医学光子学基础

医学光子学基础 关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”（tissue optics）作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学（包含光诊断和光治疗）的前提。 组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：
光在生物组织中传输理论研究 目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。
光传输的蒙特卡罗模拟计算 蒙特卡罗（monte carlo）计算模拟方法，已在许多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。
组织光学参数的测量方法和技术 在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数，即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率或其它参量全反射率r全透过率t等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。
生物组织折射率及色散关系 人们在各种情况下使用假设的折射率数据（1.33-1.38），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及方法作为重点之一开展研究。
组织光学理论工作的几点思考
综上所述，作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库外，在理论上可着重考虑以下几个问题： a.继续改进生物组织光传输模型，一要发展受限制少、快速而又精确的模型；二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是活体组织状态相近似； b.研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射光的时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备； c.研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将受振幅调制的光照射到组织上会产生慢散射光子密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又可以用来成像； d.研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明，这种影响是不可忽略的 e.对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机模拟，通过大量模拟，找出简单而有效的规律来说明光在组织中传输的基本性质，并在各种参数之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据； f.统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的组织光学理论体系。