生物光学测量及医学应用范文

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1生物组织光学特性的描述

激光在生物组织中的传输规律由其光学特性决定。描述组织光学特性的参数有吸收系数μa、散射系数μs、散射各向异性因子g和折射率noμa和μs(单位为mm-1分别表示组织中光子路径长度增量dz内吸收和散射所导致的辐射能量损失速率,表述为dΦ/dz。对于近红外光,生物组织为典型的混沌介质。组织中的吸收源于自然生色团如血红蛋白、肌红蛋白中的血红素和胆红素,线粒体呼吸链中的细胞色素、黑色素,以及光动力治疗中所引入的外源性生色团如光敏染料等。组织对光子的散射源于折射率的不连续性。在600～1300nm波段,软组织(如脑、肺、肝、皮肤)的典型光学参数为μa=0.01～1mm-1,μs=10～100mm-1。μt=μs+μa表示总作用系数。平均自由程(meanfreepath)mfp=1/μt,为每次散射或吸收事件发生前光子历经的平均距离,一般为10～100μm,尽管其平均自由程较小,但在组织中的注入还是比较深的,其原因一是所发生的相互作用大部分为散射事件而不是吸收,二是散射的高度前向特性,因此光子尽管经历了多次散射,仍能继续在组织中深入。散射作用可以用散射角分布S(θ)来表征,其中θ为单次散射事件发生后光子的偏折角。在大多数情况下,对S(θ)的详细描述并不重要,通常用各向异性因子g=<cosθ>来代替,它表示散射角的平均余弦值。在600～1300nm波段,大多数生物组织的典型g值为0.8～0.95[1～3]。除在光通量空间分布变化很大的、靠近边界和源的区域外,一般来说散射各向异性的细节并不重要,因而μs和g可简化成单一的传输散射系数μ′s=(μs(1-g)。激光在组织中的注入也可由有效衰减系数μeff(mm-1)或其倒数即有效注入深度(mm)来表述。基于传输理论有δ=1/μeff=1/3μs[μa+μs(1-g)](1)混沌介质内光的空间分布既依赖于介质的光学特性和结构[4],又与辐照光束的入射角度和光束直径有关。大直径光束垂直入射到半无限的介质样品时,在远离边界处,光通量沿中心轴向注入深度呈指数衰减。在入射表面下深度z(z>δ)处,Φ(z)=Φ0k•exp(-z/δ)(2)其中Φ0为辐照度(W/cm2),k是无量纲系数,大小取决于后向散射,注入深度δ表示通量减小1/e时光子传播的深度值。

2测量方法及理论依据

我们可将介质光学特性参数的测量方法分为直接和间接两类。非散射的透射测量[1]、有效衰减测量[5]以及单次散射相函数的角测量(Goniopho-tometric)[6]等为直接测量方法。在直接测量中,对总作用系数μt的测量依据LambertBeer定律,即μt=-1tlnTC(3)其中TC表示非散射透过率(unscatteredtrans-mission),t为样品厚度。其测量结果与光束几何形状、样品特性、探测方案和边界的多次反射等因素有关。这种测量方法实现起来较困难。因为存在分离轴向散射光和非散射光的问题。利用填隙式探测器测量辐射通量的变化率可获得有效散射系数(μeff)或有效注入深度(δeff=1/μeff)。这种方法较常见。但光纤探测器必须定位在被辐照样品的光漫射区域内,并远离光源和边界。在间接测量方法中,其理论模型源于光散射理论。间接测量又可进一步分为迭代(IterativeIndirectMethods)和非迭代(NoniterativeIndi-rectMethods)两类。在非迭代方法中,要求光学参数与被测量量间简单的对应关系,即光学参数与被测量量之间的函数关系是显含的。KubelkaMunk模型就是一种非迭代的间接测量方法[7]。根据KubelkaMunk理论有,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和样品厚度t的测量结果可计算KubelkaMunk吸收系数Akm和散射系数Skm。再结合LambertBeer定律,可进一步求取传输系数μa、μs和g。介质光学参数的非迭代间接测量方法还有诸如脉冲光热辐射测量(PPTR)、光声测量等。间接迭代法中光学参数与被测量量间的函数关系是隐含的[8]。只有在计算的反射和透射值与被测量值匹配时,才能迭代求出光学参数。这类方法使用起来很麻烦,但所依据的理论模型比非迭代法完善,而且是非破坏性的。与非迭代法不同,迭代间接测量法中可使用传输方程的复杂解。如漫射理论、MonteCarlo模拟等。一般来说,只要测量到总反射率Rt和透射率Tt,就能求出μa和μs(1-g)[13]。进而由测量到的非散射透射率或相函数确定μa、μs和g的值。综上所述,介质光学特性测量方法与入射光、样品和模型的关系可概括如表1所示。

