基于光谱学和光散射的实验对多种材料一从痕量原子或分子到诸如金属、半导体以及复杂流体等凝聚态物质的分析，具有非同寻常的作用。生物医用光学领域的科学家们的一个令人振奋但又难以理解的目标，就是利用这种实验技术对活的人体组织进行有用的临床检验。由于许多癌症如果在早期就能被诊断出来的话，则它们是可以被治愈的，所以利用光学方法探测癌变和可能癌变的组织的可能性促进了这一领域的研究。

可是，光线是以一种非常复杂的方式穿过活体组织的，由于组织使光发生强烈的散射，因此很难辨明肌体组织向光线上传递了何种信息。然而，现在美国麻省理工学院的迈克尔 · 菲尔德（Michael Feld）及其同事已经克服了一些困难，并且设计了一种能探测食道中的可能发生癌变的细胞的方法。

许多癌细胞都是产生于排列在肌体内中空的器官的上皮细胞构成的薄的表皮中，在健康的组织中这种“上皮”由一层排列整齐的直径约为10-20微米、长约25微米的细胞组成。在癌变和将要癌变的上皮中，细胞开始增生并且它们的细胞核增大。

目前，病理学家通过切除一些细胞并且在显微镜下检查染色的组织截面的方法来寻找这些变化。麻省理工学院的科研人员的目标是想利用可见光的散射来获得关于上皮细胞核的尺寸分布等信息。

从组织上反射的光包含少量叠加在强的漫射背景光上的单散射光子。单散射光子来自于非常靠近组织表面的细胞核，它们的波长和角度分布依赖于散射粒子的尺寸和位置。

细胞核可被看作是有散射共振的球形颗粒模型，其散射共振由自身的尺寸和折射率决定，这些共振表现为单散射光谱线强度的振荡。具有类似性质的振荡已经在流动血细胞计数法中用来作为颗粒尺寸和形状的标记，这是一种分离不同尺寸的细胞的一种方法。但是，在有漫射背景光的情况下，血细胞计数法却无能为力。

遗憾的是，由于漫射光在组织中穿行了相对来说较长的距离，所以从底层组织散射出的漫射光淹没了来自于上皮的信号。美国宾夕法尼亚大学的一个包括布瑞顿 · 钱斯（Britton Chance）和本文作者的研究小组，把这些光子的传输过程描绘成漫射过程。

散射和吸收在漫射背景光的强度和空间分布上形成了复杂的光谱结构。漫射使“随机移动步长”（即一个光子在改变它的初始方向之前所通过的距离）和吸收长度分离开来；随机移动步长随着波长的改变而改变，而波长本身恰好如同单散射一样与散射颗粒的位置和尺寸存在着一定的数量关系；漫射光在不同的角度上被散射了许多次，因此其共振比单散射光子的要弱。洛斯 · 阿拉莫斯的欧文 · 贝格欧（Irving Bigio）及其合作者把上述效应作为表征患病组织的一种方法进行了广泛的研究。

麻省理工学院的研究者通过精确的计算把近表层上皮细胞核的单散射效应从漫射背景光中分离了出来。实验中，他们利用直径为一毫米的光导纤维探测器把光线射入样品中，同时在探测器中心光源的周围对称地放置另外6个光导纤维探测器探测背向散射光。

光导纤维探测器收集到的狭小的锥形范围内的反射光包括三个部分：表层附近细胞核的背向单散射光、表层下面的组织产生的前向散射的间接单散射光（来自于漫射背景光），以及深层组织的散射和吸收产生的漫射背景信号。单散射光的强度随波长发生振荡，因此这些性质可用球形粒子理论很精确地模拟。反射光中剧烈振荡的部分与相对来说比较均匀的漫射背景光形成强烈的对比，麻省理工学院的研究人员将其称之为“周期性精细结构”。

在测试实验中，单层患癌细胞和正常上皮细胞被放在非吸收性的漫射材料之上，反射光的强度被记录成为波长的函数，在漫射背景上可容易地观察到周期性的精细结构，研究人员通过获得这些周期性精细结构的傅里叶变换得出了细胞核的尺寸分布。患癌的细

胞核所处的地方与正常细胞核明显地分开，这与显微镜下的观察结果相一致。

由于血红蛋白具有吸收作用，而这种吸收作用实质上会使背景光随着波长的改变而改变，因此这种光散射技术比较难于应用于人体内部的组织。然而，研究人员模拟出了起源于血红蛋白的背景光，可以把它从总的反射光信号中去掉，

利用这种模拟背景光的技术，甚至可以把比总信号的1%还低的周期性精细结构从背景光中提取出来，然后利用被提取出来的周期性精细结构确定位于正常和癌变位置处细胞核的尺寸分布。此外，对人体食道的测验结果与独立的病理检查结果也相—致。研究人员通过检验患者的大的病变试样，正在开展进一步的工作以证实这项技术的预期效果。

测量细胞核的尺寸不但能指出癌症，而且还能提供其它类型的细胞存在的信息，例如，麻省理工学院的研究人员提出可用这项技术研究生物组织的炎性反应。这种“光学活体组织检查”技术是病理学家的一个有前景的工具，会在将来得到广泛的应用。

[Physics World，1998年第5期]