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'''生物组织光学窗口'''<ref> Tromberg, B.J., Shah, N., Lanning, R., Cerussi, A., Espinoza, J., Pham, T., Svaasand, L., and Butler, J. (2000). Non-invasive in vivo characterization of breast tumors using photon migration spectroscopy. Neoplasia 2, 26–40 </ref>（或'''近紅外窗口'''、'''治療窗口'''）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{{Link-en|可见-近红外波段|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[[光热效应|光热]][[光热治疗|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。

== 生物组织各组分的吸收 ==

[[Image:Hemoglobin extinction.png|thumb|right|200 px|'''图1：'''氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的摩尔消光系数<ref>Molar extinction coefficients of oxy and deoxyhemoglobin compiled by Scott Prahl. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin {{Wayback|url=http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin |date=20200604111650 }}.</ref>。]]

吸收系数（<math>\mu_{a} \,</math>）指光子通过单位距离时被吸收的概率<ref name = Wang_BioMedBooK>{{cite book |author=LV Wang and HI Wu |title=Biomedical Optics|publisher=Wiley |year=2007|isbn=978-0-471-74304-0}}</ref>。组织的不同组分有着不同的<math>\mu_{a} \,</math>值；同时，<math>\mu_{a} \,</math>还是波长的函数。另外，摩尔消光系数(<math>\varepsilon \,</math>)也是用来衡量组织吸收性质的重要参数，可以从<math>\mu_{a} \,</math>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 ===

血液中含有两种形式的[[血红蛋白]]：[[氧合血红蛋白]](<math>HbO_2 \,</math>)与[[氧气|氧]]分子结合，而[[脱氧血红蛋白]](<math>Hb \,</math>) 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，(<math>Hb \,</math>) 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；(<math>HbO_2 \,</math>)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，(<math>HbO_2 \,</math>)摩尔消光系数的降低要比(<math>Hb \,</math>) 更快。<math>Hb \,</math>与<math>HbO_2 \,</math>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<math>HbO_2 \,</math>和脱氧血红蛋白<math>Hb \,</math>的浓度：
:<math>\mu_a(\lambda_1) = \ln(10)\varepsilon_{HbO2}(\lambda_1)C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon_{Hb}(\lambda_1)C_{Hb} \,</math>

:<math>\mu_a(\lambda_2) = \ln(10)\varepsilon_{HbO2}(\lambda_2)C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon_{Hb}(\lambda_2)C_{Hb} \,</math>


[[File:Water absorption.png|thumb|right|200 px|'''图2：'''水的吸收光谱<ref>G. M. Hale, and M. R. Querry, Optical constants of water in the 200 nm to 200 µm wavelength region, Appl. Opt., 12, 555-563, 1973.</ref>。]]

其中，<math>\lambda_1 \,</math>和<math>\lambda_2 \,</math>表示两个不同的波长；<math>\varepsilon_{HbO2} \,</math>和<math>\varepsilon_{Hb} \,</math>分别是<math>HbO_2 \,</math>和<math>Hb \,</math>的摩尔消光系数；<math>C_{HbO2} \,</math>和<math>C_{Hb} \,</math>则分别是<math>HbO_2 \,</math>和<math>Hb \,</math>的浓度。[[血氧饱和度]]（<math>SO_2 \,</math>）可表示为
:<math>SO_2=\frac {C_{HbO2}} {C_{HbO2}+C_{Hb}}</math>

=== 水 ===
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。
[[File:Melanin extinction.PNG|thumb|right|200 px|'''图3：'''真黑色素和褐黑素的消光光谱<ref name = EX>S. Jacques, Extinction coefficient of melanin. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html {{Wayback|url=http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html |date=20170918215625 }}.</ref>。]]
=== 黑色素 ===
[[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<ref name=VO>{{cite book |author=T. Vo-Dinh |title=Biomedical Photonics Handbook |publisher=Taylor & Francis, Inc.|year=2002 |isbn= 0-8493-1116-0 }}</ref>。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]]<ref>George Zonios and Aikaterini Dimou, Ioannis Bassukas, Dimitrios Galaris, and Argyrios Ysolakidis and Efthimios Kaxiras, J. Biomed. Opt., Vol.13, 014017, 2008.</ref>。二者的消光光谱见图3。

