生物组织光学窗口

✍ dations ◷ 2025-10-14 17:42:00 #红外线成像,生物物理学

生物组织光学窗口(或近红外窗口、治疗窗口)指的是光在生物组织内穿透深度达到最大值的波长区间,一般处于近红外波长范围内。在可见-近红外波段(英语:VNIR),散射是光与组织间最主要的作用形式,导致光在传播过程中迅速弥散。由于散射增大了光子在组织内的传播距离,因而光子为组织所吸收的概率也随之增大。实际上,散射效应随波长变化很小,因此,生物组织光学窗口的范围主要受限于组织的吸收,其下限(短波长一端)由血液吸收所决定,上限(长波长一端)则由水的吸收所决定。对于光学成像和光热治疗等应用而言,选择位于光学窗口波长范围内的合适光源,对于提高成像(治疗)效率、提高穿透深度、降低光致组织损伤,有着十分重要的意义。

吸收系数( μ a {\displaystyle \mu _{a}\,} )指光子通过单位距离时被吸收的概率。组织的不同组分有着不同的 μ a {\displaystyle \mu _{a}\,} 值;同时, μ a {\displaystyle \mu _{a}\,} 还是波长的函数。另外,摩尔消光系数( ε {\displaystyle \varepsilon \,} )也是用来衡量组织吸收性质的重要参数,可以从 μ a {\displaystyle \mu _{a}\,} 计算得到。组织内不同发色团的吸收性质将在下面讨论。

血液中含有两种形式的血红蛋白:氧合血红蛋白( H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} )与氧分子结合,而脱氧血红蛋白( H b {\displaystyle Hb\,} ) 则不与氧分子结合。图1显示了归一化后的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱。在420纳米、580纳米处,( H b {\displaystyle Hb\,} ) 分别达到最大和次大的摩尔消光系数峰值,在580纳米以上其消光则随波长上升而下降;( H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} )表现出类似的趋势,不同的是其在410纳米处达到最大消光峰,在550纳米和600纳米处达到次大消光峰。而在600纳米以上波长,( H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} )摩尔消光系数的降低要比( H b {\displaystyle Hb\,} ) 更快。 H b {\displaystyle Hb\,} H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} 摩尔消光系数曲线相交的点称为等吸收点。


原则上,通过测定一份血样在两个不同波长下的吸收系数,就可以根据下式计算出血样中氧合血样蛋白 H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} 和脱氧血红蛋白 H b {\displaystyle Hb\,} 的浓度:


其中, λ 1 {\displaystyle \lambda _{1}\,} λ 2 {\displaystyle \lambda _{2}\,} 表示两个不同的波长; ε H b O 2 {\displaystyle \varepsilon _{HbO2}\,} ε H b {\displaystyle \varepsilon _{Hb}\,} 分别是 H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} H b {\displaystyle Hb\,} 的摩尔消光系数; C H b O 2 {\displaystyle C_{HbO2}\,} C H b {\displaystyle C_{Hb}\,} 则分别是 H b O 2 {\displaystyle HbO_{2}\,} H b {\displaystyle Hb\,} 的浓度。血氧饱和度( S O 2 {\displaystyle SO_{2}\,} )可表示为

尽管水对于可见光几乎透明,但在近红外区则有着较强的吸收。考虑到组织中水所占的比例之高,水也就成了影响组织光学穿透性的关键组分之一。水在250-1000纳米范围内的吸收光谱见图2。


对组织总吸收贡献较小的其他组分则包括了黑色素和脂肪等。

黑色素是一种存在于皮肤中表皮层内的发色团,能够避免组织受到有害的紫外线照射。当黑素细胞受到阳光照射刺激时,就会产生黑色素。在某些组分中,黑色素是最强的光吸收体,不过由于浓度较低,其对总吸收的贡献往往小于其他组分。黑色素可以分为两类:黑/棕色的真黑色素和红/黄色的褐黑素。二者的消光光谱见图3。

尽管吸收较弱,脂肪也是组织中浓度较高的组分之一(10%-40%)。哺乳动物的脂肪吸收光谱很少被报道,图4显示了经过提纯的猪油的吸收光谱。

光学散射发生在组织内部折射率发生变化处,而这可能出现在从细胞膜到细胞内部的任何地方。一般来说,细胞核和线粒体是细胞中最重要的散射体,这些散射体的尺寸可以从100纳米至6微米不等。而这类在细胞器上发生的散射大多是前向散射。


生物组织内的散射一般用散射系数来表示。与吸收系数的定义相似,它指的是光子在穿过单位距离时发生散射的概率。

组织吸收与散射所导致的光衰减可以用有效衰减系数 ( μ e f f {\displaystyle \mu _{eff}\,} )表示:


其中 μ s {\displaystyle \mu _{s}^{'}} 称为传播散射系数,定义为


这里 g {\displaystyle g} 表示组织的各向异性,一个典型的取值是0.9。图5显示了乳房组织中的传播散射系数随波长的变化,可以看出该系数与波长见大致存在 λ 0.7 {\displaystyle \lambda \,^{-0.7}} 的依赖关系。当组织深度较深( d {\displaystyle d\,} >> 1/ μ s {\displaystyle \mu '_{s}\,} )时,有效衰减系数的大小将决定光在组织内的穿透深度。

基于组织吸收光谱或有效衰减系数光谱,可以对光学窗口的范围加以估计。具体说来,在不同类型组织中,光学窗口的范围也会有一定的变化。这不仅是由于不同组织中的血红蛋白总含量不同,也与不同组织中的血氧饱和度差异关系甚大。以下是几个例子,在这些例子中血红蛋白浓度均假定为2.3毫摩尔/升。

吸收系数最小值点λmin = 686 nm; 光学窗口 = (634 - 756) nm.

吸收系数最小值点λmin = 730 nm; 光学窗口 = (664 - 932) nm.

吸收系数最小值点λmin = 730 nm; 光学窗口 = (656 - 916) nm.


动脉的吸收光谱: S a O 2 {\displaystyle SaO_{2}\,} ≈ 98%(动脉血氧饱和度)。在此情形下氧合血红蛋白占据主导地位,其吸收对吸收光谱(黑线)和有效衰减系数光谱(紫线)都提供了主要的贡献(见图6a)。


静脉的吸收光谱: S v O 2 {\displaystyle SvO_{2}\,} ≈ 60%(静脉血氧饱和度)。在此情形下氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的贡献相当。


乳房组织的吸收光谱:要定义 S t O 2 {\displaystyle StO_{2}\,} (乳房组织的血样饱和度),就需要先了解该组织中动脉血和静脉血的比例。这里采用了动脉血和静脉血之比为20%/80%的经验数字。这样就可以计算出总的血样饱和度为 S t O 2 {\displaystyle StO_{2}\,} = 0.2 x S a O 2 {\displaystyle SaO_{2}\,} + 0.8 x S v O 2 {\displaystyle SvO_{2}\,} ≈ 70%。


得到上述吸收光谱或有效衰减系数光谱后,通过取倒数就可以获得有效穿透深度曲线(如图7)。判断光学窗口范围的一个有效方法即截取该曲线的半峰全宽。

光学窗口

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