He-Ne激光辐射下人肺癌组织和正常组织光学特性

中国激光医学杂志 1998年第2期第7卷 论著

作者：陆祖康¹　郑　蔚¹　谢树森²　林棋榕²　周川钊²　林　挺³

关键词：组织光学；肺组织；光学特性；He-Ne激光

Optical Properties of Normal and Carcinomatous Human Lung

　　Tissue at 632.8 nm of a He-Ne Laser

Lu Zukang, Zheng Wei

　　Department of Optoelectronic and Scientific Instrument engineering, Zhejiang University, Hangzhou(310027)

　　Xie Shusen, Lin Qirong, Zhou Chuanzhao

　　Institute of Laser, Fujian Normal University, Fuzhou

　　Lin Ting

　　Fuzhou Pulmonary Hospital, Fuzhou

　　摘要　为了解正常肺和肺癌组织的光学特性，在原有工作基础上，应用自行研制的“光纤探针深度计”联合光纤探测系统，实现了He-Ne激光632.8 nm波长辐射下，新鲜离体人肺组织光能流率及其表面漫反射率的精确测定。获得该重要波长处人肺组织光能流率的分布规律及其光学特性参数的数值：(1)人肺腺鳞癌组织的吸收系数μ_a=0.09 mm^-1，有效散射系数μ'_s=1.19 mm^-1，有效衰减系数μ_eff=0.59 mm^-1，光穿透深度δ=1.70 mm；(2)人正常肺组织的吸收系数μ_a=0.15 mm^-1，有效散射系数μ'_s=1.42 mm^-1，有效衰减系数μ_eff=0.84 mm^-1，光穿透深度δ=1.19 mm，并将结果与现有相应肺组织的光学特性参数数据作了比较。该测量方法亦可用于人体其他组织光学特性的测量。

ABSTRACT

　　To understand better the optical characteristics of normal and carcinomatous lung tissue in the clinical photodynamic therapy (PDT) and light dosimetry, we measured the absorption coefficient μ_a, reduced scattering coefficient μ'_s, and effective attenuation coefficient μ_eff(i.e. inverse optical penetration depth δ), at632.8 nm. We performed the measurements by using “depthometer with isotropic fiber-optic probe”

　　developed by ourselves accurately to obtain the fluence rate distributions in the fresh samples during irradiation with a collimated broad He-Ne laser beam. The total diffuse reflectance R_d was also measured through flat-cut optical fiber carrying light to a detector. Some conclusions of the Inverse Adding-Doubling method as well as the diffusion theory were utilized to derive the optical properties of the measured tissues. The results are:(1)μ_a=0.09 mm^-1, μ'_s=1.19 mm^-1, μ_eff=0.59 mm^-1(δ=1.70 mm) for the human lung adeno-squamous carcinoma tissue, and (2)μ_a=0.15 mm^-1, μ'_s=1.42 mm^-1, μ_eff=0.84 mm^-1(δ=1.19 mm) for the normal lung tissue. This technique may also be used to measure optical properties of other turbid materials.

　　Key words　Tissue optics, Lung tissue, Optical properties, He-Ne laser

　　光在生物组织中的分布是激光医学临床应用中人们主要关心的问题之一。理论上，只要知道一定波长下的组织光学特性参数，即可由辐射传输方程确定组织中的光分布。遗憾的是，至今组织光学特性参数的数据仍十分贫乏。因此精确测量组织，尤其是人体组织的光学特性十分必要，它是“组织光学”的重要研究内容之一，是临床上制定最佳的光动力诊断癌症、光动力治疗癌症以及光热疗法等光疗方案的重要基础。

　　造成组织光学特性参数数据贫乏的一个主要原因，是测量生物组织的光能流率时，难以精确定位光纤探头。因为组织中光程一般较短，生物软组织又富有弹性，易发生形变，故对测深仪的测量精度要求高，用简易测量仪是不够的。Doiron等^［1］采用将若干已知厚度的生物组织薄片重叠起来进行测量的方法，虽能较简单地解决光纤定位问题，却失去新鲜块状组织固有的特性。近来，我们采用各向同性球头光纤和自行设计开发的“光纤探针深度计”，成功地克服了测定组织光能流率在技术上存在的较大困难，实现了哺乳动物离体组织光纤探头的精确定位和光能流率的精确测定^［2］。

