生物組織光學

生物組織是高散射介質，當激光入射到組織，一部分被吸收，大部分被散射。光的散射服從統計規律。經過組織的吸收和散射，入射光的特性(光強度、相干性、偏振性、方向性等)有所改變，其改變的程度取決於生物組織結構及入射光波長。

根據散射理論，透過生物組織的光有三種（圖1）: 彈道光子; 蛇行光子; 漫射光子。

同時，生物組織的背向散射光也由三部分組成: 單次背向散射光，與彈道光相似; 幾經散射的背向散射光，和蛇行光相似; 以及背向漫射光，和透過漫射光相似。

生物組織光學成像技術在診斷中具有重大應用價值，主要由於其完全非侵入性、無損性、非電離化輻射，以及能夠顯示組織中各種化學組分，從而提供有用的功能信息。目前近紅外光成像裝置中一般可分為兩種類型: 時間分辨型及頻域調製型，如圖2所示。

時間分辨型是測量組織對超短激光脈衝(皮秒量級)的時間響應，一般用同步條紋掃描相機或時間相關的單光子記數(TCSPC)系統檢測組織表面出射光的時間分佈，利用光子飛行信息進行成像。彈道光子與蛇行光子合稱為早期到達光，亦稱為成像光，而漫射光是歷經多次散射的，是非成像光。基於三種光子的特性，散射介質的時間分辨光學成像又大致分為以下兩種類型: 直接成像法和間接成像法，如圖3所示。

頻域調製方法中，組織被強度調製的光束照明，激勵生物組織漫射光子在組織中傳播，強度隨時間和位置而變化形成光子密度波(Diffuse Photon Density Wave，DPDW)，出射的DPDW的幅度、相位和調製深度通常應用外差法進行測量。頻域方法採用連續波光源和探測器，價格較低。頻域法是基於漫射光子密度波圖像形成的基礎，由計算機重建不均勻介質的圖像。漫射光子密度波與組織的吸收係數和散射係數有關，通過這些變化的測量數據利用某些合適的逆演演算法進行成像。頻域法缺點是目前難以得到大功率高重複頻率源，目前一般採用的都是幾兆赫茲，等效於幾個納秒的時間解析度，光子密度波長為米量級。

超聲輔助光學成像(UAOI)

超聲具有良好的穿透性、可聚焦性等特點，但聲信號檢測時抗電磁干擾能力較差。根據生物組織光學特性參數的差異成像的方法前面已經介紹，但由於光的傳輸規律，外部激發光源很難選擇性地激發生物組織內部特定的待測區域。將光學技術和聲學技術結合起來，可充分發揮二者各自的優點。目前已經開展的該領域研究有三個方面: 光聲成像、聲光成像及聲熒光成像。

a.光聲效應是一種能量轉換過程，光聲信號的傳播與介質的聲學特性有關，因而用光聲信號來成像可大大豐富圖像信息，提高診斷的準確度。

b.生物組織聲光成像的研究近幾年剛開始，且一般都限於模擬實驗。

c.聲熒光成像通過接收聲致發光產生的光信號進行成像。

光聲結合用於生物組織成像，可改善接收信號的信噪比，所得圖像的對比度不僅取決於目標周圍的聲學參數差異，還與光學參數，甚至熱學參數的差異有關，因此圖像的解析度會大大提高。

因光波波長在散射介質中傳播時發生變化，以熒光成像為主的新的成像技術相繼發展起來。當激勵光子發生非彈性散射時，就會產生熒光、磷光及Raman散射等。熒光的光譜分佈、量子產率、熒光壽命等可以用作產生成像對比度的物理參量。利用熒光光譜的成像有單光子、雙光子和多光子熒光顯微成像。基於激發熒光信號與自發熒光信號在光譜段的重疊，為了減少自發熒光的干擾，有研究者利用時間門和熒光光譜成像結合起來。利用熒光的時間特性或熒光壽命進行成像是熒光成像的另一個方向，是一種功能成像方法，在醫學成像中發揮很大作用。前述的各種成像方法均可以用於熒光成像，如演變為熒光DPDW、時間分辨的熒光成像等，但需要加光譜分辨裝置選取合適的光譜範圍。