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生物組織光學窗口

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生物組織光學窗口[1](或近紅外窗口治療窗口)指的是在生物組織內穿透深度達到最大值的波長區間,一般處於近紅外波長範圍內。在可見-近紅外波段英語VNIR散射是光與組織間最主要的作用形式,導致光在傳播過程中迅速彌散。由於散射增大了光子在組織內的傳播距離,因而光子為組織所吸收的概率也隨之增大。實際上,散射效應隨波長變化很小,因此,生物組織光學窗口的範圍主要受限於組織的吸收,其下限(短波長一端)由血液吸收所決定,上限(長波長一端)則由的吸收所決定。對於光學成像光熱治療等應用而言,選擇位於光學窗口波長範圍內的合適光源,對於提高成像(治療)效率、提高穿透深度、降低光致組織損傷,有着十分重要的意義。

生物組織各組分的吸收

圖1:氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的摩爾消光係數[2]

吸收係數()指光子通過單位距離時被吸收的概率[3]。組織的不同組分有着不同的值;同時,還是波長的函數。另外,摩爾消光係數()也是用來衡量組織吸收性質的重要參數,可以從計算得到。組織內不同發色團的吸收性質將在下面討論。

血液

血液中含有兩種形式的血紅蛋白氧合血紅蛋白()與分子結合,而去氧血紅蛋白() 則不與氧分子結合。圖1顯示了歸一化後的氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的吸收光譜。在420納米、580納米處,() 分別達到最大和次大的摩爾消光係數峰值,在580納米以上其消光則隨波長上升而下降;()表現出類似的趨勢,不同的是其在410納米處達到最大消光峰,在550納米和600納米處達到次大消光峰。而在600納米以上波長,()摩爾消光係數的降低要比() 更快。摩爾消光係數曲線相交的點稱為等吸收點


原則上,通過測定一份血樣在兩個不同波長下的吸收係數,就可以根據下式計算出血樣中氧合血樣蛋白和去氧血紅蛋白的濃度:


圖2:水的吸收光譜[4]

其中,表示兩個不同的波長;分別是的摩爾消光係數;則分別是的濃度。血氧飽和度)可表示為

儘管水對於可見光幾乎透明,但在近紅外區則有着較強的吸收。考慮到組織中水所佔的比例之高,水也就成了影響組織光學穿透性的關鍵組分之一。水在250-1000納米範圍內的吸收光譜見圖2。


對組織總吸收貢獻較小的其他組分則包括了黑色素和脂肪等。

圖3:真黑色素和褐黑素的消光光譜[5]

黑色素

黑色素是一種存在於皮膚中表皮層內的發色團,能夠避免組織受到有害的紫外線照射。當黑素細胞受到陽光照射刺激時,就會產生黑色素[6]。在某些組分中,黑色素是最強的光吸收體,不過由於濃度較低,其對總吸收的貢獻往往小於其他組分。黑色素可以分為兩類:黑/棕色的真黑色素和紅/黃色的褐黑素[7]。二者的消光光譜見圖3。

脂肪

儘管吸收較弱,脂肪也是組織中濃度較高的組分之一(10%-40%)。哺乳動物的脂肪吸收光譜很少被報道,圖4顯示了經過提純的豬油的吸收光譜。

圖4:豬油的吸收光譜[8]

生物組織各組分的散射

光學散射發生在組織內部折射率發生變化處,而這可能出現在從細胞膜到細胞內部的任何地方。一般來說,細胞核線粒體是細胞中最重要的散射體[3],這些散射體的尺寸可以從100納米至6微米不等。而這類在細胞器上發生的散射大多是前向散射[6]


生物組織內的散射一般用散射係數來表示。與吸收係數的定義相似,它指的是光子在穿過單位距離時發生散射的概率。

有效衰減係數

組織吸收與散射所導致的光衰減可以用有效衰減係數 ()表示:

圖5:傳播散射係數隨波長的變化(人類乳房組織)[9]