　　鉴于动物组织与人体组织光学特性的差异及临床上光动力治疗肺癌的实际需要，在原有工作的基础上，首次研究测定He-Ne激光632.8 nm的重要波长处(肺癌PDT治疗需要用的高穿透性红激光)新鲜离体人肺正常组织和人肺腺鳞癌组织中的光能流率分布，并联合光纤探测系统测量了组织的漫反射率，利用Inverse Adding-Doubling方法和漫射理论的部分结论，计算出新鲜离体人肺组织的吸收系数、有效散射系数、有效衰减系数和光穿透深度，得到令人满意的结果。

基本理论

　　人体组织是光学上混浊的介质，光子在其中传输，将受到生物粒子和生物大分子的散射和吸收。组织内在的光学特性决定了光在组织中的穿透和在组织表面的反射。基本的组织光学特性参数是：吸收系数μ_a，散射系数μ_s，散射非均匀因子g，有效散射系数μ'_s=μ_s(1-g)，有效衰减系数μ_eff(或其倒数光穿透深度δ)及组织的折射率n。

　　考虑一宽光束照射组织体的情况。对此一维问题，组织内部z位置的光剂量可由辐射光能流率Φ(W/cm²)表征如下^［3］：

　　Φ(z)=Φ₀ k exp(－z/δ)

(1)

　　其中Φ₀为入射光的辐照度；k为后向散射因子，它表征后向散射对组织体内表面光能流率的贡献；δ为光穿透深度，它表示组织中光能流率衰减到1/e的程长。注意，方程(1)不能精确地描述接近组织体内表面光能流率的实际分布。

　　光穿透深度δ的大小取决于组织体的光学特性：

　　δ={3μ_a［μ_a+μ_s(1-g)］}^-1/2

(2)

　　当组织体被照射时，后向散射使得入射到组织体中的一部分光子逃逸，成为可观测的漫反射光，它携带了组织内部的信息。因此，测定组织体的漫反射率R_d，便可反映其后向散射的程度。R_d的大小取决于组织体中每一个吸收事件中所发生有效散射事件的数目，即μ_s(1-g)/μ_a。美国学者Prahl^［4］根据Inverse Adding-Doubling方法对各种μ_a，μ_s和g值计算，得到：

　　R_d=exp(－7δμ_a)

(3)

　　可见，通过测定R_d和Φ(z)，利用上述关系式，就可以计算出组织体的若干主要光学特性参数。

材料和方法

　　一、组织样品

　　为接近临床上组织体的真实情况，被测样品选自一位51岁女性患者左全肺切除的新鲜组织，其中正常组织和腺鳞癌组织样品大小分别为5.0 cm×3.6 cm×1.1 cm和5.0 cm×4.5 cm×1.1 cm。测量是在手术切除后立即进行的。先用水清洗样品表面血迹，并用纸吸干。

　　二、组织体中光能流率的测量

　　根据文献［5］，He-Ne激光632.8 nm波长输出虽处于HpD吸收谱的最小峰，但它对组织有良好的穿透能力，是PDT最常用的光源之一，因此，我们选择这种典型波长的激光作为考察人肺组织中光分布的光源。

　　为了将各向同性的球头光纤插入组织体内，并精确定位和度量深度坐标值，我们研制了专用的“各向同性球头光纤探针深度计”。要在较小的光穿透深度情况下，精确地探测人肺组织中微弱光能流率变化是本次测量的难点。文献［2］的测量光路采用的是光束斜入射到组织体上，光纤探针深度计垂直置于光斑中央的布局，造成了在组织体表面投下深度计阴影，从而影响入射光在组织体表面的均匀分布；另一方面，由于新鲜离体人肺组织，尤其是正常组织密度小，组织结构较松散，当光纤探针深度计插入时，组织表面容易下凹，影响光纤探头的精确定位以及接近组织表面位置光能流率的测量。鉴于上述情况，我们对原有测量光路进行了改进，采用如图1所示的倒置透射式的测量光路，成功地实现了人肺组织中光能流率的精确测定。单模He-Ne激光器(国产)输出的632.8 nm红光经扩束后垂直入射到组织体上(Φ₀=17 mW/cm²)，光纤探针深度计垂直于光斑中央处，于样品的另一端，通过深度计上的空心针头，将各向同性的球头光纤(进口)插入组织体中，回缩针头，使球头暴露，即可测定组织内预定深度z的光能流率Φ(z)。光纤输出端与光电倍增管相连接，用7070型光电探测系统(美国Oriel公司生产)显示光电流值

