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1、生物光学测量及医学应用医学科技论文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、
2、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
3、,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,
4、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(zδ)处,Φ(z)=Φ0kexp(-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(unscatteredtran
5、s-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,
6、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=2Rdtxln[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
7、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
