組織的光學特性及其成像基礎

生物組織的光學特性，影響著光在組織中的傳輸，也是醫學光譜和成像診斷的基礎。影響光在生物組織中傳播的三個物理過程是反射和折射（reflection and refraction）、 散射（scattering）、吸收（absorption）。這三個過程分別用以下參數來描述：折射率、 散射系數、吸收系數和各向異性。在反射、吸收或散射中，哪一種損耗為主，取決于生物組織的類型以及入射光的波長。波長是非常重要的參數，它決定了折射和吸收以及散射系
數。

1.反射和折射定律：
反射（Fresnel定律）：反射表面是折射率不同的兩種材料的邊界如空氣和組織的交界。簡單的反射定律要求入射和反射光束的波法線與反射表面的法線處在同一平面（入射面）內，反射角等于入射角。這個表面被認為是光滑的，其表面不平整度與輻射度波長相比很小，這種情況就是所謂的鏡面反射。相反，當反射表面的粗糙度較大或大于輻射的波長時，就出現漫反射。這樣，被反射的許多光束并不一定處于同一入射平面，表征反射定律的公式不再適用。漫反射是所有生物組織的一個共同現象，因為它們沒有一個象光學反射鏡的表面那樣拋光的表面。唯一的特殊情況是在潮濕組織表面鏡面反射可能超過漫反射。
折射：折射通常出現在具有兩種不同折射率的介質的反射表面分界處。它是由光波速度的變化引起的。

2. 全內反射：
臨界角：當光在組織中傳播時，正好發生全內反射的角度。

3.散射
(1)   碰撞過程
光入射到組織內一具有限尺寸的折射率不同的粒子上時，部分入射光被散射。比
如，生物組織中的一種散射源是由于細胞內的細胞器和周圍細胞質的折射率的不同而引
起的。
（2）彈性散射：入射與散射光子的能量相同（沒有能量的交換）。
非彈性散射：散射光子與入射光子的能量不同。
準彈性散射：當光子被運動粒子如血細胞散射時，由于多普勒效應，對發生微小的能量變
化。
（3）在生物醫學光子學中，散射現象對診斷和治療都具有重要的作用：
診斷：散射取決于組織中各成分（如脂質膜、核、膠原纖維）的大小、形貌以及結構，由疾病造成的這些成分的變化會影響散射特性,因此,提供了一種疾病診斷的方法，尤其在成像方面有重要的應用。
治療：散射信號能用來確定最佳的光劑量(特別是激光治療),在治療時提供有用的反饋信息.

4.吸收
（1）吸收：由于部分光能轉換成熱運動或者是吸收材料中分子的某種振動。
（2）透明與不透明：一個完全透明的介質允許光通過而不吸收，即從這個介質中進入的總輻射能量與出射的能量時相等的。（如：角膜和晶狀體）使入射輻射幾乎降為零的介質稱為不透明的。
透明和不透明是相對的，取決于波長。
（4）呈現一般吸收：如果物質對一定光譜范圍內的所有波長的強度衰減程度相似，這個物質就被稱為呈現一般吸收。
可見光下，這種物質在眼睛中呈現為灰色。
（5）選擇性吸收：是對特定波長的吸收比對其它波長的吸收強。
顏色的存在實際上產生于選擇吸收。通常，體色和表面顏色是有區別的。

5.混濁介質
吸收和散射時，假定散射或者吸收其中之一存在，而在大多數生物組織中，吸收和散射同時存在，這些介質被成為混濁介質。

6.組織的折射率
介質的折射率決定了光在介質中的傳輸速率,折射率的變化,無論連續或者突變(例如,邊界)會造成散射、折射和反射。 絕大多數組織中含有相當大量的水分，它的折射率為1.33，是液體和軟組織成分所具有折射率的最小值。 其他的軟組織成分中：黑色素顆粒的折射率最大,為1.6，黑色素廣泛地存在于皮膚的表皮層所有的組織—包括部分腦組織、大動脈、肺、胃、腎和膀胱，它們的折射率在1.36和1.4之間。
細胞外液和細胞質的折射率為1.35～1.38；脂肪組織的折射率為1.45左右；細胞和亞細胞器膜主要組分是脂類,細胞質和這些脂類結構折射率的不匹配；正是許多細胞組織散射的根本原因，對于硬組織,牙齒琺瑯的折射率在可見光范圍內測量值為1.62，而人體中各種骨頭所對應的具體折射率的值很少見到報道。