　　I(z)。调节深度计上部的测微器，可变化光纤探头在组织中的深度，再利用测量系统的定标方程，便可获得组织体中光能流率随深度的分布情况

　　图1　组织中光能流率测定装置

　　1.He-Ne激光器　2.衰减器　3.反射镜　4.扩束器　5.玻璃载物平台　6.组织体　7.玻片　8.深度计　9.光纤探针　10.光电倍增管　11.探测系统

　　Fig.1　Experimental setup for measuring fluence rate Φ in tissue

　　1.He-Ne laser　2.Attenuator　3.Mirror　4.Beam expander　5.Glass platform　6.Tissue　7.Glass plater　8.Depthometer　9.Fiber probe　10.PMT　11.Detector system

　　用蒸馏水取代被测组织样品，对已知功率的平行光束在系统中的响应实行定标。改变入射光的辐照度Φ，从光电探测系统读出相应的光电流值I。对测量结果进行线性拟合，得到系统定标曲线，如图2所示。定标方程为Φ(mW/cm²)=2.8 I(μA)。

　　图2　光电探测测量系统定标曲线

　　Fig.2　The calibration curve of measuring system irradiated by He-Ne laser

　　三、组织体表面漫反射率的测定

　　如图3实验装置所示，通过接受被照区的漫反射光测定组织体表面漫反射率R_d。平切光纤以某一角度α(根据Lambertian关系，为减少接收光信号的损失，α应不超过45°)接收，以避免组织表面的镜式反射。平切光纤接收到的光信号，经光电倍增管实现光电转换，而后从7070光电探测系统读出光电流值I_d.det。

　　对图3所示测量系统的定标，是用一标准漫反射板(BaSO₄白板)取代组织样品，并保持与测定组织的I_d.det相同的光辐照度(Φ₀=1.70 mW/cm²)和光路来完成的。以b表示标准漫反射板的漫反射率，I_d.det和I_s.det分别为实验测得的组织样品和标准漫反射板后向散射漫反射的光电流值，则待测组织样品的漫反射率R_d可由下式计算得到^［3］：

　　R_d=bI_d.det/I_s.det

(4)

结果与讨论

　　应用上述两个实验装置，分别对每个组织样品的R_d和Φ(z)进行多次测量，且He-

　　图3　测量组织体表面漫反射率R_d的实验装置

　　1.He-Ne激光器　2.衰减器　3.转向镜　4.扩束器　5.组织体　6.光纤探针　7.光电倍增管　8.探测系统

　　Fig.3　Schematic setup of measuring the total diffuse reflectance R_d of tissue

　　1.He-Ne laser　2.Attenuator　3.Mirror　4.Beam expander　5.tissue　6.Fiber probe　7.PMT　8.Detector system

　　Ne激光输出稳定，所以多次测量的重复精度高，其平均结果如下：

　　新鲜离体人肺组织光能流率随深度的变化关系如图4a,b的实线所示。在相同的辐照度下(Φ₀=17 mW/cm²)，虽然人正常肺组织中的光能流率分布(见图4 b)较人肺腺鳞癌组织中的(见图4 a)弱，但接近两者组织体内表面附近的光能流率均比入射量大，Φ(0)分别约为117.6 mW/cm²和59.6 mW/cm²。靠近人肺腺鳞癌组织体表面的光能流率分布(图4 a)出现了一个前向的峰值，而靠近人正常肺组织体表面的光能流率分布较平坦(图4 b)，此外，前者光穿透深度也比后者大。上述结果表明，人正常肺组织和癌组织均具有较强的后向散射特性，但浅黄白色的人肺腺鳞癌坏死组织比含有较丰富血管的人正常肺组织，具有更强的后向散射特性，而后者的吸收特性相对比较显著。比较图4与文献［6］中肺组织经福尔马林固定后的结果，两者具有相似的光分布规律，所不同的是，后者正常组织中光能流率衰减较快，这与样品用福尔马林固定后正常组织明显收缩使其透光性变差有关。