3测量误差的来源

虽然介质内光通量的空间分布主要由吸收和散射决定,但介质折射率n在非匹配边界如空气—介质界面附近起着很重要的作用。在反射测量中存在如下两种表面效应:①表面折射率的不匹配使得外部入射光束的镜面反射率Rsp增加。非偏振光入射到平滑表面时,Rsp=(1-n)2/(1+n)2,当n=1.38时,Rsp为0.025。镜面反射的这部分光子没有被介质内部“调制”。因此这部分光子可提供关于表面粗糙度和介质折射率的信息,但不能反映介质内部吸收和散射的信息。②介质内存在很重要的光子内反射传输,并以某一倾角逸出介质—空气边界。内反射通常要反射大约50%的光子,并逸出介质表面,因而减少了介质中可测量漫反射光子的逸出[9],倾斜反射的光子更易停留在介质表面附近,故对次表面的通量变化有很大贡献。文献[10]讨论了生物组织折射率对内反射的影响。表面粗糙度对内反射的影响可参见[11]。在650nm波长处测量到的软组织折射率范围为1.38～1.41(水的折射率为1.33),脂肪的折射率为1.45。从上一节有关测量方法的讨论中可看出,影响光学特性参数测量误差的因素包括:1)被测介质样品所处的环境条件,对生物组织即为其生理条件;如水合程度,一致性,外形的易变性,冰冻—非冰冻状态,在体—离体,固定—不固定,样品切片的表面光滑程度等;2)辐照光束的几何形状;3)边界折射率匹配—不匹配;4)填隙式探测光纤相对于光源光纤的方位;5)传感光纤的数值孔径;6)光探测器的角度分辨率;7)前向散射光与非散射光的分离;8)理论模型。在比较不同报道所测量的光学参数时需要重点考察这些因子。目前,不同介质光学特性的研究已有大量报道,但其结果大都是依据辐射传输理论并进行各种近似后获得的。由于在①模型假设(例如散射的各向同性或异性、边界的匹配与否),②测量技术,③实验装置,④定标方法和⑤介质不均匀性等方面存在很大差别,我们在选用光学特性参数时,必须先对其实验方法和模型的准确性进行考察。

4医学应用

混沌介质的再发射光谱(漫透射与漫反射光谱)不仅与介质吸收特性有关,而且与介质的光散射因子有密切关系,不同介质具有不同的光学特性。因此,介质光学特性的测量方法可用于确定介质的特征和结构,这实际上就是生物组织光谱诊断测量技术的基础。例如,在“治疗窗口”600—1300nm波段,随生物组织类型不同,(2)式中的k值为2—4,δ为1—5mm。光通量降到Φ0/e时的深度为δ[1+ln(k)][4]。实验研究表明[3],g与波长无关,μs随波长的增加略有减小,吸收系数μa呈现很强的光谱特征。在可见光区,吸收与血液容量及含氧状态、其它色素的含量等有关。在600～700nm,注入深度增加很快,因为血红蛋白的吸收减小,而在更长的光谱区,其注入深度增加缓慢,几乎是常数[12],不过由于水的吸收,在960nm附近有一小的凹陷。我们用MonteCarlo方法,对激光作用下生物组织的再发射光谱及其与组织光学特性之间的关系进行了深入研究[13],结果表明:在稳态情况下,总漫反射率Rd与N′=μs(1-g)/μa具有对应关系,有效注入深度δ(见(1)式)是漫射光的径向分布Rd(ρ)的函数。因而从Rd和Rd(ρ)的测量结果可以推知μa和μ′s。组织的光学特性参数μa、μs、g和n对再发射光谱的分布都有影响。由于不同生理病理状态的生物组织具有不同的光学特性,如正常肌肉组织,μs=395cm-1,μa=0.1cm-1,g=0.7,而肿瘤组织的典型参数μs=271cm-1,μa=1.0cm-1,g=0.98。因此所测量的再发射光可反映被辐照组织的代谢生理特征乃至其结构特征。对激光作用下,组织再发射光的测量原理及其医学诊断上的应用研究就是组织诊断光谱学的内容。前面已经提到,迭代间接测量法是非破坏性的,若已知组织的光学特性参数,利用迭代间接测量法就可实现对组织的诊断,它具有如下优点:(1)测量结果与组织的热学和机械特性无关,(2)能反映组织的吸收和散射特性,甚至折射率,(3)非破坏性,(4)可以按多种方式(表面、内腔)应用于临床,(5)含有深度信息和空间定位的能力。组织诊断光谱学在临床上的应用有如下几个方面:观察脑、肌肉和其它组织器官中存在的内源性生色团,如血红蛋白、细胞色素等;利用光纤监测血液中氧含量及其相对变化;对组织中癌块的空间定位;根据视网膜或大脑皮层的漫反射光谱监测其代谢过程或活性的变化等。实际上,组织的光学特性不仅决定了激光在被辐照组织中的空间分布,而且也反映了激光医疗作用(如激光外科、光动力治疗等)中的生物效果。我们对影响激光生物作用的因子进行了全面研究[14],结果表明:组织的吸收和散射对光能沉积区有决定性影响,而激光生物作用(热作用、光化学作用、光机械作用和激光生物刺激作用等)都是在光能沉积区内完成的。高能激光作用下,光学特性参数随时间的变化使得激光生物作用效果也是动态的。

5结论

依据不同的理论模型,光学特性参数的测量方法可分直接和间接两大类。测量误差来源于被测介质样品所处的环境条件;入射激光束的几何尺寸;边界折射率的匹配程度;测量方法和手段;探测器的角分辨率以及定标方法等。在使用前人的测量结果时,必须对其实验方法和模型的准确性进行考察。此外,由于不同组织具有不同的光学特性,因而在组织光学特性已知的情况下,测量方法可用于生物组织的诊断,即可用于测量生物组织的生理病理状态和组织结构,这实际上就是组织诊断光谱学的基本思想。