號光還是閑置光，任何一路的單獨測量都無法成像，但兩路的符合關(guān)聯(lián)計數(shù)卻能恢復(fù)物體的像。量子成像的實現(xiàn)歸功于1956年Brown等［1］利用二階光強干涉的方法測量雙星角半徑的實驗，而在此之前，光的干涉都是基于相干光源的一階干涉實驗。在Brown等的實驗中，干涉不再要求必須是相干光源，因此產(chǎn)生干涉的兩束光的光程差幾乎不影響測量結(jié)果，大大提高了實驗的抗干擾性。1994年，Ribeiro等［2］利用糾纏光子對首次觀測到非相干光源下的楊氏雙縫干涉現(xiàn)象；Shih等［3］和Pittman等［4］觀測到滿足高斯成像公式的量子幾何成像；隨后，Strekalov等［5］實現(xiàn)了量子干涉和量子衍射實驗；1999年，F(xiàn)onseca等［6］觀測到雙縫的亞波長干涉現(xiàn)象，即干涉條紋間距為同波長相干光干涉條紋間距的一半，可見量子成像可以實現(xiàn)超越衍射極限的超分辨成像。以上實驗都是基于糾纏光源實現(xiàn)的，那么“糾纏”是量子成像的必要條件嗎？答案是否定的。自2002年起，隨著贗熱光源關(guān)聯(lián)成像［7］、真實光源關(guān)聯(lián)成像［8］、非相干熱光場無透鏡關(guān)聯(lián)成像［9］和亞波長干涉［10］相繼實現(xiàn)，經(jīng)典熱光場的關(guān)聯(lián)成像也得以證實。人們發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像不僅可以用基于糾纏光子的量子理論來解釋，同時也可以用基于統(tǒng)計光學(xué)的經(jīng)典理論來解釋。
1.2單像素成像
除了基于糾纏光子對的符合計數(shù)成像和基于熱光場的強度關(guān)聯(lián)成像之外，另一個與量子成像密不可分的概念是單像素成像，又稱計算關(guān)聯(lián)成像。2008年，Shapiro［11］從理論上證實了量子成像中閑置光一路的信息可以通過對光場的計算得出，因此并不是量子成像所必須的，該理論的可行性隨后得以證實［12］。計算關(guān)聯(lián)成像中光源可由激光照射空間光調(diào)制器產(chǎn)生強度漲落光場，這一過程由計算機控制，因此閑置光一路的光強、相位等理論測量值已知，實驗中無需包含空間探測器的閑置光一路，只需一個無空間分辨能力的桶探測器即可成像。將桶探測器收集到的光強信號和空間光調(diào)制器的理論數(shù)據(jù)進行符合關(guān)聯(lián)運算，即可得到最終的像。單像素成像方法由于少了一路閑置光，較普通量子關(guān)聯(lián)成像方法而言，實驗光路更簡單，因此實用性和可操作性更強。
1.3量子成像的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)成像方式相比，量子關(guān)聯(lián)成像凸顯出了明顯的優(yōu)勢：（1）成像分辨率高。經(jīng)典成像受限于瑞利衍射極限，而亞波長干涉現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著量子成像可以實現(xiàn)超越衍射極限的超分辨成像。對于N個糾纏光源的系統(tǒng)，Boto等［13］于1999年證實了其在理論上可將成像分辨率提高N倍。（2）非局域成像，抗干擾能力強。首先，量子成像中“物的探測”與“像的重建”是分開進行的，并且可以用非空間探測器（桶探測器或單像素探測器）獲取物體的空間信息。其次，量子成像可以實現(xiàn)非相干光源的相干成像，因此成像結(jié)果不受光路擾動影響，在一定程度上可以消除大氣湍流和散射介質(zhì)對成像的干擾，提高成像的抗干擾能力。（3）采樣少，速度快，成像效率高。量子成像中的光場可以看作是服從高斯分布的隨機噪聲，利用壓縮感知理論［14-16］，可以實現(xiàn)在采樣數(shù)遠低于奈奎斯特采樣極限的情況下，以很高的概率進行圖像的恢復(fù)，從而大大減少測量次數(shù)，提高成像速度，而無需像傳統(tǒng)的成像方式那樣對待測物體進行逐點全像素采樣。
