生物組織的光學(xué)特性

生物組織的光學(xué)特性

1組織光學(xué)特性參數(shù)的常見定義和描述生物組織由不同大小和成分的細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)組成。在光學(xué)上，它通常被稱為渾濁介質(zhì)。作為電磁波的光波在組織中的傳播,在不考慮吸收的情況下,理論上應(yīng)該可以由Maxwell方程組及組織體的電磁性質(zhì)加上邊界條件來唯一確定,即在所給定的條件下求解Maxwell方程組,其中必然出現(xiàn)一般光學(xué)中所有的光學(xué)現(xiàn)象,如衍射、反射和偏振等純粹的物理光學(xué)現(xiàn)象。但是,由于組織的組成和結(jié)構(gòu),以及組織體的電磁性質(zhì)或它的折射率的復(fù)雜性,使得我們無法獲得麥?zhǔn)戏匠痰慕馕鼋?因而通常采用擴(kuò)散傳輸理論(diffusetransporttheory)來解釋光在組織中的行為,它認(rèn)為光的傳播是由在組織內(nèi)部被吸收或彈性散射的單個(gè)光子的傳輸造成的。它只考慮其粒子性,忽略光的波動(dòng)性、偏振效應(yīng)等。這種理論被廣泛用于組織光學(xué)的數(shù)學(xué)模擬、理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究中。此時(shí)光子的傳播行為就用組織的光學(xué)特性參數(shù)來描述,這些特性參數(shù)定量地描述了組織的光學(xué)效應(yīng),如用吸收系數(shù)和散射系數(shù)來描述組織體對(duì)入射光的吸收和散射能力的大小,用有效透射深度表示光在組織中的穿透能力等。這些組織光學(xué)特性參數(shù)是激光診斷、激光治療、光劑量學(xué)等理論和臨床實(shí)踐的基礎(chǔ),必須予以正確的定義和描述。下面我們將對(duì)幾個(gè)常見的組織光學(xué)特性參數(shù)加以詳盡的討論。值得注意的是,國內(nèi)外文獻(xiàn)中所使用的光學(xué)特性參數(shù)的符號(hào)并不完全一致,比如吸收系數(shù)和散射系數(shù)就有Σa、Σs和μa、μs等,本文將統(tǒng)一采用后一種國外最常用的符號(hào)。2組織的光學(xué)特性參數(shù)和描述2.1組織中的水的吸收光在組織中的吸收是由于血紅蛋白及肌紅蛋白的原紅血素、膽紅素、線粒體中呼吸色素、黑色素、以及光動(dòng)力治療期間所加入的光敏染料等發(fā)色團(tuán)所引起的。在通常所稱為“治療窗口中”(即波長(zhǎng)為600～1300nm)內(nèi),光吸收相對(duì)較低而散射相對(duì)較強(qiáng),因而有較強(qiáng)的散射光從組織中滲透出來成為可被探測(cè)到的光。此刻,對(duì)大多數(shù)軟組織來說,其吸收最小。波長(zhǎng)小于600nm的可見光,光的吸收會(huì)由于血紅蛋白、黑色素以及其它色素的影響而升高;在紫外波段,又會(huì)由于蛋白質(zhì)、核酸的強(qiáng)吸收而升高;在紅外段,組織中的水吸收又很高。光的吸收可用吸收系數(shù)＿a來表示,它表示單位路徑dz內(nèi)光子因吸收而損失的光能量dhs的比率,即:它代表每單位長(zhǎng)度光子被吸收的概率,或者吸收事件發(fā)生的頻率。吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化而明顯變化,它受血的含量、氧化狀態(tài)以及其它色素的含量的影響很大。如圖1表示的是氧化及脫氧細(xì)胞酵素的吸收光譜。從中可以看出氧化狀態(tài)與脫氧狀態(tài)的吸收光特性存在很大的區(qū)別。在治療窗口內(nèi)(600～1300nm),大多數(shù)生物組織的吸收系數(shù)在0.01～1mm-1的范圍內(nèi)。2.2dhs的c-s檢測(cè)光的散射可以用散射系數(shù)＿s來表示,同吸收系數(shù)一樣,它表示散射事件發(fā)生的頻率,或者單位路徑dz內(nèi)光子因散射而損失的光能量dhz的比率,即:散射是由于在顯微水平上組織折射率不均勻造成的。如包圍每個(gè)細(xì)胞以及某個(gè)細(xì)胞內(nèi)部的水樣類脂膜界面、細(xì)胞間質(zhì)中的膠樣原纖維等都具有不同的折射率。＿s的典型值是10～100mm-1。對(duì)人的胸部組織,若λ=500nm時(shí),＿s=30～90mm-1;若λ=1100nm時(shí),＿s=10～30mm-1。脂肪組織的散射系數(shù)基本上保持不變。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析當(dāng)散射事件發(fā)生時(shí),光子的軌跡會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ,θ是發(fā)生單次散射后光子的偏轉(zhuǎn)角,這種偏轉(zhuǎn)是隨機(jī)的,它可以用散射角度分布函數(shù)(相函數(shù))p(θ)來表示,代表散射事件發(fā)生時(shí)光子偏轉(zhuǎn)角的概率分布,實(shí)驗(yàn)表明,它與格林函數(shù)相似,即:P(θ)=1?g22g[11?g?1(1+g2?2gcosθ)1/2](3)Ρ(θ)=1-g22g[11-g-1(1+g2-2gcosθ)1/2](3)其中g(shù)就稱為散射各向異性因子,它等于散射角余弦的平均值:g=〈cosθ〉0≤θ≤π(4)在“治療窗口”內(nèi),對(duì)大多數(shù)組織而言,g的值通常在0.8～0.95之間,也就是說,偏轉(zhuǎn)角在(cos37°=0.8,cos18°=0.95)之間。