　　图4　He-Ne激光辐射下新鲜离体人组织光能流率随深度的变化关系(Φ₀=17 mW/cm²)　a：人肺腺鳞癌组织　b：人正常肺组织 ……拟合值，———测量值

　　Fig.4　The fluence rate distribution of He-Ne laser in fresh human lung tissue in vitro with Φ₀=17 mW/cm²　a：adeno-squamous carcinoma tissue　b：normal tissue ……Fitting, ———Measuring

　　表1列出了新鲜离体人肺组织漫反射率R_d值，与文献［3］所述630 nm波长处组织体R_d的典型值为30%～40%基本相符。其中人正常肺组织的R_d值比人肺腺鳞癌组织的小，此结果亦说明后者具有相对强的散射特性。

表1　新鲜离体人肺组织漫反射率R_d

Tab.1　The values of R_d of fresh humanlung tissues in vitro

Optical Properties of Normal and Carcinomatous Human Lung

　　Tissue at 632.8 nm of a He-Ne Laser

Lu Zukang, Zheng Wei

　　Department of Optoelectronic and Scientific Instrument engineering, Zhejiang University, Hangzhou(310027)

　　Xie Shusen, Lin Qirong, Zhou Chuanzhao

　　Institute of Laser, Fujian Normal University, Fuzhou

　　Lin Ting

　　Fuzhou Pulmonary Hospital, Fuzhou

　　摘要　为了解正常肺和肺癌组织的光学特性，在原有工作基础上，应用自行研制的“光纤探针深度计”联合光纤探测系统，实现了He-Ne激光632.8 nm波长辐射下，新鲜离体人肺组织光能流率及其表面漫反射率的精确测定。获得该重要波长处人肺组织光能流率的分布规律及其光学特性参数的数值：(1)人肺腺鳞癌组织的吸收系数μ_a=0.09 mm^-1，有效散射系数μ'_s=1.19 mm^-1，有效衰减系数μ_eff=0.59 mm^-1，光穿透深度δ=1.70 mm；(2)人正常肺组织的吸收系数μ_a=0.15 mm^-1，有效散射系数μ'_s=1.42 mm^-1，有效衰减系数μ_eff=0.84 mm^-1，光穿透深度δ=1.19 mm，并将结果与现有相应肺组织的光学特性参数数据作了比较。该测量方法亦可用于人体其他组织光学特性的测量。

ABSTRACT

　　To understand better the optical characteristics of normal and carcinomatous lung tissue in the clinical photodynamic therapy (PDT) and light dosimetry, we measured the absorption coefficient μ_a, reduced scattering coefficient μ'_s, and effective attenuation coefficient μ_eff(i.e. inverse optical penetration depth δ), at632.8 nm. We performed the measurements by using “depthometer with isotropic fiber-optic probe”

　　developed by ourselves accurately to obtain the fluence rate distributions in the fresh samples during irradiation with a collimated broad He-Ne laser beam. The total diffuse reflectance R_d was also measured through flat-cut optical fiber carrying light to a detector. Some conclusions of the Inverse Adding-Doubling method as well as the diffusion theory were utilized to derive the optical properties of the measured tissues. The results are:(1)μ_a=0.09 mm^-1, μ'_s=1.19 mm^-1, μ_eff=0.59 mm^-1(δ=1.70 mm) for the human lung adeno-squamous carcinoma tissue, and (2)μ_a=0.15 mm^-1, μ'_s=1.42 mm^-1, μ_eff=0.84 mm^-1(δ=1.19 mm) for the normal lung tissue. This technique may also be used to measure optical properties of other turbid materials.

