组织的光学特性及其成像基础
组织的光学特性及其成像基础
数。
1.反射和折射定律：
反射（Fresnel定律）：反射表面是折射率不同的两种材料的边界如空气和组织的交界。简单的反射定律要求入射和反射光束的波法线与反射表面的法线处在同一平面（入射面）内，反射角等于入射角。这个表面被认为是光滑的，其表面不平整度与辐射度波长相比很小，这种情况就是所谓的镜面反射。相反，当反射表面的粗糙度较大或大于辐射的波长时，就出现漫反射。这样，被反射的许多光束并不一定处于同一入射平面，表征反射定律的公式不再适用。漫反射是所有生物组织的一个共同现象，因为它们没有一个象光学反射镜的表面那样抛光的表面。唯一的特殊情况是在潮湿组织表面镜面反射可能超过漫反射。
折射：折射通常出现在具有两种不同折射率的介质的反射表面分界处。它是由光波速度的变化引起的。
2. 全内反射：
临界角：当光在组织中传播时，正好发生全内反射的角度。
3.散射
(1) 碰撞过程
光入射到组织内一具有限尺寸的折射率不同的粒子上时，部分入射光被散射。比
如，生物组织中的一种散射源是由于细胞内的细胞器和周围细胞质的折射率的不同而引
起的。
（2）弹性散射：入射与散射光子的能量相同（没有能量的交换）。
非弹性散射：散射光子与入射光子的能量不同。
准弹性散射：当光子被运动粒子如血细胞散射时，由于多普勒效应，对发生微小的能量变
化。
（3）在生物医学光子学中，散射现象对诊断和治疗都具有重要的作用：
诊断：散射取决于组织中各成分（如脂质膜、核、胶原纤维）的大小、形貌以及结构，由疾病造成的这些成分的变化会影响散射特性,因此,提供了一种疾病诊断的方法，尤其在成像方面有重要的应用。
治疗：散射信号能用来确定最佳的光剂量(特别是激光治疗),在治疗时提供有用的反馈信息.
4.吸收
（1）吸收：由于部分光能转换成热运动或者是吸收材料中分子的某种振动。
（2）透明与不透明：一个完全透明的介质允许光通过而不吸收，即从这个介质中进入的总辐射能量与出射的能量时相等的。（如：角膜和晶状体）使入射辐射几乎降为零的介质称为不透明的。
透明和不透明是相对的，取决于波长。
（4）呈现一般吸收：如果物质对一定光谱范围内的所有波长的强度衰减程度相似，这个物质就被称为呈现一般吸收。
可见光下，这种物质在眼睛中呈现为灰色。
（5）选择性吸收：是对特定波长的吸收比对其它波长的吸收强。
颜色的存在实际上产生于选择吸收。通常，体色和表面颜色是有区别的。
5.混浊介质
吸收和散射时，假定散射或者吸收其中之一存在，而在大多数生物组织中，吸收和散射同时存在，这些介质被成为混浊介质。
6.组织的折射率
介质的折射率决定了光在介质中的传输速率,折射率的变化,无论连续或者突变(例如,边界)会造成散射、折射和反射。 绝大多数组织中含有相当大量的水分，它的折射率为1.33，是液体和软组织成分所具有折射率的最小值。 其他的软组织成分中：黑色素颗粒的折射率最大,为1.6，黑色素广泛地存在于皮肤的表皮层所有的组织—包括部分脑组织、大动脉、肺、胃、肾和膀胱，它们的折射率在1.36和1.4之间。
细胞外液和细胞质的折射率为1.35～1.38；脂肪组织的折射率为1.45左右；细胞和亚细胞器膜主要组分是脂类,细胞质和这些脂类结构折射率的不匹配；正是许多细胞组织散射的根本原因，对于硬组织,牙齿珐琅的折射率在可见光范围内测量值为1.62，而人体中各种骨头所对应的具体折射率的值很少见到报道。
7.组织的散射特性
在折射率有空间变化的地方,就会发生散射。折射率的空间变化既有连续的，也有突变的（如散射粒子的局部分布）。在细胞组织中, 亚细胞器官是很重要的散射体，它们的大小尺寸为<100nm到6微米，涵盖了治疗窗口（600～1000nm）。
线粒体大小一般在0.5～2微米之间。线粒体除了被包围在脂质膜以内，内部还含有脂质的褶皱，这种结构使得这些细胞器官与周围细胞质能产生高的光学对比度，并产生强散射效应。
最大的细胞器官是细胞核,其大小在4—6微米的范围内。内质网和高尔基体是次大的细胞器官，另外还有容酶体等。对不同的组织，细胞的形状和大小也不同，一般为几个微米或更大，单个细胞是一个强散射体，但是在组织中，散射主要是由亚细胞结构引起的。在皮肤中，黑色素组织散射很强，其大小在100nm到2微米之间，这些组分包含黑色素颗粒，这些颗粒象珠子一样串在一起。