2量子成像的醫(yī)學(xué)應(yīng)用
2.1鬼磁共振血管造影
傳統(tǒng)的磁共振血管造影是一種成熟的技術(shù)，可以精確地描繪多個區(qū)域的血管形態(tài)。為了降低背景信號，增加圖像對比度和分辨率，我們通常采用加速并行處理技術(shù)，然而，若標(biāo)準(zhǔn)相控陣線圈的并行加速因子過大，則會引入嚴重的圖像噪聲。鬼磁共振血管造影是一種全新的血管成像方法，它可以用于非對比和對比度增強的血管造影技術(shù)。即使在更大的并行加速因子條件下，也可以近乎完美地對背景噪聲進行抑制。三維數(shù)據(jù)集的偶數(shù)kz行用強化前的數(shù)據(jù)填充，奇數(shù)行用強化后的數(shù)據(jù)。沿kz方向的信號調(diào)制產(chǎn)生了一個對比度增強的血管的鬼像，這個像可以用最大強度投影來處理，并在三維空間中旋轉(zhuǎn)，就像傳統(tǒng)的磁共振血管造影一樣。Edelman等［17］對6名健康受試者分兩組進行掃描，成像區(qū)域從腎動脈穿過大腿上部，一組用傳統(tǒng)磁共振血管造影，另一組用鬼磁共振血管造影。磁共振血管造影在血管醒目性和背景抑制性上都優(yōu)于傳統(tǒng)磁共振血管造影，并且可以提高掃描速度，支持更大的并行加速因子。
2.2量子光學(xué)相干斷層掃描
近年來，許多非傳統(tǒng)的量子光源已成為人們關(guān)注的焦點，但很少有實際應(yīng)用出現(xiàn)，其中一個應(yīng)用是量子光學(xué)相干斷層掃描［18-19］，這是一個四階干涉光學(xué)切片技術(shù)，利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生頻率糾纏的光子對。量子光學(xué)相干斷層掃描的一個典型優(yōu)點是它天生不受群速度色散的影響［18］，而傳統(tǒng)的光學(xué)相干斷層掃描是一種二階干涉測量方案，會造成群速度色散，從而降低成像的分辨率。在光學(xué)相干斷層掃描的背景下，量子光學(xué)相干斷層掃描在處理群速度色散和圖像分辨率方面有著絕對優(yōu)勢。Nasr等［20］實現(xiàn)了量子光學(xué)相干斷層掃描的第一個實驗生物樣本：一個涂有金納米顆粒的洋蔥表皮組織，將三維圖像以不同深度的二維橫截面和不同橫向位置的二維軸向剖面展示出來。量子光學(xué)相干斷層掃描在提高源光子通量、增強空間分辨率、縮短圖像采集時間方面有著明顯的優(yōu)勢，未來有望成為一種可行的生物成像技術(shù)。
2.3X射線量子成像
最近，X射線成功實現(xiàn)了量子成像，開啟了X射線鬼斷層攝影的可能性。單像素相機方案的成功，結(jié)合壓縮感知方法，可以實現(xiàn)從更少的測量中產(chǎn)生圖像，這無疑為X射線量子光學(xué)相干斷層掃描提供了重要思路?？梢钥隙ǖ氖牵琗射線鬼成像可以減少輻射劑量。因為一般來說，圖像質(zhì)量與總流量成正比，但高能光子（如X射線）會對生物有機體造成輻射損傷，因此如何降低輻射劑量，同時保持圖像質(zhì)量是一個根本問題。Zhang等［21］利用桌面X射線源，用預(yù)錄的一系列散斑場作為參考光信號，另一路放置待測物體，由桶探測器接收后進行計算關(guān)聯(lián)成像。通過這種方法，可以成功地在超低X射線照度下，甚至在準(zhǔn)單光子水平下，獲得高質(zhì)量的X射線鬼成像圖像。與傳統(tǒng)的X射線成像相比，同一輻射劑量可以獲得較高的對比噪聲比，因此這項新技術(shù)可以大大減少對生物標(biāo)本的輻射損傷。