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1生物組織光學特性的描述

激光在生物組織中的傳輸規律由其光學特性決定。描述組織光學特性的參數有吸收系數μa、散射系數μs、散射各向異性因子g和折射率noμa和μs(單位為mm-1分別表示組織中光子路徑長度增量dz內吸收和散射所導致的輻射能量損失速率,表述為dΦ/dz。對于近紅外光,生物組織為典型的混沌介質。組織中的吸收源于自然生色團如血紅蛋白、肌紅蛋白中的血紅素和膽紅素,線粒體呼吸鏈中的細胞色素、黑色素,以及光動力治療中所引入的外源性生色團如光敏染料等。組織對光子的散射源于折射率的不連續性。在600～1300nm波段,軟組織(如腦、肺、肝、皮膚)的典型光學參數為μa=0.01～1mm-1,μs=10～100mm-1。μt=μs+μa表示總作用系數。平均自由程(meanfreepath)mfp=1/μt,為每次散射或吸收事件發生前光子歷經的平均距離,一般為10～100μm,盡管其平均自由程較小,但在組織中的注入還是比較深的,其原因一是所發生的相互作用大部分為散射事件而不是吸收,二是散射的高度前向特性,因此光子盡管經歷了多次散射,仍能繼續在組織中深入。散射作用可以用散射角分布S(θ)來表征,其中θ為單次散射事件發生后光子的偏折角。在大多數情況下,對S(θ)的詳細描述并不重要,通常用各向異性因子g=<cosθ>來代替,它表示散射角的平均余弦值。在600～1300nm波段,大多數生物組織的典型g值為0.8～0.95[1～3]。除在光通量空間分布變化很大的、靠近邊界和源的區域外,一般來說散射各向異性的細節并不重要,因而μs和g可簡化成單一的傳輸散射系數μ′s=(μs(1-g)。激光在組織中的注入也可由有效衰減系數μeff(mm-1)或其倒數即有效注入深度(mm)來表述。基于傳輸理論有δ=1/μeff=1/3μs[μa+μs(1-g)](1)混沌介質內光的空間分布既依賴于介質的光學特性和結構[4],又與輻照光束的入射角度和光束直徑有關。大直徑光束垂直入射到半無限的介質樣品時,在遠離邊界處,光通量沿中心軸向注入深度呈指數衰減。在入射表面下深度z(z>δ)處,Φ(z)=Φ0k•exp(-z/δ)(2)其中Φ0為輻照度(W/cm2),k是無量綱系數,大小取決于后向散射,注入深度δ表示通量減小1/e時光子傳播的深度值。

2測量方法及理論依據

我們可將介質光學特性參數的測量方法分為直接和間接兩類。非散射的透射測量[1]、有效衰減測量[5]以及單次散射相函數的角測量(Goniopho-tometric)[6]等為直接測量方法。在直接測量中,對總作用系數μt的測量依據LambertBeer定律,即μt=-1tlnTC(3)其中TC表示非散射透過率(unscatteredtrans-mission),t為樣品厚度。其測量結果與光束幾何形狀、樣品特性、探測方案和邊界的多次反射等因素有關。這種測量方法實現起來較困難。因為存在分離軸向散射光和非散射光的問題。利用填隙式探測器測量輻射通量的變化率可獲得有效散射系數(μeff)或有效注入深度(δeff=1/μeff)。這種方法較常見。但光纖探測器必須定位在被輻照樣品的光漫射區域內,并遠離光源和邊界。在間接測量方法中,其理論模型源于光散射理論。間接測量又可進一步分為迭代(IterativeIndirectMethods)和非迭代(NoniterativeIndi-rectMethods)兩類。在非迭代方法中,要求光學參數與被測量量間簡單的對應關系,即光學參數與被測量量之間的函數關系是顯含的。KubelkaMunk模型就是一種非迭代的間接測量方法[7]。根據KubelkaMunk理論有,Skm=2Rdt•x•ln[2-[(1+R2d-T2d)-x]2Td]Akm=[(Rd-1)2-T2d]2RdSkm(4)X=[(Rd+1)2-T2d][(Rd-1)2-T2d]由漫反射率Rd、漫透射率Td和樣品厚度t的測量結果可計算KubelkaMunk吸收系數Akm和散射系數Skm。再結合LambertBeer定律,可進一步求取傳輸系數μa、μs和g。介質光學參數的非迭代間接測量方法還有諸如脈沖光熱輻射測量(PPTR)、光聲測量等。間接迭代法中光學參數與被測量量間的函數關系是隱含的[8]。只有在計算的反射和透射值與被測量值匹配時,才能迭代求出光學參數。這類方法使用起來很麻煩,但所依據的理論模型比非迭代法完善,而且是非破壞性的。與非迭代法不同,迭代間接測量法中可使用傳輸方程的復雜解。如漫射理論、MonteCarlo模擬等。一般來說,只要測量到總反射率Rt和透射率Tt,就能求出μa和μs(1-g)[13]。進而由測量到的非散射透射率或相函數確定μa、μs和g的值。綜上所述,介質光學特性測量方法與入射光、樣品和模型的關系可概括如表1所示。