在血液中，红血球是强散射体；结缔组织，由细胞和细胞外蛋白质如弹性蛋白和胶原等组成，用于提供支持和机械保护，这些组织的散射特性，在微观上是由于组成的不均匀，在宏观上是由于它们所构成的结构的变化。从微观上看，其特征大小在亚波长量级，散射属于瑞利散射；比如，胶原原纤维呈可以产生瑞利散射的带状结构，其周期为70nm，比治疗窗的波长小10倍。
8.组织的吸收特性
组织的吸收是各个分子成分共同作用的结果。当光子的能量与分子的能级间隔匹配时,分子吸收光子。在短波长区(光子能量大),这些跃迁是电子跃迁。紫外区的重要吸收体包括DNA,芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸),蛋白质,黑色素和卟啉（包括血红蛋白、肌红蛋白维生素B12以及细胞色素c)。
光穿透组织的能力取决与组织吸收光的强弱，在治疗窗口(或诊断窗口)的光谱范围内,大部分组织是弱的吸收体,能让大部分光穿过。这个窗口从600nm到1300nm,从可见光的橙色段到近红外。在短波长段, 以血红蛋白的吸收为主(包括氧和血红蛋白和去氧血红蛋白两种)，在600nm附近，当波长减小时,氧化血红蛋白的吸收提高了大约两倍；波长更短时,更多 其它的生物分子的吸收增强,包括DNA和色氨酸和酪氨酸等氨基酸。在治疗窗口的红外端,水的吸收限制了光的穿透深度。在治疗窗口中，散射超过吸收,因此导致传输光漫射。
近红外光波段生物组织成像的理论基础 光波在生物组织中的传输与分布，以及光波尤其是近红外光(700～1300nm)与生物组织相互作用的问题引起了广泛关注。近红外光光学成像与以往放射技术相比，有如下优势:
(1)非电离化;
(2)不同软组织之间的鉴别;
(3)自然生色团的特征吸收，以至获得生物组织体的某些功能信息;
(4)其光源价廉，可移动操作以及可较长时间地安全操作。
因此，利用近红外波段的光辐射进行生物组织的成像、诊断和检测是目前热门研究领域之一。
光与生物组织的相互作用很复杂，与光波的特性、生物组织结构及其物理化学生物特性均有关系。700～1300nm的近红外光被称为“组织光窗(Tissue Optical Window)”，因为生物组织对此波段近红外光的吸收和散射效应均是最小。即使这样，生物组织对近红外光而言仍然是一种高散射介质，且其散射远大于吸收。因此当光射入组织体，光的方向性、相干性、偏振性等都会遭到不同程度的“破坏”，从中提取有用的生物组织内部信息是研究人员面临的最大问题。
生物组织光学成像技术在诊断中具有重大应用价值，主要由于其完全非侵入性、无损性、非电离化辐射，以及能够显示组织中各种化学组分，从而提供有用的功能信息。近红外光成像装置中一般可分为两种类型: 时间分辨型及频域调制型。
1. 时间分辨型
时间分辨型是测量组织对超短激光脉冲(皮秒量级)的时间响应，一般用同步条纹扫描相机或时间相关的单光子记数(TCSPC)系统检测组织表面出射光的时间分布，利用光子飞行信息进行成像。弹道光子与蛇行光子合称为早期到达光，亦称为成像光，而漫射光是历经多次散射的，是非成像光。基于三种光子的特性，散射介质的时间分辨光学成像又大致分为以下两种类型: 直接成像法和间接成像法。
a.分离短飞行时间光子法，即所谓的直接法成像。利用各种“门”技术分离出飞行时间短的光子，即提取出成像光子直接进行成像。这种方法应用了共轴扫描几何学原理。目前已有多种比较成熟的门技术，如空间门、时间门、偏振门、相干门等。这些技术利用光子经过散射后某些性质的变化，如方向性、时间延迟、偏振性、相干性等，将成像光子分离出来。
(1)空间门是通过对组织表面的溢出光子进行空间滤波实现的。应用准直探测的空间门技术空间分辨率很差，尽管采用尽可能大的辐照剂量及尽可能灵敏的探测器，对于人体软组织可探测的极限深度也仅有几毫米; 应用该法对乳腺组织成像的尝试即是一例。
(2)偏振门利用线偏振光在散射介质中传播时偏振度会减小的特性，弹道光子的偏振度为1，而漫射光子的偏振度为0。
(3)超快快门又称为时间门技术，依据光子经过散射介质后到达探测器的时间不同而加以区分。可将其理解为一个快门，开启时间很短，只有几个皮秒(~10-12s)，让早到达的光子通过之后关闭，滞后的漫射光子不能通过。可以利用非线性光学现象的快门进行取样，取样的过程是对通过的强度进行调制，或对感兴趣的信号进行非线性放大，或对不要的光进行衰减。由于有限的动态范围和有限数量的被检测光子，该种技术穿透深度不超过几个毫米。基于这种原理的时间门有: 光学Kerr门(Optical Kerr Gate，OKG); Raman放大器(Raman Amplifier，RA); 二次谐波产生(Second Harmonic Generation，SHG); 光学参量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA); 等等。