=== 脂肪 ===
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。
[[File:Fat absoprtion.png|thumb|right|200 px|'''图4：'''猪油的吸收光谱<ref name = RLP>R.L.P. van Veen, H.J.C.M. Sterenborg, A. Pifferi, A. Torricelli, and R. Cubeddu, OSA Annual BIOMED Topical Meeting, 2004</ref>。]]

== 生物组织各组分的散射 ==
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<ref name="Wang_BioMedBooK"/>，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<ref name=VO/>。


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。

== 有效衰减系数 ==
组织吸收与散射所导致的光衰减可以用有效衰减系数 (<math>\mu_{eff} \,</math>)表示：

:<math>\mu_{eff}=\sqrt{3\mu_a(\mu_a+\mu'_s)}</math>
[[File:Transport scattering coefficient spectrum.png|thumb|right|200 px|'''图5：'''传播散射系数随波长的变化（人类乳房组织）<ref name = SS>S. Srinivasan, B. Pogue, S. Jiang, H. Dehghani, C. Kogel, S. Soho, J. Gibson, T. Tosteson, S. Poplack, and K. Paulsen, K D 2003, Proc Natl Acad. Sci. USA 100 12349 54.</ref>。]]


其中<math>\mu^'_s</math>称为传播散射系数，定义为

:<math>\mu'_s=\mu_s (1-g) \,</math>


这里<math>g</math>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<math>\lambda \,^{-0.7}</math><ref name=SS/>的依赖关系。当组织深度较深（<math>d \,</math> >> 1/ <math>\mu'_s \,</math>）时，有效衰减系数的大小将决定光在组织内的穿透深度。

== 生物组织光学窗口范围的估计 ==
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。
{{multiple image
   | width     = 200
   | image1    = Arteries absorption.png
   | caption1  = '''图6a：'''动脉的吸收光谱(SaO<sub>2</sub> ≈ 98%). 

吸收系数最小值点λ<sub>min</sub> = 686 nm; '''光学窗口''' = (634 - 756) nm. 

有效衰减系数最小值点λ<sub>min</sub> = 690 nm; '''光学窗口''' = (618 - 926) nm. 
                                         
   | image2    = Veins absorption.png
   | caption2  = '''图6b：'''静脉的吸收光谱(SvO<sub>2</sub> ≈ 60%). 

吸收系数最小值点λ<sub>min</sub> = 730 nm; '''光学窗口''' = (664 - 932) nm. 

有效衰减系数最小值点λ<sub>min</sub> = 730 nm; '''光学窗口''' = (630 - 1328) nm.
                         
   | image3    = Breast absorption.png
   | caption3  = '''图6c：'''乳房组织的吸收光谱(StO<sub>2</sub> ≈ 70%). 

吸收系数最小值点λ<sub>min</sub> = 730 nm; '''光学窗口''' = (656 - 916) nm. 

有效衰减系数最小值点λ<sub>min</sub> = 730 nm; '''光学窗口''' = (626 - 1316) nm.                        
 }}


'''[[动脉]]的吸收光谱''':<math>SaO_2 \,</math> ≈ 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''':<math>SvO_2 \,</math> ≈ 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<math>StO_2 \,</math>（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<ref>S. Nioka, S. Wen, J. Zhang, J. Du, X. Intes, Z. Zhao, and B. Chance, Simulation study of breast tissue hemodynamics during pressure perturbation. Oxygen Transport to Tissue XXVI 566, 17-22, 2006.</ref>。这样就可以计算出总的血样饱和度为<math>StO_2 \,</math> = 0.2 x <math>SaO_2 \,</math> + 0.8 x <math>SvO_2 \,</math> ≈ 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]]。
[[File:Effective penetration depth.PNG|thumb|right|200 px|'''图7：'''乳房组织的有效穿透深度光谱。]]

== 参见 ==

[[光学窗口]]

== 参考文献 ==
{{reflist}}

[[Category:红外线成像]]
[[Category:生物物理学]]