其中稱為傳播散射係數,定義為


這裏表示組織的各向異性,一個典型的取值是0.9。圖5顯示了乳房組織中的傳播散射係數隨波長的變化,可以看出該係數與波長見大致存在[9]的依賴關係。當組織深度較深( >> 1/ )時,有效衰減係數的大小將決定光在組織內的穿透深度。

生物組織光學窗口範圍的估計

基於組織吸收光譜或有效衰減係數光譜,可以對光學窗口的範圍加以估計。具體說來,在不同類型組織中,光學窗口的範圍也會有一定的變化。這不僅是由於不同組織中的血紅蛋白總含量不同,也與不同組織中的血氧飽和度差異關係甚大。以下是幾個例子,在這些例子中血紅蛋白濃度均假定為2.3毫摩爾/升。

圖6a:動脈的吸收光譜(SaO2 ≈ 98%).

吸收係數最小值點λmin = 686 nm; 光學窗口 = (634 - 756) nm.

有效衰減係數最小值點λmin = 690 nm; 光學窗口 = (618 - 926) nm.
圖6b:靜脈的吸收光譜(SvO2 ≈ 60%).

吸收係數最小值點λmin = 730 nm; 光學窗口 = (664 - 932) nm.

有效衰減係數最小值點λmin = 730 nm; 光學窗口 = (630 - 1328) nm.
圖6c:乳房組織的吸收光譜(StO2 ≈ 70%).

吸收係數最小值點λmin = 730 nm; 光學窗口 = (656 - 916) nm.

有效衰減係數最小值點λmin = 730 nm; 光學窗口 = (626 - 1316) nm.


動脈的吸收光譜: ≈ 98%(動脈血氧飽和度)。在此情形下氧合血紅蛋白佔據主導地位,其吸收對吸收光譜(黑線)和有效衰減係數光譜(紫線)都提供了主要的貢獻(見圖6a)。


靜脈的吸收光譜: ≈ 60%(靜脈血氧飽和度)。在此情形下氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白的貢獻相當。


乳房組織的吸收光譜:要定義(乳房組織的血樣飽和度),就需要先了解該組織中動脈血和靜脈血的比例。這裏採用了動脈血和靜脈血之比為20%/80%的經驗數字[10]。這樣就可以計算出總的血樣飽和度為 = 0.2 x + 0.8 x ≈ 70%。


得到上述吸收光譜或有效衰減係數光譜後,通過取倒數就可以獲得有效穿透深度曲線(如圖7)。判斷光學窗口範圍的一個有效方法即截取該曲線的半峰全寬

圖7:乳房組織的有效穿透深度光譜。

參見

光學窗口

參考文獻

  1. ^ 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
  2. ^ Molar extinction coefficients of oxy and deoxyhemoglobin compiled by Scott Prahl. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin頁面存檔備份,存於互聯網檔案館).
  3. ^ 3.0 3.1 LV Wang and HI Wu. Biomedical Optics. Wiley. 2007. ISBN 978-0-471-74304-0. 
  4. ^ 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.
  5. ^ S. Jacques, Extinction coefficient of melanin. URL: http://omlc.ogi.edu/spectra/melanin/extcoeff.html頁面存檔備份,存於互聯網檔案館).
  6. ^ 6.0 6.1 T. Vo-Dinh. Biomedical Photonics Handbook. Taylor & Francis, Inc. 2002. ISBN 0-8493-1116-0. 
  7. ^ George Zonios and Aikaterini Dimou, Ioannis Bassukas, Dimitrios Galaris, and Argyrios Ysolakidis and Efthimios Kaxiras, J. Biomed. Opt., Vol.13, 014017, 2008.
  8. ^ R.L.P. van Veen, H.J.C.M. Sterenborg, A. Pifferi, A. Torricelli, and R. Cubeddu, OSA Annual BIOMED Topical Meeting, 2004
  9. ^ 9.0 9.1 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.
  10. ^ 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.