医学光子学的发展源于医学的迫切需要，其研究的对象直接针对生物组织，特别是活的人体组织。要了解光与生物组织相互作用，需要回答如下问题：

光辐射生物组织后，光子的传播过程涉及组织体内的散射与吸收，以及边界的反射与投射。图1-1给出了垂直入射的一束光进入组织体后的传播示意图。

从图中可看出：

1) 光进入组织后，很多光子的传输方向在不断改变，这是因为散射造成的；

2) 但总的看来，光子“向前”的几率大于“向后”的几率；

3) 当光子遇到吸收团之后，则会被其吸收。同一吸收团可吸收来自不同位置、经历了不同路径、不同散射次数的光子（如吸收团A1）；但有些吸收团（如A3）可能从未吸收到光子；

4) 光遇到边界时，如在组织－空气界面，光子可能被全内反射而从组织边界发射回来，也可能穿过边界而离开组织。

生物组织中的吸收团在吸收光子后，会将光能转换成其它形式的能，如热能、机械能、化学能等。从而引起一系列的生物学效应，如热效应、机械效应、光化学反应等，这些都是光治疗的基础。生物组织中的吸收团在吸收光子后，也会引起光子的再发射，再发射光子频率、及发射光强度的改变将能提供生物分子的结构信息，这对生物组织的光学诊断是至关重要的。因此，准确获取光在生物组织的传输与分布即是光子医学诊断与治疗的基础。

未与生物组织进行能量交换的光子，其频率保持不变。这些光子在空间上的分布也与组织结构与功能密切相关。准确获取光在组织中的传输与分布，还需要建立能描述组织结构的空间及分布、吸收特性、折射率的模型。

因此，描述光在生物组织中传输常结合两种理论：经典的电磁理论常被用于描述光传输的动力学问题（如关于散射截面的计算）；而光子的概念常常在描述诸如吸收、光子发射与拉曼散射等分子跃迁过程。

在可见及近红外波段，光在组织中的多重散射很显著。所以直接应用电磁理论来解释组织光学问题异常复杂的。因此，在研究光在生物组织的传输与分布时，是从光的粒子性出发，即利用辐射传输理论来描述光在组织中的吸收与散射，它忽视光波的偏振和干涉现象，只追踪介质中光能量的传输。其实辐射传输理论隐含了光的经典理论和量子理论。该理论并不仅仅应用于光在生物组织中的传输，在其他重要场合比如中子传输和热力学都有用到。

辐射传输理论中，是从光的粒子性入手，根据光子在传输过程中的产生和消失机制，即光子与物质的相互作用后，并结合光的粒子性和能量（粒子数）守衡定律，建立起来的一般情况下的非线性辐射传输方程。把光的传输看成是一群分散的光子流在介质中的吸收与散射过程，且认为散射不改变能量，虽然荧光或拉曼频移时发生时会使得能量发生变化。光与组织的相互作用用吸收截面、弹性散射截面、及反映散射分布的相函数决定。

辐射传输理论是一个经验模型，与描述多重散射的电磁理论相反，它缺乏严格的物理基础，它也不涉及光的干涉与衍射，认为各粒子的辐射是各自独立的，其重点考察的是光的能量，而忽略了光的波动性，如波的幅度和相位。

即便如此，组织光学中辐射传输理论得以快速发展，并广泛应用于生物医学领域。当然，其在解释单个粒子尺度远大于波长的米氏散射的相函数还存在问题，散射粒子的尺寸与细胞直径相近时，米氏相位函数与软组织的实验数据相吻合。但这并不意味着组织可以简单看作是群细胞的累加，因为细胞器与组织间液并不都是光学透明，因此，有着不同的散射参数。因此，辐射传输理论的适用性还有等进一步证实。

尽管辐射传输理论的物理基础并不严格，但其在研究光在生物组织中的传输规律时能与实验结果很好地吻合，当然，其在类似于肌肉这样一类特定结构的组织，吻合得并不是很好，这可能是肌纤维的排列使用权得光的干涉效果过于明显，而不能看作是一种随机的散射。

此外，辐射传输方程应用于生物组织时，并不能得到精确解。在辐射传输理论的其它应用中，可以将问题分为在三个情况：低散射介质（散射粒子所占体积分比小于10），中等散射介质，高散射介质（散射粒子所占体积分比小于10）。对于低散射介质，多重散射理论的第一级就可以给出了在任意位置的光子能流密度，此时，可以忽略来自其它粒子的散射。这种情形通常不仅适用于生物组织，但可以用于稀释的血红细胞液等。

生物组织可看到是高散射介质，此时，可以将辐射传输方程用扩散近似理论来简化。此时，可以利用解析方法也获得扩散近似的解，也可以采用其它数值计算方法，这可以用于激光与生物组织相互作用；扩散理论的有效性仅限于高散射情形，且依赖于散射中心的平均距离、光学反照度以及光源-组织-探测器的几何形状等。当然这已包含了光子医学应用的可见光到近红外波长区域。

对于传输理论无法解决的情况下，最有效的还是蒙特卡罗方法模拟光子传输。把光子与粒子的相互作用看成是随机的吸收与散射过程，跟踪单个光子的运动轨迹，模拟有限多个光子来得到其统计分布。扩散方法方程能够解决空间角度的分析问题，及许多其它技术中。蒙特卡罗模拟就是一种非常灵活的方法，它能够处理任何光源、任何探测器、任意边界、以及具有任何光学特性的生物组织。