7.組織的散射特性
在折射率有空間變化的地方,就會發生散射。折射率的空間變化既有連續的，也有突變的（如散射粒子的局部分布）。在細胞組織中, 亞細胞器官是很重要的散射體，它們的大小尺寸為<100nm到6微米，涵蓋了治療窗口（600～1000nm）。
線粒體大小一般在0.5～2微米之間。線粒體除了被包圍在脂質膜以內，內部還含有脂質的褶皺，這種結構使得這些細胞器官與周圍細胞質能產生高的光學對比度，并產生強散射效應。
最大的細胞器官是細胞核,其大小在4—6微米的范圍內。內質網和高爾基體是次大的細胞器官，另外還有容酶體等。對不同的組織，細胞的形狀和大小也不同，一般為幾個微米或更大，單個細胞是一個強散射體，但是在組織中，散射主要是由亞細胞結構引起的。在皮膚中，黑色素組織散射很強，其大小在100nm到2微米之間，這些組分包含黑色素顆粒，這些顆粒象珠子一樣串在一起。
在血液中，紅血球是強散射體；結締組織，由細胞和細胞外蛋白質如彈性蛋白和膠原等組成，用于提供支持和機械保護，這些組織的散射特性，在微觀上是由于組成的不均勻，在宏觀上是由于它們所構成的結構的變化。從微觀上看，其特征大小在亞波長量級，散射屬于瑞利散射；比如，膠原原纖維呈可以產生瑞利散射的帶狀結構，其周期為70nm，比治療窗的波長小10倍。

8.組織的吸收特性
組織的吸收是各個分子成分共同作用的結果。當光子的能量與分子的能級間隔匹配時,分子吸收光子。在短波長區(光子能量大),這些躍遷是電子躍遷。紫外區的重要吸收體包括DNA,芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸),蛋白質,黑色素和卟啉（包括血紅蛋白、肌紅蛋白維生素B12以及細胞色素c)。
光穿透組織的能力取決與組織吸收光的強弱，在治療窗口(或診斷窗口)的光譜范圍內,大部分組織是弱的吸收體,能讓大部分光穿過。這個窗口從600nm到1300nm,從可見光的橙色段到近紅外。在短波長段, 以血紅蛋白的吸收為主(包括氧和血紅蛋白和去氧血紅蛋白兩種)，在600nm附近，當波長減小時,氧化血紅蛋白的吸收提高了大約兩倍；波長更短時,更多 其它的生物分子的吸收增強,包括DNA和色氨酸和酪氨酸等氨基酸。在治療窗口的紅外端,水的吸收限制了光的穿透深度。在治療窗口中，散射超過吸收,因此導致傳輸光漫射。
近紅外光波段生物組織成像的理論基礎  光波在生物組織中的傳輸與分布，以及光波尤其是近紅外光(700～1300nm)與生物組織相互作用的問題引起了廣泛關注。近紅外光光學成像與以往放射技術相比，有如下優勢:
(1)非電離化;
(2)不同軟組織之間的鑒別;
(3)自然生色團的特征吸收，以至獲得生物組織體的某些功能信息;
(4)其光源價廉，可移動操作以及可較長時間地安全操作。

因此，利用近紅外波段的光輻射進行生物組織的成像、診斷和檢測是目前熱門研究領域之一。
光與生物組織的相互作用很復雜，與光波的特性、生物組織結構及其物理化學生物特性均有關系。700～1300nm的近紅外光被稱為“組織光窗(Tissue Optical Window)”，因為生物組織對此波段近紅外光的吸收和散射效應均是最小。即使這樣，生物組織對近紅外光而言仍然是一種高散射介質，且其散射遠大于吸收。因此當光射入組織體，光的方向性、相干性、偏振性等都會遭到不同程度的“破壞”，從中提取有用的生物組織內部信息是研究人員面臨的最大問題。
 
生物組織光學成像技術在診斷中具有重大應用價值，主要由于其完全非侵入性、無損性、非電離化輻射，以及能夠顯示組織中各種化學組分，從而提供有用的功能信息。近紅外光成像裝置中一般可分為兩種類型: 時間分辨型及頻域調制型。 

1. 時間分辨型 
時間分辨型是測量組織對超短激光脈沖(皮秒量級)的時間響應，一般用同步條紋掃描相機或時間相關的單光子記數(TCSPC)系統檢測組織表面出射光的時間分布，利用光子飛行信息進行成像。彈道光子與蛇行光子合稱為早期到達光，亦稱為成像光，而漫射光是歷經多次散射的，是非成像光。基于三種光子的特性，散射介質的時間分辨光學成像又大致分為以下兩種類型: 直接成像法和間接成像法。
a.分離短飛行時間光子法，即所謂的直接法成像。利用各種“門”技術分離出飛行時間短的光子，即提取出成像光子直接進行成像。這種方法應用了共軸掃描幾何學原理。目前已有多種比較成熟的門技術，如空間門、時間門、偏振門、相干門等。這些技術利用光子經過散射后某些性質的變化，如方向性、時間延遲、偏振性、相干性等，將成像光子分離出來。