(4)相干门利用漫射光子相干性的“破坏”分离出成像光子，并使其与原入射光分出来的参考光相互干涉进行成像。相干门技术亦有许多种，如全息门法，光学相干层析成像法等。
新近发展起来的光学相干层析成像技术(Optical Coherence Tomography，OCT)以其成像快速、非侵入、高分辨率等优良特性对生物组织研究及临床应用均具有重要价值。OCT利用宽带光源的短程相干特性对活体组织内部结构断层成像。OCT系统一般由低相干光源(SLD或超快激光器)和迈克尔逊光纤干涉仪组成。OCT是结合了空间门、相干门及其他形式的门技术。目前OCT可探测深度由几个毫米到厘米量级，空间分辨率达到2~20mm。自1991年D.Huang利用OCT获得视网膜和动脉壁的显微结构开始，OCT在十年之间飞速发展。基于原有OCT原理，已开发出反映组织不同特征信息的多种成像模式。目前眼科OCT渐趋于成熟，已有产品应用于临床，其他领域的研究也在深入开展。
弹道光子在散射介质中传播满足朗伯比尔指数衰减定律，理想弹道光子的探测由量子点噪声决定穿透深度，因此弹道光子的探测深度有限，大约能穿透30个散射自由程，而人体乳房组织却有上千个散射自由程的厚度，利用蛇行光子成像，组织的探测深度可提高到厘米量级，但空间分辨率较低。那么，利用所有的漫射光子进行成像是否能满足分辨率和探测深度的要求呢？这就是间接法成像要解决的问题。
b.记录全部TPSF(时间点扩展函数)方法，即间接法成像。漫射光子虽已失去入射光的特性，不再是介质内部结构的显函数，但漫射光子毕竟源于介质，介质的结构特征一定隐含在漫射光中。利用所有散射光子找到光的散射规律，提供漫射光的参数，通过合适的数学模型和算法，沿着光散射路径逆向追溯重建散射介质结构图像，将成像技术演变为利用适当的光子传输模型进行逆向问题求解。
在间接法中探测器沿组织体圆周安放，源沿着同样的圆周连续运动，测量源光纤在每一点时探测光纤处的TPSF。短(皮秒)光脉冲通过高散射介质后得到的光子瞬时分布为TPSF，对于厚几厘米以上的软组织，TPSF将扩展到纳秒。超高速扫描摄像机(Streak Camera，SC)及时间相关的单光子记数系统(Time-Correlated Single Photon Counting system，TCSPC系统)分别利用扫描相机和时间幅度转换器(Time-Amplitude Converter，TAC)快速探测器记录全部TPSF。SC因其价格昂贵、受光有效面积小(约1mm2)、较低的动态范围(104)及明显的时域非线性而限制了使用。而TCSPC拥有非常高的动态范围和优良的时域线性。 PMT(Photo-multiplier-tube)或MCP-PMT(Micro-Channel-PlatePMT)的应用使其具有较大的受光面积。另外雪崩式光敏二极管(Avalan-che Photodiode，APD)以其紧凑、低成本作为检测器的应用使TCSPC方法成为研究重点。TCSPC的缺陷在其相对较低的时间分辨率(一般几十到几百皮秒)。UCL(University College London)大学的Hebden博士开发了基于高速扫描相机的时间分辨系统对固体乳腺模型进行成像，应用时间外推法极大地提高了图像分辨率，从而得到了乳腺模型中亚厘米量级的低对比度的“肿瘤”图像。
2. 频域调制型
频域调制方法中，组织被强度调制的光束照明，激励生物组织漫射光子在组织中传播，强度随时间和位置而变化形成光子密度波(Diffuse Photon Density Wave，DPDW)，出射的DPDW的幅度、相位和调制深度通常应用外差法进行测量。频域方法采用连续波光源和探测器，价格较低。频域法是基于漫射光子密度波图像形成的基础，由计算机重建不均匀介质的图像。漫射光子密度波与组织的吸收系数和散射系数有关，通过这些变化的测量数据利用某些合适的逆算法进行成像。频域法缺点是目前难以得到大功率高重复频率源，目前一般采用的都是几兆赫兹，等效于几个纳秒的时间分辨率，光子密度波长为米量级。
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