生物組織光學窗口

生物組織光學窗口^[1]（或近紅外窗口、治療窗口）指的是光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）則由水的吸收所決定。對於光學成像和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，有著十分重要的意義。

生物組織各組分的吸收

圖1：氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的摩爾消光係數^[2]。

吸收係數（${\displaystyle \mu _{a}\,}$）指光子通過單位距離時被吸收的概率^[3]。組織的不同組分有著不同的${\displaystyle \mu _{a}\,}$值；同時，${\displaystyle \mu _{a}\,}$還是波長的函數。另外，摩爾消光係數(${\displaystyle \varepsilon \,}$)也是用來衡量組織吸收性質的重要參數，可以從${\displaystyle \mu _{a}\,}$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(${\displaystyle HbO_{2}\,}$)與氧分子結合，而脫氧血紅蛋白(${\displaystyle Hb\,}$) 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脫氧血紅蛋白的吸收光譜。在420納米、580納米處，(${\displaystyle Hb\,}$) 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；(${\displaystyle HbO_{2}\,}$)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，(${\displaystyle HbO_{2}\,}$)摩爾消光係數的降低要比(${\displaystyle Hb\,}$) 更快。${\displaystyle Hb\,}$與${\displaystyle HbO_{2}\,}$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${\displaystyle HbO_{2}\,}$和脫氧血紅蛋白${\displaystyle Hb\,}$的濃度：

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{1})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{1})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{1})C_{Hb}\,}$

${\displaystyle \mu _{a}(\lambda _{2})=\ln(10)\varepsilon _{HbO2}(\lambda _{2})C_{HbO2}+\ln(10)\varepsilon _{Hb}(\lambda _{2})C_{Hb}\,}$

圖2：水的吸收光譜^[4]。

其中，${\displaystyle \lambda _{1}\,}$和${\displaystyle \lambda _{2}\,}$表示兩個不同的波長；${\displaystyle \varepsilon _{HbO2}\,}$和${\displaystyle \varepsilon _{Hb}\,}$分別是${\displaystyle HbO_{2}\,}$和${\displaystyle Hb\,}$的摩爾消光係數；${\displaystyle C_{HbO2}\,}$和${\displaystyle C_{Hb}\,}$則分別是${\displaystyle HbO_{2}\,}$和${\displaystyle Hb\,}$的濃度。血氧飽和度（${\displaystyle SO_{2}\,}$）可表示為

${\displaystyle SO_{2}={\frac {C_{HbO2}}{C_{HbO2}+C_{Hb}}}}$

水

儘管水對於可見光幾乎透明，但在近紅外區則有著較強的吸收。考慮到組織中水所占的比例之高，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，細胞核和粒線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 (${\displaystyle \mu _{eff}\,}$)表示：

${\displaystyle \mu _{eff}={\sqrt {3\mu _{a}(\mu _{a}+\mu '_{s})}}}$

圖5：傳播散射係數隨波長的變化（人類乳房組織）^[9]。

其中${\displaystyle \mu _{s}^{'}}$稱為傳播散射係數，定義為

${\displaystyle \mu '_{s}=\mu _{s}(1-g)\,}$

這裡${\displaystyle g}$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${\displaystyle \lambda \,^{-0.7}}$^[9]的依賴關係。當組織深度較深（${\displaystyle d\,}$ >> 1/ ${\displaystyle \mu '_{s}\,}$）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λ_min = 686 nm; 光學窗口 = (634 - 756) nm.

有效衰減係數最小值點λ_min = 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λ_min = 730 nm; 光學窗口 = (664 - 932) nm.

有效衰減係數最小值點λ_min = 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λ_min = 730 nm; 光學窗口 = (656 - 916) nm.

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

動脈的吸收光譜:${\displaystyle SaO_{2}\,}$ ≈ 98%（動脈血氧飽和度）。在此情形下氧合血紅蛋白占據主導地位，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:${\displaystyle SvO_{2}\,}$ ≈ 60%（靜脈血氧飽和度）。在此情形下氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的貢獻相當。

乳房組織的吸收光譜:要定義${\displaystyle StO_{2}\,}$（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。這裡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${\displaystyle StO_{2}\,}$ = 0.2 x ${\displaystyle SaO_{2}\,}$ + 0.8 x ${\displaystyle SvO_{2}\,}$ ≈ 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