　　Key words　Tissue optics, Lung tissue, Optical properties, He-Ne laser

　　光在生物组织中的分布是激光医学临床应用中人们主要关心的问题之一。理论上，只要知道一定波长下的组织光学特性参数，即可由辐射传输方程确定组织中的光分布。遗憾的是，至今组织光学特性参数的数据仍十分贫乏。因此精确测量组织，尤其是人体组织的光学特性十分必要，它是“组织光学”的重要研究内容之一，是临床上制定最佳的光动力诊断癌症、光动力治疗癌症以及光热疗法等光疗方案的重要基础。

　　造成组织光学特性参数数据贫乏的一个主要原因，是测量生物组织的光能流率时，难以精确定位光纤探头。因为组织中光程一般较短，生物软组织又富有弹性，易发生形变，故对测深仪的测量精度要求高，用简易测量仪是不够的。Doiron等^［1］采用将若干已知厚度的生物组织薄片重叠起来进行测量的方法，虽能较简单地解决光纤定位问题，却失去新鲜块状组织固有的特性。近来，我们采用各向同性球头光纤和自行设计开发的“光纤探针深度计”，成功地克服了测定组织光能流率在技术上存在的较大困难，实现了哺乳动物离体组织光纤探头的精确定位和光能流率的精确测定^［2］。

　　鉴于动物组织与人体组织光学特性的差异及临床上光动力治疗肺癌的实际需要，在原有工作的基础上，首次研究测定He-Ne激光632.8 nm的重要波长处(肺癌PDT治疗需要用的高穿透性红激光)新鲜离体人肺正常组织和人肺腺鳞癌组织中的光能流率分布，并联合光纤探测系统测量了组织的漫反射率，利用Inverse Adding-Doubling方法和漫射理论的部分结论，计算出新鲜离体人肺组织的吸收系数、有效散射系数、有效衰减系数和光穿透深度，得到令人满意的结果。

基本理论

　　人体组织是光学上混浊的介质，光子在其中传输，将受到生物粒子和生物大分子的散射和吸收。组织内在的光学特性决定了光在组织中的穿透和在组织表面的反射。基本的组织光学特性参数是：吸收系数μ_a，散射系数μ_s，散射非均匀因子g，有效散射系数μ'_s=μ_s(1-g)，有效衰减系数μ_eff(或其倒数光穿透深度δ)及组织的折射率n。

　　考虑一宽光束照射组织体的情况。对此一维问题，组织内部z位置的光剂量可由辐射光能流率Φ(W/cm²)表征如下^［3］：

　　Φ(z)=Φ₀ k exp(－z/δ)

(1)

　　其中Φ₀为入射光的辐照度；k为后向散射因子，它表征后向散射对组织体内表面光能流率的贡献；δ为光穿透深度，它表示组织中光能流率衰减到1/e的程长。注意，方程(1)不能精确地描述接近组织体内表面光能流率的实际分布。

　　光穿透深度δ的大小取决于组织体的光学特性：

　　δ={3μ_a［μ_a+μ_s(1-g)］}^-1/2

(2)

　　当组织体被照射时，后向散射使得入射到组织体中的一部分光子逃逸，成为可观测的漫反射光，它携带了组织内部的信息。因此，测定组织体的漫反射率R_d，便可反映其后向散射的程度。R_d的大小取决于组织体中每一个吸收事件中所发生有效散射事件的数目，即μ_s(1-g)/μ_a。美国学者Prahl^［4］根据Inverse Adding-Doubling方法对各种μ_a，μ_s和g值计算，得到：

　　R_d=exp(－7δμ_a)

(3)

　　可见，通过测定R_d和Φ(z)，利用上述关系式，就可以计算出组织体的若干主要光学特性参数。

材料和方法

　　一、组织样品

　　为接近临床上组织体的真实情况，被测样品选自一位51岁女性患者左全肺切除的新鲜组织，其中正常组织和腺鳞癌组织样品大小分别为5.0 cm×3.6 cm×1.1 cm和5.0 cm×4.5 cm×1.1 cm。测量是在手术切除后立即进行的。先用水清洗样品表面血迹，并用纸吸干。

　　二、组织体中光能流率的测量

　　根据文献［5］，He-Ne激光632.8 nm波长输出虽处于HpD吸收谱的最小峰，但它对组织有良好的穿透能力，是PDT最常用的光源之一，因此，我们选择这种典型波长的激光作为考察人肺组织中光分布的光源。

