组织光学的概论及其运用

组织光学是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科.
人类对生物组织在光辐射下的物理或其他变化的研究,可以追溯到很久以前. 自从60 年代出现了激光,情况有了质的变化. 在生物医学领域中，激光不仅开辟了研究生命科学的新途径，而且为临床诊治疾病提供了新手段。把握机遇的需要加强了人们了解光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识的愿望。光辐射与生物组织的相互作用的各种因素极其错综复杂，涉及面很广。从根本上说，光和生物组织相互作用后所引起的生物组织方面的任何改变,都可视为光的生物效应. 从物理、化学、生物学观点看来,光特别是激光对生物组织的主要的基本效应可以粗略地归纳为热、力(压领域中,激光不仅开辟了研究生命科学的新途强) 、光化学反应、电磁场效应和生物刺激作用等. 究竟哪种效应起主要作用,将取决于光的参数尤其是光的强度. 在激光医学的诊断和光敏治疗中,需要的是可见光到近红外波长范围内的弱光(激光). 所谓弱光,即不会造成生物组织机体不可逆性损伤的光. 为此,在一定光照条件下的

反射率、透过率以及组织体内的光分布等,正是前述的始于70 年代、目前正处在临床实用化边缘、应用于肿瘤的光动力学疗法所需要的参数. 由于生物组织的多样性和复杂性,使得传统的一些方法遇到了无法逾越的困难,必须另辟蹊径.
在这样的背景下,组织光学诞生了. 它的兴起,或者说复兴,应该以1988 年11 月在美国osa 年会上对其进行的专题讨论为标志,此次会议首次专门讨论了哺乳动物组织的光学特性. 1993 年后,《applied optics 》几乎年年都出专集,特别是1996 年,

《applied optics 》鉴于单靠不定期出专集已不能反映迅速变化的情况, 索性将其分册《optical technology 》易名为《optical technology and biomedical optics 》. 其他重要的光学期刊也曾以组织光学为主题出过专集或相关文章. 迄今,各种大小会议特别是spie 组织的国际会议涉及组织光学的论文数量与日俱增,越来越多的科学家特别是物理学界同仁纷纷加盟其中. 组织光学研究的繁荣景象说明这个学科有很强的应用背景,其中的重大成果将类似于x 射线的发现与应用以及ct 技术的发明在人类文明史上所起的推动作用,有可能创造新的高科技产业以及随之而来的巨大经济利益.

在国内,组织光学的研究起步较晚,研究单位和人员数量少,为数不多的文章涉及光动力学疗法中的剂量问题、生物组织光学性质的测量理论与技术[ 1 ] 、蒙特卡罗计算方法模拟生物组织光分布[ 2 ] 、微弱生物发光机制与探测等方面,零星散见于国内几种光学类杂志上. 需要特别指出的是,国内组织光学方面的研究常常以激光医学的面目出现,在人们的普遍观念中它被纳入医学范畴,这其实是一个误解. 实际上, 相当一部分的激光医学临床研究由于缺乏组织光学基本理论指导,存在着极大的盲目性,比如仅在激光治疗的剂量标准上就有各种以讹传讹的误会. 因此,我国激光医学的进一步发展受到了限制. 尽管如此,已有不少大学和研究所中物理出身的研究人员开始转向组织光学方面的研究. 可以预期,国内在组织光学领域的研究也将迎来一个大发展时期,最终与国际趋势同步合拍乃至在某些方面领导世界潮流.

总之,组织光学可以说是研究生物组织光学性质的学科,它既是生机勃勃的医学光子技术的理论基础,也是进一步发展光医学(包含光诊断和光治疗) 的前提. 具体地说,组织光学首要任务是确定光辐射能量在一定条件下在组织体内的分布,其次是发展活体组织光学特性的测量方法. 也就是说,组织光学要回答这样一些问题,比如:光在组织中如何通过或者说光如何在组织中传播? 光及其分布又怎样被测量? 这些问题貌似简单,然而却是相当棘手的. 特别应当指出,作为一门新的学科,组织光学随着生物医学光学的发展而孕育萌芽,但是其成长相对落后于实践对它提出的要求,而且已经成为生物医学光学继续发展的瓶颈之一. 虽然近年来新的研究专题及研究方向不断出现,已经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,可以说是仍在襁褓之中. 目前,主要研究热点有6 个方面:光在组织中的传输理论、组织光学特性参数的测定方法与技术、光剂量学、光动力学疗法中的光子学技术、生物组织的实体光学模型、人体光学成像术等. 需要指出的是这些方面并不包括所有涉及组织光学及其应用的其他进展.

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