組織光學

光輻射生物組織後，光子的傳播過程涉及組織體內的散射與吸收，以及邊界的反射與投射。圖1-1給出了垂直入射的一束光進入組織體後的傳播示意圖。

從圖中可看出：

1) 光進入組織後，很多光子的傳輸方向在不斷改變，這是因為散射造成的；

2) 但總的看來，光子“向前”的幾率大於“向後”的幾率；

3) 當光子遇到吸收團之後，則會被其吸收。同一吸收團可吸收來自不同位置、經歷了不同路徑、不同散射次數的光子（如吸收團A1）；但有些吸收團（如A3）可能從未吸收到光子；

4) 光遇到邊界時，如在組織－空氣界面，光子可能被全內反射而從組織邊界發射回來，也可能穿過邊界而離開組織。

生物組織中的吸收團在吸收光子後，會將光能轉換成其它形式的能，如熱能、機械能、化學能等。從而引起一系列的生物學效應，如熱效應、機械效應、光化學反應等，這些都是光治療的基礎。生物組織中的吸收團在吸收光子後，也會引起光子的再發射，再發射光子頻率、及發射光強度的改變將能提供生物分子的結構信息，這對生物組織的光學診斷是至關重要的。因此，準確獲取光在生物組織的傳輸與分佈即是光子醫學診斷與治療的基礎。

未與生物組織進行能量交換的光子，其頻率保持不變。這些光子在空間上的分佈也與組織結構與功能密切相關。準確獲取光在組織中的傳輸與分佈，還需要建立能描述組織結構的空間及分佈、吸收特性、折射率的模型。

因此，描述光在生物組織中傳輸常結合兩種理論：經典的電磁理論常被用於描述光傳輸的動力學問題（如關於散射截面的計算）；而光子的概念常常在描述諸如吸收、光子發射與拉曼散射等分子躍遷過程。

在可見及近紅外波段，光在組織中的多重散射很顯著。所以直接應用電磁理論來解釋組織光學問題異常複雜的。因此，在研究光在生物組織的傳輸與分佈時，是從光的粒子性出發，即利用輻射傳輸理論來描述光在組織中的吸收與散射，它忽視光波的偏振和干涉現象，只追蹤介質中光能量的傳輸。其實輻射傳輸理論隱含了光的經典理論和量子理論。該理論並不僅僅應用於光在生物組織中的傳輸，在其他重要場合比如中子傳輸和熱力學都有用到。

輻射傳輸理論中，是從光的粒子性入手，根據光子在傳輸過程中的產生和消失機制，即光子與物質的相互作用後，並結合光的粒子性和能量（粒子數）守衡定律，建立起來的一般情況下的非線性輻射傳輸方程。把光的傳輸看成是一羣分散的光子流在介質中的吸收與散射過程，且認為散射不改變能量，雖然熒光或拉曼頻移時發生時會使得能量發生變化。光與組織的相互作用用吸收截面、彈性散射截面、及反映散射分佈的相函數決定。

輻射傳輸理論是一個經驗模型，與描述多重散射的電磁理論相反，它缺乏嚴格的物理基礎，它也不涉及光的干涉與衍射，認為各粒子的輻射是各自獨立的，其重點考察的是光的能量，而忽略了光的波動性，如波的幅度和相位。

即便如此，組織光學中輻射傳輸理論得以快速發展，並廣泛應用於生物醫學領域。當然，其在解釋單個粒子尺度遠大於波長的米氏散射的相函數還存在問題，散射粒子的尺寸與細胞直徑相近時，米氏相位函數與軟組織的實驗數據相吻合。但這並不意味着組織可以簡單看作是羣細胞的累加，因為細胞器與組織間液並不都是光學透明，因此，有着不同的散射參數。因此，輻射傳輸理論的適用性還有等進一步證實。