　　为了将各向同性的球头光纤插入组织体内，并精确定位和度量深度坐标值，我们研制了专用的“各向同性球头光纤探针深度计”。要在较小的光穿透深度情况下，精确地探测人肺组织中微弱光能流率变化是本次测量的难点。文献［2］的测量光路采用的是光束斜入射到组织体上，光纤探针深度计垂直置于光斑中央的布局，造成了在组织体表面投下深度计阴影，从而影响入射光在组织体表面的均匀分布；另一方面，由于新鲜离体人肺组织，尤其是正常组织密度小，组织结构较松散，当光纤探针深度计插入时，组织表面容易下凹，影响光纤探头的精确定位以及接近组织表面位置光能流率的测量。鉴于上述情况，我们对原有测量光路进行了改进，采用如图1所示的倒置透射式的测量光路，成功地实现了人肺组织中光能流率的精确测定。单模He-Ne激光器(国产)输出的632.8 nm红光经扩束后垂直入射到组织体上(Φ₀=17 mW/cm²)，光纤探针深度计垂直于光斑中央处，于样品的另一端，通过深度计上的空心针头，将各向同性的球头光纤(进口)插入组织体中，回缩针头，使球头暴露，即可测定组织内预定深度z的光能流率Φ(z)。光纤输出端与光电倍增管相连接，用7070型光电探测系统(美国Oriel公司生产)显示光电流值

　　I(z)。调节深度计上部的测微器，可变化光纤探头在组织中的深度，再利用测量系统的定标方程，便可获得组织体中光能流率随深度的分布情况

　　图1　组织中光能流率测定装置

　　1.He-Ne激光器　2.衰减器　3.反射镜　4.扩束器　5.玻璃载物平台　6.组织体　7.玻片　8.深度计　9.光纤探针　10.光电倍增管　11.探测系统

　　Fig.1　Experimental setup for measuring fluence rate Φ in tissue

　　1.He-Ne laser　2.Attenuator　3.Mirror　4.Beam expander　5.Glass platform　6.Tissue　7.Glass plater　8.Depthometer　9.Fiber probe　10.PMT　11.Detector system

　　用蒸馏水取代被测组织样品，对已知功率的平行光束在系统中的响应实行定标。改变入射光的辐照度Φ，从光电探测系统读出相应的光电流值I。对测量结果进行线性拟合，得到系统定标曲线，如图2所示。定标方程为Φ(mW/cm²)=2.8 I(μA)。

　　图2　光电探测测量系统定标曲线

　　Fig.2　The calibration curve of measuring system irradiated by He-Ne laser

　　三、组织体表面漫反射率的测定

　　如图3实验装置所示，通过接受被照区的漫反射光测定组织体表面漫反射率R_d。平切光纤以某一角度α(根据Lambertian关系，为减少接收光信号的损失，α应不超过45°)接收，以避免组织表面的镜式反射。平切光纤接收到的光信号，经光电倍增管实现光电转换，而后从7070光电探测系统读出光电流值I_d.det。

　　对图3所示测量系统的定标，是用一标准漫反射板(BaSO₄白板)取代组织样品，并保持与测定组织的I_d.det相同的光辐照度(Φ₀=1.70 mW/cm²)和光路来完成的。以b表示标准漫反射板的漫反射率，I_d.det和I_s.det分别为实验测得的组织样品和标准漫反射板后向散射漫反射的光电流值，则待测组织样品的漫反射率R_d可由下式计算得到^［3］：

　　R_d=bI_d.det/I_s.det

(4)

结果与讨论

应用上述两个实验装置，分别对每个组织样品的R_d和Φ(z)进行多次测量，且He-

　　图3　测量组织体表面漫反射率R_d的实验装置

　　1.He-Ne激光器　2.衰减器　3.转向镜　4.扩束器　5.组织体　6.光纤探针　7.光电倍增管　8.探测系统

　　Fig.3　Schematic setup of measuring the total diffuse reflectance R_d of tissue

　　1.He-Ne laser　2.Attenuator　3.Mirror　4.Beam expander　5.tissue　6.Fiber probe　7.PMT　8.Detector system

