生物组织中的光穿透深度_李晖

1 .10
4.2
从表 1 可见 , 如果穿透深度被定义为宽光束平
行光照射下组织内光能流率衰减到与入射的光能流
率相比为 1/ e 时的深度时 , 那么穿透深度将不再是 由(3)式所给出的基本光学性质参数的导出量 δ, 而 是这个量的若干倍数 。
2 .各向同性点光源光束入射到无穷大组织介质 中的情形 当考察点 r 远离光源时 , 也可以用漫射 理论描写光分布 , 得到的解为
(2)
δ=
1
3 μa(μa +μs(1 -g))
(3)
(3)式就是(有效)穿透深度现有含义 , 也是所有文献
所采用的定义 。它在许多情况下被想当然地解释为
组织内光能流率被衰减为入射光能流率 0(也有人
用内表面光能流率 1)的 1/e 时从组织表面(Z = 0)算起光传输的距离 。 我们以为 , 这实际上是一个
是通常所关心的治疗深度(范围)。
综上所述 , 现有文献所采用(有效)穿透深度的
定义在许多情况下被误会为组织内光能流率被衰减
为入射光能流率或表面光能流率 1/e 时光传输从组 织表面算起的距离 。现有穿透深度的定义不过是描 写漫射理论的由基本光学性质参数导出的一个特征
量 , 在描写光的真正穿透深度上 , 它既不具有普遍意
不是恒定的 , 而是因照射方式而异的 。 因此 ,(3)式所给出的定义基于漫射理论 , 不过
是描写漫射理论的由基本光学性质参数导出的一个
特征量 , 只有以宽平行光束照射为前提 , 才与真正意
义的穿透深度有一定的比例关系 。如果穿透深度被
定义为与入射的光能流率有关的话 , 那么穿透深度
将不再仅是基本光学性质参数的导出量 , 而是兼与
当生物组织的光学性质参数已知 , 照光的具体 细节给定后 , 生物组织内的光能流率分布可以由有 关的 传输 模型 惟一 地确 定[ 4] 。 一般 情况 下 , 只 能 给出数值解 。根据已有的研究成果 , 已经大 致了解
作者单位 : 福建师范大学激光研究所(福州市 , 350007)
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DO I :10.13480/j .issn1003 -9430.1999.01.017 中国激光医学杂志 1999 年 2 月第 8 卷第 1 期 Chin J Laser Med Surg , February 1999, Vol 8, No .1
生物组织中的光穿透深度
·专家笔谈·
李晖 谢树森
述两种常见照射方式考虑为理想化情形 :前者由窄
变为易处理的宽平行光束 , 后者则简化为点光源 。
1 .最简单的连续宽光束垂直入射到半无限大
组织介质中的情形 当考察点 Z 远离边界时 , 可以
用漫射理论描写光分布 , 得到的解为
(Z )∝exp(-∑effZ ) 其中 ∑eff 为有效衰减系数 , 其倒数为
光在单一的生物组织中传播的基本图象 。 在可见光
范围内生物组织具有强散射的特点 。一般地说 , 由
于散射 , 组织内表面的光能流率 1 要比入射的光能 流率 0 大 2 ～ 8 倍 , 而且组织内光能流率也有可能 存在一个极大值 , 具体情况取决于组织的散射和吸
收性质以及光的照射方式 。 这里特别强调光的照射
作用的有效区域的一个参量 , 那么应该由光在生物
组织中的传输规律 、生物组织的光学性质以及照光
方式所确定 。
由于生物医学应用中所涉及的光源多为激光器
直接输出的准直光束 , 或经光纤传输后以平切 、球形
或柱形光纤头输出的光束 , 光纤要么被插入组织内
要么由内镜系统送入腔脏器照射 , 因此为了解所对
应实际照射方式的一些特点 , 更为了说明方便 , 将上
4 谢树森 , 李晖 , 陆祖康 .组织光学概要.物理 , 1998, 27:599-604 . 5 谢树 森, 黄禄华 , 郑蔚 , 等 .人肺组织中光穿 透深度的测量 .中 国
激光医学杂志 , 1995 , 4 :87-91 . 6 谢树森 , 李晖 , Chia Teck Chee.生物组织光学性质的测量原理与 技