3測量誤差的來源

雖然介質內光通量的空間分布主要由吸收和散射決定,但介質折射率n在非匹配邊界如空氣—介質界面附近起著很重要的作用。在反射測量中存在如下兩種表面效應:①表面折射率的不匹配使得外部入射光束的鏡面反射率Rsp增加。非偏振光入射到平滑表面時,Rsp=(1-n)2/(1+n)2,當n=1.38時,Rsp為0.025。鏡面反射的這部分光子沒有被介質內部“調制”。因此這部分光子可提供關于表面粗糙度和介質折射率的信息,但不能反映介質內部吸收和散射的信息。②介質內存在很重要的光子內反射傳輸,并以某一傾角逸出介質—空氣邊界。內反射通常要反射大約50%的光子,并逸出介質表面,因而減少了介質中可測量漫反射光子的逸出[9],傾斜反射的光子更易停留在介質表面附近,故對次表面的通量變化有很大貢獻。文獻[10]討論了生物組織折射率對內反射的影響。表面粗糙度對內反射的影響可參見[11]。在650nm波長處測量到的軟組織折射率范圍為1.38～1.41(水的折射率為1.33),脂肪的折射率為1.45。從上一節有關測量方法的討論中可看出,影響光學特性參數測量誤差的因素包括:1)被測介質樣品所處的環境條件,對生物組織即為其生理條件;如水合程度,一致性,外形的易變性,冰凍—非冰凍狀態,在體—離體,固定—不固定,樣品切片的表面光滑程度等;2)輻照光束的幾何形狀;3)邊界折射率匹配—不匹配;4)填隙式探測光纖相對于光源光纖的方位;5)傳感光纖的數值孔徑;6)光探測器的角度分辨率;7)前向散射光與非散射光的分離;8)理論模型。在比較不同報道所測量的光學參數時需要重點考察這些因子。目前,不同介質光學特性的研究已有大量報道,但其結果大都是依據輻射傳輸理論并進行各種近似后獲得的。由于在①模型假設(例如散射的各向同性或異性、邊界的匹配與否),②測量技術,③實驗裝置,④定標方法和⑤介質不均勻性等方面存在很大差別,我們在選用光學特性參數時,必須先對其實驗方法和模型的準確性進行考察。

4醫學應用

混沌介質的再發射光譜(漫透射與漫反射光譜)不僅與介質吸收特性有關,而且與介質的光散射因子有密切關系,不同介質具有不同的光學特性。因此,介質光學特性的測量方法可用于確定介質的特征和結構,這實際上就是生物組織光譜診斷測量技術的基礎。例如,在“治療窗口”600—1300nm波段,隨生物組織類型不同,(2)式中的k值為2—4,δ為1—5mm。光通量降到Φ0/e時的深度為δ[1+ln(k)][4]。實驗研究表明[3],g與波長無關,μs隨波長的增加略有減小,吸收系數μa呈現很強的光譜特征。在可見光區,吸收與血液容量及含氧狀態、其它色素的含量等有關。在600～700nm,注入深度增加很快,因為血紅蛋白的吸收減小,而在更長的光譜區,其注入深度增加緩慢,幾乎是常數[12],不過由于水的吸收,在960nm附近有一小的凹陷。我們用MonteCarlo方法,對激光作用下生物組織的再發射光譜及其與組織光學特性之間的關系進行了深入研究[13],結果表明:在穩態情況下,總漫反射率Rd與N′=μs(1-g)/μa具有對應關系,有效注入深度δ(見(1)式)是漫射光的徑向分布Rd(ρ)的函數。因而從Rd和Rd(ρ)的測量結果可以推知μa和μ′s。組織的光學特性參數μa、μs、g和n對再發射光譜的分布都有影響。由于不同生理病理狀態的生物組織具有不同的光學特性,如正常肌肉組織,μs=395cm-1,μa=0.1cm-1,g=0.7,而腫瘤組織的典型參數μs=271cm-1,μa=1.0cm-1,g=0.98。因此所測量的再發射光可反映被輻照組織的代謝生理特征乃至其結構特征。對激光作用下,組織再發射光的測量原理及其醫學診斷上的應用研究就是組織診斷光譜學的內容。前面已經提到,迭代間接測量法是非破壞性的,若已知組織的光學特性參數,利用迭代間接測量法就可實現對組織的診斷,它具有如下優點:(1)測量結果與組織的熱學和機械特性無關,(2)能反映組織的吸收和散射特性,甚至折射率,(3)非破壞性,(4)可以按多種方式(表面、內腔)應用于臨床,(5)含有深度信息和空間定位的能力。組織診斷光譜學在臨床上的應用有如下幾個方面:觀察腦、肌肉和其它組織器官中存在的內源性生色團,如血紅蛋白、細胞色素等;利用光纖監測血液中氧含量及其相對變化;對組織中癌塊的空間定位;根據視網膜或大腦皮層的漫反射光譜監測其代謝過程或活性的變化等。實際上,組織的光學特性不僅決定了激光在被輻照組織中的空間分布,而且也反映了激光醫療作用(如激光外科、光動力治療等)中的生物效果。我們對影響激光生物作用的因子進行了全面研究[14],結果表明:組織的吸收和散射對光能沉積區有決定性影響,而激光生物作用(熱作用、光化學作用、光機械作用和激光生物刺激作用等)都是在光能沉積區內完成的。高能激光作用下,光學特性參數隨時間的變化使得激光生物作用效果也是動態的。

5結論

依據不同的理論模型,光學特性參數的測量方法可分直接和間接兩大類。測量誤差來源于被測介質樣品所處的環境條件;入射激光束的幾何尺寸;邊界折射率的匹配程度;測量方法和手段;探測器的角分辨率以及定標方法等。在使用前人的測量結果時,必須對其實驗方法和模型的準確性進行考察。此外,由于不同組織具有不同的光學特性,因而在組織光學特性已知的情況下,測量方法可用于生物組織的診斷,即可用于測量生物組織的生理病理狀態和組織結構,這實際上就是組織診斷光譜學的基本思想。