　　Ne激光输出稳定，所以多次测量的重复精度高，其平均结果如下：

　　新鲜离体人肺组织光能流率随深度的变化关系如图4a,b的实线所示。在相同的辐照度下(Φ₀=17 mW/cm²)，虽然人正常肺组织中的光能流率分布(见图4 b)较人肺腺鳞癌组织中的(见图4 a)弱，但接近两者组织体内表面附近的光能流率均比入射量大，Φ(0)分别约为117.6 mW/cm²和59.6 mW/cm²。靠近人肺腺鳞癌组织体表面的光能流率分布(图4 a)出现了一个前向的峰值，而靠近人正常肺组织体表面的光能流率分布较平坦(图4 b)，此外，前者光穿透深度也比后者大。上述结果表明，人正常肺组织和癌组织均具有较强的后向散射特性，但浅黄白色的人肺腺鳞癌坏死组织比含有较丰富血管的人正常肺组织，具有更强的后向散射特性，而后者的吸收特性相对比较显著。比较图4与文献［6］中肺组织经福尔马林固定后的结果，两者具有相似的光分布规律，所不同的是，后者正常组织中光能流率衰减较快，这与样品用福尔马林固定后正常组织明显收缩使其透光性变差有关。

　　图4　He-Ne激光辐射下新鲜离体人组织光能流率随深度的变化关系(Φ₀=17 mW/cm²)　a：人肺腺鳞癌组织　b：人正常肺组织 ……拟合值，———测量值

　　Fig.4　The fluence rate distribution of He-Ne laser in fresh human lung tissue in vitro with Φ₀=17 mW/cm²　a：adeno-squamous carcinoma tissue　b：normal tissue ……Fitting, ———Measuring

　　表1列出了新鲜离体人肺组织漫反射率R_d值，与文献［3］所述630 nm波长处组织体R_d的典型值为30%～40%基本相符。其中人正常肺组织的R_d值比人肺腺鳞癌组织的小，此结果亦说明后者具有相对强的散射特性。

表1　新鲜离体人肺组织漫反射率R_d

Tab.1　The values of R_d of fresh humanlung tissues in vitro

　　献［1］存在差异，一方面是测量方式的不同，另一方面是测量精度的不同，我们使用的测量工具有更高的精确度。

结　　论

　　本工作采用联合测定组织体外部和内部光辐射信息的原理，并克服以往对组织体中光能流率测量，存在精确定位光纤探针的技术困难，完成He-Ne激光在新鲜离体人正常肺组织和腺鳞癌组织中，光能流率随深度变化的精确测定工作。同时联合组织体漫反射率的测量，计算出新鲜离体人肺组织的吸收系数、有效散射系数、有效衰减系数和光穿透深度，结果令人满意。我们还验证了He-Ne激光辐射下，人肺组织具有同其他生物组织相似的光能流率分布规律，即在组织体深处的光能流率呈指数规律衰减，而在接近肺组织表面附近的光能流率大于入射光辐照度；人正常肺组织具有较强的吸收特性，而肺癌组织呈显著的散射特性。这些结果和光学特性参数数据，为了解光与组织的相互作用，为临床光动力治疗肺癌制定合理的光剂量，提供重要的基础数据。这种测量方法亦可用于人体其他组织光学特性的测量。此外，新鲜离体人肺组织的状态和光学特性与活体组织相比，仍存在差异，我们将进一步改善原理和技术，探寻新的测定方法(如Monte Carlo模拟法等)，以实现活体组织光学特性的测量。

参考文献

　　1.Doiron DR, Svaasand LO, Profio AE. Light dosimetry in tissues: an application to photoradiation therapy. Advanced in Experimental Medicine and Biology. Washington DC: Academic Press, 1983. vol 16, 63-67.

　　2.谢树森，黄禄华，郑蔚，等.哺乳动物五种离体组织光学特性的测量.光子学报，1996，25：97.

　　3.Jacques SL. Simple optical theory for light dosimetry during PDT: optical methods for tumor treatment and detection. Proc SPIE, 1992, 1645: 155.

　　4.Prahl SA. Light transport in tissue. 〔PhD dissertation〕, University of Texas at Austin, 1988.

　　5.郑蔚，谢树森，黄志伟，等.人血清中血卟啉衍生物的吸收光谱.厦门大学学报(自然科学版)，1993，32(增刊2)：158.

　　6.谢树森，黄禄华，郑蔚，等.人肺离体组织中光穿透深度的测量.中国激光医学杂志，1995，4：87.