儘管輻射傳輸理論的物理基礎並不嚴格，但其在研究光在生物組織中的傳輸規律時能與實驗結果很好地吻合，當然，其在類似於肌肉這樣一類特定結構的組織，吻合得並不是很好，這可能是肌纖維的排列使用權得光的干涉效果過於明顯，而不能看作是一種隨機的散射。

此外，輻射傳輸方程應用於生物組織時，並不能得到精確解。在輻射傳輸理論的其它應用中，可以將問題分為在三個情況：低散射介質（散射粒子所佔體積分比小於10），中等散射介質，高散射介質（散射粒子所佔體積分比小於10）。對於低散射介質，多重散射理論的第一級就可以給出了在任意位置的光子能流密度，此時，可以忽略來自其它粒子的散射。這種情形通常不僅適用於生物組織，但可以用於稀釋的血紅細胞液等。

生物組織可看到是高散射介質，此時，可以將輻射傳輸方程用擴散近似理論來簡化。此時，可以利用解析方法也獲得擴散近似的解，也可以採用其它數值計算方法，這可以用於激光與生物組織相互作用；擴散理論的有效性僅限於高散射情形，且依賴於散射中心的平均距離、光學反照度以及光源-組織-探測器的幾何形狀等。當然這已包含了光子醫學應用的可見光到近紅外波長區域。

對於傳輸理論無法解決的情況下，最有效的還是蒙特卡羅方法模擬光子傳輸。把光子與粒子的相互作用看成是隨機的吸收與散射過程，跟蹤單個光子的運動軌跡，模擬有限多個光子來得到其統計分佈。擴散方法方程能夠解決空間角度的分析問題，及許多其它技術中。蒙特卡羅模擬就是一種非常靈活的方法，它能夠處理任何光源、任何探測器、任意邊界、以及具有任何光學特性的生物組織。

嚴格説來，中等散射介質最難處理。許多空間事件，光通過層狀組織時是用前向與後向光子流來描述。這種近似包括Kebelka-Munk模型，在早期組織光學研究中得以廣泛應用，特別適用皮膚組織，但有兩方面限制：一方面，衰減係數沒有嚴格的物理解釋，其值取決於對邊界條件的設定；另一方面，該模型的有效性範圍也沒有劃定，且不適用於多數的生物組織。但它在粒子尺寸遠小於或遠大於波長兩種極端情況可能有效，前一種情形對應於各異同性的散射，可以直接推出擴散理論；後一種情形則對應於前向散射，它可以由輻射傳輸方程來得到精確的解析解。所以Kebelka-Munk模型在生物醫學中的應用受到限制。

所有這些研究光傳輸的方法在實際的情況中得以成功應用。波動現象可以解釋為在局部光場分佈。至於以未來的組織光學研究中是否會需要用於電磁理論還有待觀察，但輻射傳輸理論在組織光學中的作用暫時不可取代。

測量組織光學特性參數的方法很多，從不同的角度看，對測量方法的分類是不同的。

從生物組織本身所處的狀態來考慮，可分為在體測量與離體測量。生物組織光學特性參數的在體測量可以直接應用於疾病的光譜學診斷及治療過的在體監測。相比之下，離體測量最大的優點在於它能夠分別考慮組織（如皮膚是由真皮和表皮組織成的）的層狀結構，同時還可以對組織的某些成份（如血液等）進行測量。

而反演算法的角度來看，組織光學特性參數的測量方法通常分為直接測量和間接測量。直接測量技術獲取光學特性參數，不需要用到複雜的傳輸理論，它通過非散射的透射測量、有效衰減測量、以及對單次散射相函數而言的光的角分佈的測量來實現。間接測量技術又分為迭代與非迭代的方法，在獲取光學特性參數時需要涉及到複雜的光子傳輸模型。對非迭代方法來説，光學特性參數與測量值間的關係是顯性的，Kubelka-Munk和三通量模型都屬於間接的非迭代方法；對迭代法來説，測量值與光學特性參數的關係是隱含的，一般是先假定光學特性參數，以此來計算反射與透射量，然後將其與測量值相比較，直到滿足一定精度，即通過多次迭代的方法來獲取光學特性參數。下面加以分述。