会议由编委会主任陈明哲主持 , 编辑部主 任余兴汉向编委 们作工 作汇报 。 余 兴汉同 志汇报说 , 自 1994 年 9 月 15 日召 开 编委会第一次全国会议以来 , 杂志坚持社会主义大方向 , 围 绕办刊 宗旨 , 坚决贯 彻学术 上的“ 双百” 方 针和坚 持提高 与普及 相 结合以提高为主的办刊方向 , 质量不断提高 , 受到广大读者的喜爱 。 四年来本刊 先后进入 了国家科委 中国科技 信息研究所 信 息分析研究中心采用的“中国科技论文统计源期刊” , 清华大学的 国家光盘中心电子 期刊出版 物 , 中国 医学科学 院医学信息 研 究所筛选的 200 种高水平 期刊行列和英文版中国生物医学文献数据库 , 还进入国 家科委信息所“ 中国信息网资源系统《 电子 期 刊》” , 在因特网上提供信息服务 。 1997 年还荣获中国科协 择优支 持基础 性和高科 技学术 期刊的 专项资 助 。 最近国 家科委 信 息中心检索表明 , 我刊“ 影响因子”排在中国科技论文统 计源期刊(总数 1214 种)的前 1/ 3(属第一方阵)。 本刊学术地位不断 提 高 , 对外影响力日益增强 , 来稿范围越来越宽 , 全国许多 著名的研究机构 、医学院校和医院投稿踊跃 , 形势令人鼓舞 。
光穿透深度被普遍用来直接说明光在生物组织 中的衰减情况 。 由于光在生物组织中传输的特殊性 以及所呈现的复杂性 , 许多文献对光穿透深度的含 义解释得还不够到位 。 因此 , 极有必要对此深入探 讨一番 。本文中我们试图从光剂量学的角度 , 澄清 使用光穿透深度时所存在的一些误解 。
首先 , 应明确光的具体含义 。 光究竟是指光强 、 光亮度 、光通量 、光功率 、光照度抑或光能量 , 取决于 我们所关心的对象 。 已经知道 , 对光剂量有实际意 义的是所谓光能流率[ 1-3] 。 空间坐标 r 处的光能流 率是亮度 L(r , s)对 4π 立体角全积分 , 即
照射方式有关的一个具体参量 , 不妨用下式表示
Depth = Depth(n , μa μs , g , f ) (6) 其中 n 、μa 、μs 、g 分别表示生物组织的折射率 、吸收 系数 、散射系数和散射平均余弦 , 它们都是波长的函 数 ,而 f 代表照射方式 , 如光束 直径 、入射角 度 、光 纤 、空气接触等情况 。 应指出这里的穿透深度还不
(r)∝
1 r
exp[
-∑eff(r
-a )]
(5)
其中 a 为光源的半径 。 从(5)式中不 难看出 , 有效
衰减系数 ∑eff 仍然是一个特征量 , 但其倒数在这里
并不与上述的修正穿透深度直接相联系 。 这种照射
方式 , 组织内的光能流率随距离的衰减比宽光束平
行光更快 。 由此显见 , 不同的照射方式 , 穿透深度并
术 .中国生物医学工程学报 , 1997 , 16 :327-332 , 382. (收稿日期 :1998-11-02)
中国激光医学杂志编辑委员会第二次全国会议在京召开
中国激光医学杂志编辑委员会第二次 全国会议 于 1998 年 10 月 26 日在 第四 届全国 激光 医学 联合学 术交 流大会 期间 举 行 。 参加会议的有副社长兼编委会主任陈明哲 、副社长 盛林 、主编李峻亨 、副主编许松 林 、谢 树森 、余兴汉(高孟 林副主编因 事 临时请假)及来自全国的常务编委 、编委共 19 人 。
方式 。对于同一种组织 , 其组织内的光能流率分布
还因照光方式的具体情况而异 。 例如 , 对采用细光
束照光方式来说 , 垂直入射和斜入射产生的光分布
就大不相同 。 使用平切光纤作为输出端时 , 是紧贴
着组织还是在二者间留有空隙 , 效果差别极大 。 因
此 , 光穿透深度如果是一个描写光与生物组织相互
中国激光医学杂志 1999 年 2 月第 8 卷第 1 期 Chin J Laser Med Surg , February 1999 , Vol 8 , No .1
误会 。其实穿透深度原本是用来说明平行光本身因
散射和吸收而被衰减的的一个特征长度 。由于光在
生物组织中传播的复杂性 , 套用这个表述来说明漫
射光的衰减情况是不恰当的 。 文献[ 5] 已经指出了
