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光在生物组织中传输时，强度的衰减主要来自散射。当物体埋藏在高散射介质中时，光在介质中的多次散射而形成的背景噪声淹没了物体的轮廓信号，因而难以直接对其成像。时间分辨（time-resolved）方法已被证明能够实现对高散射介质中物体的成像。
时间分辨方法的出发点是根据不同光子在介质中传输时间上的差异，只选出最先到达介质出射面的弹道光子和蛇行光子，排除给成像带来噪声的漫射光子，从而实现对埋藏在高散射介质中的物体的成像。其依据是：从散射介质中出射的脉冲，只有弹道光子和蛇行光子与参考光脉冲具有相关性，利用互相关技术可选出这部分对成像有用的光子。入射光脉冲的脉宽构成时间选通的门，时间分辨率即为入射脉冲的时域宽度。
时间选通（time-gating）技术可以对埋藏在高散射介质中的物体进行反射成像和透射层析成像（OCT）。透射成像在一定程度上可以准确给出埋藏于散射介质中样品的轮廓图像，但无法探测样品在散射介质中的深度。对埋藏于散射介质中的样品采用反射式成像。通过记录参考光束零延时的变化，在对样品轮廓成像的同时也可探测样品在散射介质中的深度，真正实现了对样品的光学层析成像。人体组织属于高散射介质，利用这两种成像方法可以很好地对埋藏在正常组织中的癌变组织进行成像分析。
依据卡莎规则（Kasha's rule），绝大多数激发荧光源于振动松弛状态，当激发光源频率发生较小变化时，对激发荧光几乎没有影响；然而激发拉曼会产生与激发光源频移相对应的能量迁移。因此，当使用两个波长有较小频移差异（如5～10cm -1 ）的激发光光源时，激发荧光的轮廓几乎没有变化；而激发拉曼光谱会产生与连个激发光源对应的频移（如5～10cm -1 ）。将两次激发信号（激发荧光和激发拉曼的叠加）做差可以消除激发荧光，从而只是保留差分拉曼光谱。研究表明，该差分拉曼光谱为原始拉曼光谱的一阶导数，从而可以利用积分的方法从差分拉曼光谱提取出没有激发荧光影响的原始激发拉曼信号。利用该技术，不仅可以去除激发荧光背景对激发拉曼信号的影响，还可以消除随机和系统噪声。
调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。
基带信号是原始的电信号，一般是指基本的信号波形，在数字通信调制技术中则指相应的电脉冲。在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数（振幅、频率和相位），使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。未调制的高频电振荡称为载波（可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、脉冲序列等）。
传送1时后一码元相对于前一码元的载波相位变化180°，而传送0时前后码元之间的载波相位不发生变化。因此，解调时只看载波相位的相对变化。而不看它的绝对相位。只要相位发生180°跃变，就表示传输1。若相位无变化，则传输的是0。差分移相键控抗干扰能力强，且不要求传送参考相位，因此实现较简单。
近红外（NIR）拉曼光谱是一种生物分子特定的振动分析技术，可以提供样品成分的定量和定性信息。这个技术一直以来在分析科学领域如制药、法医取证、生物医学等得到广泛应用。随着拉曼光纤探针的设计技术体系的建立，近红外拉曼光谱可以实现体内多种器官组织的诊断（例如癌、膀胱癌、鼻咽喉、宫颈癌、肺癌、食管癌、胃癌等）。我们知道，组织病变是由于组织内部分子结构和组成发生改变而引起的，拉曼光谱可以对组织内部分子结构和化学组成进行准确分析，因此，拉曼光谱技术在疾病诊断方面具有巨大的应用潜力。然而，利用拉曼光纤探针实现疾病的诊断仍具有挑战性，这需要严格的实验对照和实验参数的检测，包括激光光源、发射波长、光纤耦合效率和测量重复性等。样品的拉曼光谱强度与激光功率成正比，光纤耦合效率系统还仍然使用最常见的光源来定量分析信号差异。因此，参考信号的引入是规范绝对拉曼光谱强度峰值的重要措施。基于单变量内部参考拉曼信号（即单峰）在光纤拉曼应用中已有报道。例如，Morris研究团队报道利用氟碳纤维或聚全氟乙丙烯共聚物的帽作为光纤拉曼探针激发纤维来产生拉曼信号从而实现组织拉曼光谱定量检测。自参考光纤拉曼探针与嵌入式光纤端或远端的钻石镜头研究了定量的分析和监测激光功率透明化学样品，虽然拉曼光纤探针插入其他参考材料或杂质产生明确的参考峰，但这些方法可能导致不良干扰组织的拉曼光谱特征。一个更直观的方法利用弹性散射激光（即瑞利光）作为内部参考，提出了简单透明的化学解决方案的定量分析。但对于光纤生物医学应用，直观的方法可能难以保持瑞光检测电荷耦合器件（ccd）相机的动态范围。
基于生物医学组织的拉曼光谱定量分析中用到的光纤还有一些更复杂的影响因素：①组织光谱包含重叠拉曼光谱和荧光信号有突出的差异可能掩盖内部参考信号。②引起的光纤探针的背景（即荧光和拉曼散射）可能与不同组织的光学特性（例如折射、吸收和散射）这会从组织样本集合纤维的弹性散射的激光强度的影响，从而导致不同的参考信号。③定量分析体内生物医学内镜由于纤维弯曲，更复杂的应用程序可以引起激光输送功率和效率的变化难以监测原位。这是特别关注的一些内镜筛查情况。④在临床的设置光纤耦合效率也可能有所不同。
为了解决上述问题，我们采取一种新的方法，利用球面透镜光纤的拉曼探针收集的信号来实时定量分析体内组织拉曼光谱，这些信号被多项式拟合的信号分析方法进行处理。评估多项式拟合技术的效用，加上球面透镜光纤拉曼探针是用于体内组织拉曼光谱测量在不同的785nm激光激发下的快速拉曼光谱系统。偏最小二乘法（PLS）回归是用于发现复杂组织的拉曼光谱特征拉曼信号，我们证明多项式拟合技术比单变量引用定量组织拉曼光谱的测量方法更加精确和稳健。
（黄志伟 王建峰 刘赟鹏）
［1］Matousek P，Towrie M，Stanley A，Parker W. Simple reconstruction algorithm for shifted excitation Raman difference spectroscopy. Appl Spectrosc，2005，59：848-851
［2］McCain ST，Willett RM，Brady DJ. Multi-excitation Raman spectroscopy technique for fluorescence rejection. Opt Express，2008，16：10975-10991
［3］Bell SEJ，Bourguignon SO，Dennis Andrew. Analysis of luminescent samples using subtracted shifted Raman spectroscopy. Analyst，1998，123：1729-1734