組織的光學特性及其成像基礎（一）
生物組織的光學特性，影響著光在組織中的傳輸，也是醫學光譜和成像診斷的基礎。影響光在生物組織中傳播的三個物理過程是反射和折射（reflection?and?refraction）、?散射（scattering）、吸收（absorption）。這三個過程分別用以下參數來描述：折射率、?散射系數、吸收系數和各向異性。在反射、吸收或散射中，哪一種損耗為主，取決于生物組織的類型以及入射光的波長。波長是非常重要的參數，它決定了折射和吸收以及散射系
數。
1.反射和折射定律：
反射（Fresnel定律）：反射表面是折射率不同的兩種材料的邊界如空氣和組織的交界。簡單的反射定律要求入射和反射光束的波法線與反射表面的法線處在同一平面（入射面）內，反射角等于入射角。這個表面被認為是光滑的，其表面不平整度與輻射度波長相比很小，這種情況就是所謂的鏡面反射。相反，當反射表面的粗糙度較大或大于輻射的波長時，就出現漫反射。這樣，被反射的許多光束并不一定處于同一入射平面，表征反射定律的公式不再適用。漫反射是所有生物組織的一個共同現象，因為它們沒有一個象光學反射鏡的表面那樣拋光的表面。唯一的特殊情況是在潮濕組織表面鏡面反射可能超過漫反射。
折射：折射通常出現在具有兩種不同折射率的介質的反射表面分界處。它是由光波速度的變化引起的。
2.?全內反射：
臨界角：當光在組織中傳播時，正好發生全內反射的角度。
3.散射
(1)???碰撞過程
光入射到組織內一具有限尺寸的折射率不同的粒子上時，部分入射光被散射。比
如，生物組織中的一種散射源是由于細胞內的細胞器和周圍細胞質的折射率的不同而引
起的。
（2）彈性散射：入射與散射光子的能量相同（沒有能量的交換）。
非彈性散射：散射光子與入射光子的能量不同。
準彈性散射：當光子被運動粒子如血細胞散射時，由于多普勒效應，對發生微小的能量變
化。
（3）在生物醫學光子學中，散射現象對診斷和治療都具有重要的作用：
診斷：散射取決于組織中各成分（如脂質膜、核、膠原纖維）的大小、形貌以及結構，由疾病造成的這些成分的變化會影響散射特性,因此,提供了一種疾病診斷的方法，尤其在成像方面有重要的應用。
治療：散射信號能用來確定最佳的光劑量(特別是激光治療),在治療時提供有用的反饋信息.
4.吸收
（1）吸收：由于部分光能轉換成熱運動或者是吸收材料中分子的某種振動。
（2）透明與不透明：一個完全透明的介質允許光通過而不吸收，即從這個介質中進入的總輻射能量與出射的能量時相等的。（如：角膜和晶狀體）使入射輻射幾乎降為零的介質稱為不透明的。
透明和不透明是相對的，取決于波長。
（4）呈現一般吸收：如果物質對一定光譜范圍內的所有波長的強度衰減程度相似，這個物質就被稱為呈現一般吸收。
可見光下，這種物質在眼睛中呈現為灰色。
（5）選擇性吸收：是對特定波長的吸收比對其它波長的吸收強。
顏色的存在實際上產生于選擇吸收。通常，體色和表面顏色是有區別的。
5.混濁介質
吸收和散射時，假定散射或者吸收其中之一存在，而在大多數生物組織中，吸收和散射同時存在，這些介質被成為混濁介質。
6.組織的折射率
介質的折射率決定了光在介質中的傳輸速率,折射率的變化,無論連續或者突變(例如,邊界)會造成散射、折射和反射。
絕大多數組織中含有相當大量的水分，它的折射率為1.33，是液體和軟組織成分所具有折射率的最小值。
其他的軟組織成分中：黑色素顆粒的折射率最大,為1.6，黑色素廣泛地存在于皮膚的表皮層所有的組織—包括部分腦組織、大動脈、肺、胃、腎和膀胱，它們的折射率在1.36和1.4之間。
細胞外液和細胞質的折射率為1.35～1.38；脂肪組織的折射率為1.45左右；細胞和亞細胞器膜主要組分是脂類,細胞質和這些脂類結構折射率的不匹配；正是許多細胞組織散射的根本原因，對于硬組織,牙齒琺瑯的折射率在可見光范圍內測量值為1.62，而人體中各種骨頭所對應的具體折射率的值很少見到報道。
7.組織的散射特性
在折射率有空間變化的地方,就會發生散射。折射率的空間變化既有連續的，也有突變的（如散射粒子的局部分布）。在細胞組織中,?亞細胞器官是很重要的散射體，它們的大小尺寸為<100nm到6微米，涵蓋了治療窗口（600～1000nm）。
線粒體大小一般在0.5～2微米之間。線粒體除了被包圍在脂質膜以內，內部還含有脂質的褶皺，這種結構使得這些細胞器官與周圍細胞質能產生高的光學對比度，并產生強散射效應。
最大的細胞器官是細胞核,其大小在4—6微米的范圍內。內質網和高爾基體是次大的細胞器官，另外還有容酶體等。對不同的組織，細胞的形狀和大小也不同，一般為幾個微米或更大，單個細胞是一個強散射體，但是在組織中，散射主要是由亞細胞結構引起的。在皮膚中，黑色素組織散射很強，其大小在100nm到2微米之間，這些組分包含黑色素顆粒，這些顆粒象珠子一樣串在一起。
在血液中，紅血球是強散射體；結締組織，由細胞和細胞外蛋白質如彈性蛋白和膠原等組成，用于提供支持和機械保護，這些組織的散射特性，在微觀上是由于組成的不均勻，在宏觀上是由于它們所構成的結構的變化。從微觀上看，其特征大小在亞波長量級，散射屬于瑞利散射；比如，膠原原纖維呈可以產生瑞利散射的帶狀結構，其周期為70nm，比治療窗的波長小10倍
