纖維狀結(jié)構(gòu)是生物組織的一種基本結(jié)構(gòu)形式。疾病的發(fā)生和演化常常伴隨著纖維狀結(jié)構(gòu)空間取向的相應(yīng)變化。對(duì)生物組織內(nèi)纖維狀結(jié)構(gòu)空間取向的定量表征方法和主要應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單綜述,著重介紹了空間取向信息在幾種重要疾病模型中的研究進(jìn)展,包括傷口愈合、骨關(guān)節(jié)炎、乳腺癌、腹膜癌擴(kuò)散、腦損傷等,并在特定的人工組織模型中探究了組織結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。對(duì)生物組織纖維狀結(jié)構(gòu)的高靈敏、高精度描述,為研究疾病的發(fā)生和演化提供了新思路和手段,有望實(shí)現(xiàn)特定疾病的早期診斷和病理機(jī)制的深入理解。最后,對(duì)該方法的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)激光. 2020,47(02)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

纖維狀結(jié)構(gòu)空間取向的定義。(a)纖維的二維取向用單一的方位角θ描述;

雖然獲取纖維狀結(jié)構(gòu)的空間三維圖像已成為可能,但當(dāng)前國(guó)際上對(duì)它的表征仍以二維分析方法為主。這里介紹幾種比較有代表性的二維取向定量表征手段。Bancelin等[15]采用二次諧波成像方法獲得了人體子宮頸活檢樣本切片的膠原纖維圖像,如圖2(a)所示。二次諧波成像是一種非線性成像技術(shù),信號(hào)來(lái)源于成像對(duì)象本身,無(wú)需外源性標(biāo)記,可避免光化學(xué)毒性及染色過(guò)程中的物理?yè)p傷。當(dāng)成像對(duì)象具有非中心對(duì)稱性,且成像過(guò)程滿足相位匹配條件時(shí),可產(chǎn)生二次諧波信號(hào),其頻率為入射光頻率的二倍。其中,膠原纖維是生物組織中的一種內(nèi)源性的、具有顯著二次諧波信號(hào)的介質(zhì)。進(jìn)而,該小組采用形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算獲得了膠原纖維的取向信息,開(kāi)運(yùn)算的算子如圖2(b)插圖中的柱形所示,它可在二維平面中連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)纖維取向與算子方向相同時(shí),纖維圖像可獲得最大的強(qiáng)度增強(qiáng)。這種方式可獲得膠原纖維圖像中每一個(gè)像元的空間取向,如圖2(c)所示。算子越長(zhǎng),角度的計(jì)算精度越高,但此時(shí)對(duì)纖維曲率的分辨本領(lǐng)越低,因此算子長(zhǎng)度的確定需要權(quán)衡這兩項(xiàng)指標(biāo)。傅里葉變換是一種常用的二維取向計(jì)算方法。Sivaguru等[16]同樣采用二次諧波成像方法獲得了馬肌腱的膠原纖維圖像,如圖2(d)所示�；趫D像的傅里葉變換譜的取向[圖2(e)],獲得了圖像整體或某一個(gè)局域的纖維空間取向。特別地,基于這種局域性的取向,獲得了相應(yīng)圖像的二維取向分布情況[圖2(f)],用以直觀地展示纖維的方向特征。例如,在本例中,二維取向分布的峰值在140°附近[圖2(f)],與膠原纖維圖像的定性特征相符[圖2(d)]。這種方法的計(jì)算速度受限于所選局域的窗口尺寸。窗口尺寸越小,對(duì)圖像的劃分越細(xì)致,因而對(duì)取向的描述越精確,但計(jì)算耗時(shí)也會(huì)相應(yīng)增加。同時(shí),傅里葉變換往往要求分析對(duì)象為正方形,這在一定程度上對(duì)成像提出了更高的要求。除了上述兩種方法外,另一種二維取向的代表性算法被稱為“權(quán)重矢量求和法”[17]。對(duì)于纖維強(qiáng)度圖像中的任一像元,權(quán)重矢量求和法擬定以該像元為中心的計(jì)算窗口,則窗口內(nèi)中心像元與其他任何像元之間都構(gòu)成一個(gè)矢量,如圖2(g)所示。對(duì)這些矢量賦予兩項(xiàng)權(quán)重因子:一是矢量長(zhǎng)度的倒數(shù),二是沿矢量方向強(qiáng)度漲落的程度,如圖2(h)所示。最終,通過(guò)對(duì)所有賦予權(quán)重后的矢量進(jìn)行加和,就可得到該中心像元的取向,如圖2(i)所示,它與纖維的方向性吻合得很好。采用這一方法可獲得圖像中任一像元的空間取向,該方法的計(jì)算效率優(yōu)于傅里葉變換方法。