在此之前，所有已發(fā)表的X射線鬼成像的重建都是一維的，因此探討二維和三維的X射線鬼成像是非常有醫(yī)學(xué)意義的。Kingston等［22］結(jié)合鬼成像和傳統(tǒng)斷層攝影技術(shù)，對X射線鬼斷層掃描技術(shù)給出了一些建議，提供間接和直接兩種方法來進行X射線量子光學(xué)相干斷層掃描：（1）過濾后投影，通過重建二維鬼投影來獲得三維圖像；（2）同步迭代重建技術(shù)，直接從X射線的鬼斷層掃描成像數(shù)據(jù)到三維重建。目前還不清楚哪種方法會在該領(lǐng)域的未來發(fā)展中更有效。不過在未來，基于機器學(xué)習(xí)和人工智能的改進方法會逐漸成為X射線鬼成像的重要組成部分。
2.4用單像素探測進行生物組織的透射成像
長期以來，科學(xué)家們一直關(guān)注的一個挑戰(zhàn)是，如何清楚地看到被渾濁介質(zhì)隱藏的物體，如生物組織，這對疾病的早期診斷有著重要的意義。光學(xué)方法是一個很好的候選者，具有非侵入性和快速成像的優(yōu)勢，并且不像電離輻射那樣會造成健康風(fēng)險。然而，與超聲波或X射線相比，光學(xué)測量最大的問題是進入組織的穿透深度較淺。一般的解決方案是模擬漫射光子的隨機傳播成像技術(shù)，如多譜光聲斷層攝影，或者混合熒光分子斷層攝影，此技術(shù)可以達到更深的穿透深度（在組織中超過1cm），但缺點是分辨率較低。Duran等［23］利用壓縮感知理論對生物組織進行單像素成像，提供了一種能在散射介質(zhì)中成像的新技術(shù)。在此之前，單像素成像實驗都是考慮沒有散射的照明傳輸，而在生物醫(yī)學(xué)中，通過散射介質(zhì)進行圖像傳輸是至關(guān)重要的。因此需要展示一個完全嵌入在非齊次介質(zhì)中的吸收物體的單像素成像。作為初步的實驗，Duran等［23］為一個被若干全息擴散器隱藏的物體進行單像素成像，可見單像素成像的效果在全波段都優(yōu)于傳統(tǒng)成像。為了進一步測試在生物組織中的成像，隨后擴散器被兩個3mm厚的雞胸肉所取代。對于這樣的組織厚度，多重散射是最終成像結(jié)果的主要影響因素。擊中目標(biāo)的光線由兩個疊加的部分組成：一個強大的漫射暈加上一個帶有弱信號的圖像。由圖可見，雖然單像素成像的分辨率仍然優(yōu)于傳統(tǒng)成像方法，但是對于不同波長的光，單像素相機的效果呈現(xiàn)出了差異性。
3總結(jié)與展望
量子成像可以利用非空間探測器（桶探測器或單像素探測器）獲取物體的空間信息。與傳統(tǒng)成像手段相比，即使在高度散射的介質(zhì)中，也可以獲得超過瑞利衍射極限的高分辨圖像。同時，量子成像可以實現(xiàn)非相干光源的相干成像，成像的抗干擾能力強。利用壓縮感知理論，可以在低采樣率的情況下很好地還原圖像?；谝陨蟽?yōu)點，量子成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景是值得期待的。另一方面，量子成像是一門新興的交叉學(xué)科，從誕生發(fā)展至今還未滿30年，在生物醫(yī)學(xué)成像方面的理論研究尚未完善，應(yīng)用研究更是剛剛起步。我們初步討論了量子成像技術(shù)在鬼磁共振血管造影、量子光學(xué)相干斷層掃描、X射線量子成像以及可見光波段的生物組織透射成像方面應(yīng)用的可行性及其前沿進展，雖然仍然有很多問題等待解決，但是現(xiàn)有的理論和實驗結(jié)果已表明，量子成像技術(shù)必將在未來的生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域大放異彩。
作者：歐陽君 任麗麗 單位：蚌埠醫(yī)學(xué)院公共基礎(chǔ)學(xué)院數(shù)理教研室