若g=1、0、-1時(shí),則它分別對(duì)應(yīng)于完全前向散射、各向同性散射和完全后向散射三種特殊情況。(1)總衰減系數(shù)t即總衰減系數(shù)為吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和,它表征光在組織中衰減的概率指數(shù)。(2)紅光和近紅外光穿透較厚的組織它表示光子在吸收和散射發(fā)生之前所走過的距離,它的值在10～100μm之間。紅光和近紅外光能夠穿透較厚的組織是因?yàn)?在“治療窗口”內(nèi),大多數(shù)光子發(fā)生的是散射事件而不是吸收事件,而且大多數(shù)散射事件是前向散射,所以雖然發(fā)生了多次散射,光子仍然能夠穿透一定厚度的組織透射出來。(3)a的漫射率a的值通常在0.99～0.999之間,它表征組織對(duì)入射光產(chǎn)生漫射的能力。(4)分散吸收比n在600～1300nm波段范圍內(nèi),N值的范圍一般在100～1000之間。(5)同質(zhì)性散射系數(shù)＿s′又稱傳輸修正散射系數(shù),或等效各向同性散射系數(shù)。在各向異性散射的混濁介質(zhì)中,＿s′常常只有＿s的1/5～1/100。相應(yīng)地,散射吸收比變?yōu)?(6)平均傳輸距離mfp(7)收下降、w下降在600～700mm范圍內(nèi),由于血紅蛋白的吸收下降,W快速上升;波長(zhǎng)大于700nm之后,W緩慢上升或基本上是一個(gè)常數(shù),只是在960nm附近由于存在一個(gè)水的吸收峰,W有一個(gè)小的下降峰。(8)擴(kuò)散系數(shù)d毫米D是從宏觀上反映生物組織漫射特性的一個(gè)基本的特性參數(shù),單位為m或cm。2.4組織中的合成血壓因子的測(cè)量對(duì)組織來說,光子的吸收和散射事件的發(fā)生決定了光在組織中的空間分布情況,但是在邊界處(空氣-組織和組織-空氣),組織折射率的影響最為顯著。當(dāng)一束光照射到組織上時(shí),由于二者折射率的不同,一方面在空氣-組織界面將引起組織的鏡式反射,另一方面在組織-空氣界面處它又將產(chǎn)生內(nèi)反射,這兩者對(duì)組織漫射光的測(cè)量產(chǎn)生極大的影響。Anderson等人就不同折射率的組織在邊界處的反射和內(nèi)反射作了細(xì)致的討論。FrankBolin等人將裸光纖插入組織內(nèi)部,把組織作為光纖包層,按照光纖產(chǎn)生全反射的條件,用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了組織的折射率,并且得到了與其它文獻(xiàn)相一致的結(jié)果。謝樹森等人采用全內(nèi)反射的方法也得到了幾種組織的折射率。另外,大多數(shù)研究者認(rèn)為,由于組織中含水量達(dá)到80%甚至更高,所以軟體組織的折射率可以根據(jù)其含水量的大小來計(jì)算。他們的研究表明,折射率n在1.37～1.41之間(水是1.33),但是折射率受組織中水的含量的影響較大。有些研究者認(rèn)為,n值可近似表示為n=1.53-0.2W,其中W是組織中水的含量與組織總重量的比值。若W=80%,則n≈1.37,這樣得到的結(jié)果與FrankBolin等人是一致的,脂肪組織是一個(gè)例外,其折射率n≈1.45。圖2是Bolin得到的人體、狗、豬等動(dòng)物幾種組織的折射率分布情況。3光學(xué)特性參數(shù)的確定組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、散射異性因子、透射深度、組織的折射率等光學(xué)特性參數(shù),是我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)學(xué)模擬(如MonteCarlo模擬、多層模型等)時(shí)求解傳輸理論和擴(kuò)散理論方程的前提,也是許多研究者所想通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果。數(shù)學(xué)模擬是通過對(duì)實(shí)際的組織樣本進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,結(jié)合以上所舉出的光學(xué)特性參數(shù),按照Boltzman傳輸方程在一定條件下求近似解來得到組織中光分布的理論形狀?？梢哉f,正是這些特性參數(shù)構(gòu)建了整個(gè)組織光學(xué)的大廈。對(duì)組織光學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定主要是通過對(duì)組織的漫反射率和透射光譜的研究來得到的。但是,由于生物