这个问题 , 并引入 一个后 向散射 因子 K 值来解 决
之 , 但是如果把 K 0 理解为组织内表面的光能流率 1 将产生新的矛盾 , 原因在于漫射理论的解(2)式
在组织表面是不适用的 , 即使加上因子 K 也不能改 变这个事实 。 因此 , 因子 K 不应该看成是组织内表
解的范围 穿透深度 修正穿透深度 Z(mm) δ(mm) Z e(mm)
肌肉 10 .34 exp (-Z/5 .06) >5
5 .06
18 .8
脂肪 3 .45 exp (-Z/ 4.31) >5
4 .31
11 .3
肝 5 .43 exp (-Z/ 1.20) >3
1 .20
3.7
肺 10 .93 exp (-Z/1 .10) >3
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中国激光医学杂志 1999 年 2 月第 8 卷第 1 期 Chin J Laser Med Surg , February 1999, Vol 8, No .1
tion i n medi cine and biology .SPIE Institute Series .Vol IS 5 .1989.114131 . 2 谢树森 .激光医学中的光辐射量 .中国激光医学杂志 , 1993, 2 :108-114 , 120. 3 黄卓正 , 李峻 亨 , 主编 .现代激光医 学.南 宁:广西科学技 术出版 社 , 1996.46-49 .
为了更好地说明这个问题 , 这里引用文献[ 6] 中
的实例 。 图 1 给出了在 632 .8 nm 宽光束激光垂直
照射下 4 种猪组织光能流率随深度的分布曲线 , 纵 坐标代表光能流率 , 单位为 mW/ cm2 , 入射光能流率
0 约为 0.68 mW/ cm2 , 内表面光能流率 1 因组织不
∫ (r)= L(r , s)dω 单位 :mW/ cm2 (1) 4π
因此 , 光治疗或激光医学上的光穿透深度中的“光” 应该指光能流率 , 而不是其它熟知的光参量 。
其次 , 应对本文讨论范围限定适用条件 。 对于 脉冲光特别是超短脉冲光 , 因其在生物组织内的响 应有不同于连续光的新特点 , 应另做研究 。 对于强 激光 , 在照射的过程中生物组织本身也在发生变化 , 是复杂的动态过程 。 因此 , 本文讨论范围只限于连 续的所谓弱光的情形 , 即生物组织在连续光照过程 中不发生不可逆的变化 。 这里强调的是生物组织宏 观性质的不变性 , 并不排除光刺激下生物组织产生 的一系列应答反应 。 换句话说 , 我们把活生生的组 织看成一种相对稳定的离散随机介质[ 4] 。我们关心 的是光在这样介质中的传播以及光能量分布情况 , 至于光与生物组织在细胞 、亚细胞和分子水平上的 相互作用问题则属于光生物学领域研究的课题 。
义 , 又是同人们固有的深度概念相抵触的 。如果穿
透深度被定义为与入射的光能流率有关的话数的导出量 ,
而是兼与照射方式有关的一个具体参量 。 因此 , 如
果再谈到穿透深度时 , 应当有相应地分析和甄别 , 以 避免和排除不必要的误解 。
参 考 文 献
1 Svaasand LO , Gomer CJ .O ptics of ti ssue .In :Dosimetry of laser radia-
面光能流率 1 与入射光能流率 0 的比值 。如果 K 是(2)式延长线与 Z =0(表面)时的数值与 0 的比 值 , 那么光能流率衰减到入射光能流率 0 的 1/ e 时 的穿透深度为
Z e =δ[ 1 +ln(K)]
(4)
这才是文献[ 5] 中所指的穿透深度的真正含义 , 不妨
称为修正的穿透深度 。
同而异 。 用漫射理论的解(2)式拟合得到 4 种猪组
织光能流率随深度的拟合分布 曲线函数及适 用范
围 、穿透深度和修正的穿透深度 , 分别列入表 1 。
图 1 4 种离体猪组织中的光能流率分布曲线
表 1 632.8 nm 宽光束激光垂直照射下猪组 织
光能流率分布函数及穿透深度
猪组织 样品
漫射拟合解 Υ(Z)=