為了克服二維方法的局限性,近年來(lái)一些三維空間取向的計(jì)算方法被陸續(xù)報(bào)道,并在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。Lau等[18]在之前基于傅里葉變換的二維取向算法上進(jìn)一步推廣,獲得了三維空間取向信息。簡(jiǎn)言之,該方法將采用二次諧波方法獲得的豬肌腱纖維的三維圖像分成若干個(gè)小區(qū)域,如圖3(a)、(b)所示,對(duì)每一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行三維傅里葉變換,獲得相應(yīng)的傅里葉變換譜;然后,將變換譜的空間方向與預(yù)先設(shè)定的三維空間取向數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),并將滿足最大似然條件的方向定義為該區(qū)域內(nèi)纖維的三維空間取向,如圖3(c)所示;根據(jù)每個(gè)局域內(nèi)的三維取向(包括方位角θ和極角φ),可獲得它們各自的分布圖,如圖3(d)、(e)所示。參考圖1(b)中θ與φ的定義,φ越接近90°,表明這些膠原纖維越平行于光學(xué)成像面,如圖3(d)所示。而峰值在140°附近的θ角的分布[圖3(e)]也與圖3(a)中展現(xiàn)出的纖維的整體分布特征相符。與傅里葉變換二維取向算法相似,該方法需要在局域的空間尺寸(該尺寸決定了三維取向的計(jì)算精度)與計(jì)算效率之間作出權(quán)衡。Liu等[19-20]對(duì)之前的二維權(quán)重矢量求和法進(jìn)行了推廣,并獲取了纖維的三維空間取向信息。其中,方位角θ的計(jì)算可直接沿用之前的算法,而計(jì)算的難點(diǎn)在于極角φ。本課題組采用的解決方案是基于角度的轉(zhuǎn)化:對(duì)于計(jì)算空間中與θ對(duì)稱的另外兩個(gè)方位角β與γ,采用角度關(guān)系式 tan 2 φ= 1 tan 2 β + 1 tan 2 γ 來(lái)表征極角φ,如圖3(f)～(j)所示。這一方法可以獲得三維空間中每一個(gè)像元的三維空間取向,且計(jì)算速度比三維傅里葉變換方法提高了近一倍�；谌S空間取向,Liu等進(jìn)一步提出了三維方向方差這一指標(biāo)[圖3(k)],用以表征纖維狀結(jié)構(gòu)的三維空間有序度,是二維方向方差在三維空間中的延伸。該指標(biāo)的取值為0～1。越接近于0,表明纖維狀結(jié)構(gòu)越接近于完美的平行分布;越接近于1,表明纖維的空間取向越雜亂。三維方向方差可以在不同的窗口尺寸下展開(kāi)分析。窗口尺寸可基于研究的具體目標(biāo)進(jìn)行選擇,一般而言,小窗口反映的是纖維個(gè)體之間的局域性關(guān)聯(lián),而大窗口(甚至是三維圖像整體)則反映了大量纖維空間取向的一致性程度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]雙光子熒光壽命成像在腫瘤診斷研究中的應(yīng)用[J]. 李慧,夏先園,陳廷愛(ài),余佳,李曦,鄭煒.  中國(guó)激光. 2018(02)
[2]多光子顯微技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用[J]. 林宏心,左寧,卓雙木,陳建新.  中國(guó)激光. 2018(02)



本文編號(hào)：3233091