严格说来，中等散射介质最难处理。许多空间事件，光通过层状组织时是用前向与后向光子流来描述。这种近似包括Kebelka-Munk模型，在早期组织光学研究中得以广泛应用，特别适用皮肤组织，但有两方面限制：一方面，衰减系数没有严格的物理解释，其值取决于对边界条件的设定；另一方面，该模型的有效性范围也没有划定，且不适用于多数的生物组织。但它在粒子尺寸远小于或远大于波长两种极端情况可能有效，前一种情形对应于各异同性的散射，可以直接推出扩散理论；后一种情形则对应于前向散射，它可以由辐射传输方程来得到精确的解析解。所以Kebelka-Munk模型在生物医学中的应用受到限制。

所有这些研究光传输的方法在实际的情况中得以成功应用。波动现象可以解释为在局部光场分布。至于以未来的组织光学研究中是否会需要用于电磁理论还有待观察，但辐射传输理论在组织光学中的作用暂时不可取代。

测量组织光学特性参数的方法很多，从不同的角度看，对测量方法的分类是不同的。

从生物组织本身所处的状态来考虑，可分为在体测量与离体测量。生物组织光学特性参数的在体测量可以直接应用于疾病的光谱学诊断及治疗过的在体监测。相比之下，离体测量最大的优点在于它能够分别考虑组织（如皮肤是由真皮和表皮组织成的）的层状结构，同时还可以对组织的某些成份（如血液等）进行测量。

而反演算法的角度来看，组织光学特性参数的测量方法通常分为直接测量和间接测量。直接测量技术获取光学特性参数，不需要用到复杂的传输理论，它通过非散射的透射测量、有效衰减测量、以及对单次散射相函数而言的光的角分布的测量来实现。间接测量技术又分为迭代与非迭代的方法，在获取光学特性参数时需要涉及到复杂的光子传输模型。对非迭代方法来说，光学特性参数与测量值间的关系是显性的，Kubelka-Munk和三通量模型都属于间接的非迭代方法；对迭代法来说，测量值与光学特性参数的关系是隐含的，一般是先假定光学特性参数，以此来计算反射与透射量，然后将其与测量值相比较，直到满足一定精度，即通过多次迭代的方法来获取光学特性参数。下面加以分述。

直接测量技术获取光学特性参数，仅用到了Beer定律，可通过非散射的透射、光通量的衰减测量直接获取组织的光学特性参数，即总的衰减系数mt及有效衰减系数meff 。图8.1给出了这种测量方法的原理图。

总的衰减系数mt可通过非散射的透射测量来得到，如图8.1(a)所示。但要求样品必须非常薄，以避免光通过样品时可能出现的多次散射；实验结果受光束的几何形状、样品特性、实验方案及边界上多次散射的影响也较大。这种测量方法从概念上看很简单，但实现起来却很困难，其问题在于很难把轴向的散射光从非散射光中分离出来。

有效衰减系数或有效穿透深度是通过组织间隙通量密度的测量得到的，如图8.1(b)所示。这种方法非常简单、应用的也较为普遍。它是将光纤探测器置入被辐照样品的光扩散区域来实现的，但受光纤直径的影响较大，同时光纤的位置、光纤相对于入射光束的方向及数值孔径都会引起测量误差。如果采用多束光纤，从各个方向进行探测，将可以提高测量精度，但这对被测对象来说却是异常痛苦的。

这种技术涉及到一些较为简单的数学模型，如Kubelka-Munk理论及扩散理论，它们建立了组织光学特性参数与透射、反射的测量值间的关系。

在扩散辐射的情况下，根据漫反射与漫透射的测量值，利用Kubelka-Munk理论，便可得到Kubelka-Munk吸收系数与散射系数（AKM，SKM），如图8.2(a)所示。进一步在获取准直透射的基础上，便可得到全部的光学特性参数，即ma、ms与g，如图8.2(b)所示。

由于Kubelka-Munk理论的测量方法只适用于扩散光源，而完全的扩散光源并不存在，测量的准确性因此而受到影响，特别是对高散射的生物组织而言，误差更大。但此法能很快地获取光学特性参数，所以在用Monte-Carlo方法计算光学特性参数时，常用它来选取模拟所需的初值。

与非迭代技术不同，迭代方法是在测量的基础上，通过迭代程序获取辐射传输方程的解，如Adding-Doubling方法及Monte-Carlo方法等。在测量总的反射和透射光强后，就能得到吸收系数ma和约化散射系数m¢s =ms(1-g)，如果同时测量得到了准直的透射光强或相函数，便可获取全部光学特性参数，如图8.3所示。

迭代方法通常能对非匹配的边界及多层介质的情况加以修正，这些方法常需要对厚度均匀的样品进行两个或三个量的测量，便能得两个或三个光学特性参数。

从应用的角度来看，人们总是希望得到针对活体情况下相关人体组织对不同波长的光学特性参数值。换言之，组织光学的第二个任务的终极目标是发展合适的方法，实时、在体获得活体组织的光学特性参数，以反映组织对光的吸收与散射。遗憾的是，组织光学目前还没有完全解决这一问题。这是因为生物组织的复杂性决定的，如何准确探测组织光学参数，这一工作还远没有结束。即使是离体组织光学特性参数也并不全知，在体的组织光学特性参数更难获得。正因为如此，有关生物组织光学特性参数的测量方法与技术仍在不断改进，将逐步完善。

1. 朱丹，《组织光学》，自编讲义，华中科技大学， 2008

2. 谢树森，李晖，陆祖康，组织光学概要，物理，27（10）， 1999

3. Vo-Dinh Tuan：Biomedical Photonics Handbook, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2003

4. Welch A. J., Van Gement M. J. C. Optical-thermal response of laser-irradiated tissue, Plenum press, New York and London, 1995.

5. Tuchin V. V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis, in: Bellingham, WA: SPIE Optical Engineering Press, 2000

6. Wang R. K., Tuchin V V., Advanced Biophotonics: Tissue Optical Sectioning, CRC Press, 2014