组织的光学特性及其成像基础（一）

生物组织的光学特性，影响着光在组织中的传输，也是医学光谱和成像诊断的基础。影响光在生物组织中传播的三个物理过程是反射和折射（reflection and refraction）、 散射（scattering）、吸收（absorption）。这三个过程分别用以下参数来描述：折射率、 散射系数、吸收系数和各向异性。在反射、吸收或散射中，哪一种损耗为主，取决于生物组织的类型以及入射光的波长。波长是非常重要的参数，它决定了折射和吸收以及散射系
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