(1)空間門是通過對組織表面的溢出光子進行空間濾波實現的。應用準直探測的空間門技術空間分辨率很差，盡管采用盡可能大的輻照劑量及盡可能靈敏的探測器，對于人體軟組織可探測的極限深度也僅有幾毫米; 應用該法對乳腺組織成像的嘗試即是一例。
(2)偏振門利用線偏振光在散射介質中傳播時偏振度會減小的特性，彈道光子的偏振度為1，而漫射光子的偏振度為0。
(3)超快快門又稱為時間門技術，依據光子經過散射介質后到達探測器的時間不同而加以區分。可將其理解為一個快門，開啟時間很短，只有幾個皮秒(~10-12s)，讓早到達的光子通過之后關閉，滯后的漫射光子不能通過。可以利用非線性光學現象的快門進行取樣，取樣的過程是對通過的強度進行調制，或對感興趣的信號進行非線性放大，或對不要的光進行衰減。由于有限的動態范圍和有限數量的被檢測光子，該種技術穿透深度不超過幾個毫米。基于這種原理的時間門有: 光學Kerr門(Optical Kerr Gate，OKG); Raman放大器(Raman Amplifier，RA); 二次諧波產生(Second Harmonic Generation，SHG); 光學參量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA); 等等。
(4)相干門利用漫射光子相干性的“破壞”分離出成像光子，并使其與原入射光分出來的參考光相互干涉進行成像。相干門技術亦有許多種，如全息門法，光學相干層析成像法等。
新近發展起來的光學相干層析成像技術(Optical Coherence Tomography，OCT)以其成像快速、非侵入、高分辨率等優良特性對生物組織研究及臨床應用均具有重要價值。OCT利用寬帶光源的短程相干特性對活體組織內部結構斷層成像。OCT系統一般由低相干光源(SLD或超快激光器)和邁克爾遜光纖干涉儀組成。OCT是結合了空間門、相干門及其他形式的門技術。目前OCT可探測深度由幾個毫米到厘米量級，空間分辨率達到2~20mm。自1991年D.Huang利用OCT獲得視網膜和動脈壁的顯微結構開始，OCT在十年之間飛速發展。基于原有OCT原理，已開發出反映組織不同特征信息的多種成像模式。目前眼科OCT漸趨于成熟，已有產品應用于臨床，其他領域的研究也在深入開展。

彈道光子在散射介質中傳播滿足朗伯比爾指數衰減定律，理想彈道光子的探測由量子點噪聲決定穿透深度，因此彈道光子的探測深度有限，大約能穿透30個散射自由程，而人體乳房組織卻有上千個散射自由程的厚度，利用蛇行光子成像，組織的探測深度可提高到厘米量級，但空間分辨率較低。那么，利用所有的漫射光子進行成像是否能滿足分辨率和探測深度的要求呢？這就是間接法成像要解決的問題。
b.記錄全部TPSF(時間點擴展函數)方法，即間接法成像。漫射光子雖已失去入射光的特性，不再是介質內部結構的顯函數，但漫射光子畢竟源于介質，介質的結構特征一定隱含在漫射光中。利用所有散射光子找到光的散射規律，提供漫射光的參數，通過合適的數學模型和算法，沿著光散射路徑逆向追溯重建散射介質結構圖像，將成像技術演變為利用適當的光子傳輸模型進行逆向問題求解。

在間接法中探測器沿組織體圓周安放，源沿著同樣的圓周連續運動，測量源光纖在每一點時探測光纖處的TPSF。短(皮秒)光脈沖通過高散射介質后得到的光子瞬時分布為TPSF，對于厚幾厘米以上的軟組織，TPSF將擴展到納秒。超高速掃描攝像機(Streak Camera，SC)及時間相關的單光子記數系統(Time-Correlated Single Photon Counting system，TCSPC系統)分別利用掃描相機和時間幅度轉換器(Time-Amplitude Converter，TAC)快速探測器記錄全部TPSF。SC因其價格昂貴、受光有效面積小(約1mm2)、較低的動態范圍(104)及明顯的時域非線性而限制了使用。而TCSPC擁有非常高的動態范圍和優良的時域線性。 PMT(Photo-multiplier-tube)或MCP-PMT(Micro-Channel-PlatePMT)的應用使其具有較大的受光面積。另外雪崩式光敏二極管(Avalan-che Photodiode，APD)以其緊湊、低成本作為檢測器的應用使TCSPC方法成為研究重點。TCSPC的缺陷在其相對較低的時間分辨率(一般幾十到幾百皮秒)。UCL(University College London)大學的Hebden博士開發了基于高速掃描相機的時間分辨系統對固體乳腺模型進行成像，應用時間外推法極大地提高了圖像分辨率，從而得到了乳腺模型中亞厘米量級的低對比度的“腫瘤”圖像。 

2. 頻域調制型 
頻域調制方法中，組織被強度調制的光束照明，激勵生物組織漫射光子在組織中傳播，強度隨時間和位置而變化形成光子密度波(Diffuse Photon Density Wave，DPDW)，出射的DPDW的幅度、相位和調制深度通常應用外差法進行測量。頻域方法采用連續波光源和探測器，價格較低。頻域法是基于漫射光子密度波圖像形成的基礎，由計算機重建不均勻介質的圖像。漫射光子密度波與組織的吸收系數和散射系數有關，通過這些變化的測量數據利用某些合適的逆算法進行成像。頻域法缺點是目前難以得到大功率高重復頻率源，目前一般采用的都是幾兆赫茲，等效于幾個納秒的時間分辨率，光子密度波長為米量級。