直接測量技術獲取光學特性參數，僅用到了Beer定律，可通過非散射的透射、光通量的衰減測量直接獲取組織的光學特性參數，即總的衰減係數m_t及有效衰減係數m_eff 。圖8.1給出了這種測量方法的原理圖。

總的衰減係數m_t可通過非散射的透射測量來得到，如圖8.1(a)所示。但要求樣品必須非常薄，以避免光通過樣品時可能出現的多次散射；實驗結果受光束的幾何形狀、樣品特性、實驗方案及邊界上多次散射的影響也較大。這種測量方法從概念上看很簡單，但實現起來卻很困難，其問題在於很難把軸向的散射光從非散射光中分離出來。

有效衰減係數或有效穿透深度是通過組織間隙通量密度的測量得到的，如圖8.1(b)所示。這種方法非常簡單、應用的也較為普遍。它是將光纖探測器置入被輻照樣品的光擴散區域來實現的，但受光纖直徑的影響較大，同時光纖的位置、光纖相對於入射光束的方向及數值孔徑都會引起測量誤差。如果採用多束光纖，從各個方向進行探測，將可以提高測量精度，但這對被測對象來説卻是異常痛苦的。

這種技術涉及到一些較為簡單的數學模型，如Kubelka-Munk理論及擴散理論，它們建立了組織光學特性參數與透射、反射的測量值間的關係。

在擴散輻射的情況下，根據漫反射與漫透射的測量值，利用Kubelka-Munk理論，便可得到Kubelka-Munk吸收係數與散射係數（A_KM，S_KM），如圖8.2(a)所示。進一步在獲取準直透射的基礎上，便可得到全部的光學特性參數，即m_a、m_s與g，如圖8.2(b)所示。

由於Kubelka-Munk理論的測量方法只適用於擴散光源，而完全的擴散光源並不存在，測量的準確性因此而受到影響，特別是對高散射的生物組織而言，誤差更大。但此法能很快地獲取光學特性參數，所以在用Monte-Carlo方法計算光學特性參數時，常用它來選取模擬所需的初值。

與非迭代技術不同，迭代方法是在測量的基礎上，通過迭代程序獲取輻射傳輸方程的解，如Adding-Doubling方法及Monte-Carlo方法等。在測量總的反射和透射光強後，就能得到吸收係數m_a和約化散射係數m¢_s =m_s(1-g)，如果同時測量得到了準直的透射光強或相函數，便可獲取全部光學特性參數，如圖8.3所示。

迭代方法通常能對非匹配的邊界及多層介質的情況加以修正，這些方法常需要對厚度均勻的樣品進行兩個或三個量的測量，便能得兩個或三個光學特性參數。

從應用的角度來看，人們總是希望得到針對活體情況下相關人體組織對不同波長的光學特性參數值。換言之，組織光學的第二個任務的終極目標是發展合適的方法，實時、在體獲得活體組織的光學特性參數，以反映組織對光的吸收與散射。遺憾的是，組織光學目前還沒有完全解決這一問題。這是因為生物組織的複雜性決定的，如何準確探測組織光學參數，這一工作還遠沒有結束。即使是離體組織光學特性參數也並不全知，在體的組織光學特性參數更難獲得。正因為如此，有關生物組織光學特性參數的測量方法與技術仍在不斷改進，將逐步完善。

1. 朱丹，《組織光學》，自編講義，華中科技大學， 2008

2. 謝樹森，李暉，陸祖康，組織光學概要，物理，27（10）， 1999

3. Vo-Dinh Tuan：Biomedical Photonics Handbook, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2003

4. Welch A. J., Van Gement M. J. C. Optical-thermal response of laser-irradiated tissue, Plenum press, New York and London, 1995.

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