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在生物光子学领域，非侵入性检测大块组织光学散射特性变化颇具挑战。研究人员开展了 “Laser speckle size and contrast investigation of volumetric scattering from controlled turbid phantoms and mouse skin tissues” 研究，发现散斑尺寸和对比度与散射系数有关，有助于区分样本，为生物组织检测提供新途径。
在当今生物光子学的研究领域中，想要实现非侵入性地感知大块组织因病理变化而引起的光学散射特性改变，就如同在迷雾中寻找方向，困难重重。现有的光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography）、漫反射光谱（Diffuse Reflectance Spectroscopy）等技术，在进行组织光学性质的估算时，往往需要依赖一些先验知识来完成重建过程，而且在测量大块组织时，总是显得力不从心。正是在这样的困境之下，激光散斑分析技术凭借其成本低廉、仪器简单且可在背向散射几何结构中进行测量的优势，为研究人员开辟了一条探索组织光学性质的新道路。
来自加拿大多伦多大学（University of Toronto）等机构的研究人员，针对这一难题展开了深入研究。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为该领域带来了新的曙光。
在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过构建含有不同尺寸聚苯乙烯微球的浑浊光学模型（Optical Phantoms），模拟生物组织的光学散射特性。利用氦氖（HeNe）激光照射这些模型以及小鼠皮肤组织样本，获取激光散斑图案。同时，运用蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）模拟技术，对光子在样本中的传播进行理论分析，以此来解释实验结果。
研究结果主要分为以下几个部分：
- 聚苯乙烯微球模型实验：研究人员发现，随着散射系数的增加，散斑尺寸会线性增大，而且较小尺寸的微球会产生更大的散斑。从理论上来说，当介质散射增强时，相对于入射光斑（直径 2mm），后向反射光的扩散程度会减小，根据相关公式，这会导致散斑尺寸增大。同时，较小散射体由于散射各向异性 g 的差异，其光的限制作用更强，所以会产生更大的散斑。而散斑对比度则随浊度降低，且大尺寸微球的散斑对比度更大。这是因为随着总光程的增加，光的相干性会降低，干涉条纹的可见度下降，散斑对比度也随之降低。将散斑尺寸和对比度这两个指标结合起来分析时，发现它们可以区分不同散射体尺寸的样本，在散斑参数空间中形成了不同的聚类，这为基于散斑的介质特性表征带来了希望。
- 生物组织实验验证：研究人员以同基因黑色素瘤小鼠模型为研究对象，对肿瘤组织和健康皮肤组织进行散斑测量。结果显示，正常小鼠皮肤的有效散斑直径为 93±3μm，黑色素瘤肿瘤组织为 117±3μm；健康组织的散斑对比度为 0.72±0.02，癌组织为 0.75±0.01。这表明从正常组织到病理组织，散斑尺寸明显减小，这可能意味着散射系数增加或有效散射体尺寸减小，这与之前关于黑色素瘤光学性质的研究报道相符。
在结论和讨论部分，研究人员通过实验测量和 MC 模拟，深入研究了散斑尺寸和对比度在体散射中反映介质性质的潜力。发现在控制实验条件下，这两个散斑指标与介质性质之间存在关键的依赖关系。同时，研究还证明了结合散斑尺寸和对比度在研究介质散射性质方面具有潜在的预测能力，并且在黑色素瘤检测的生物原理验证中展现出区分正常和癌组织图像的能力。不过，该研究也存在一些局限性，例如缺乏直接与实验结果对比的理论模型、测量的对比度指标动态范围有限、未使用更多高阶散斑指标以及模型与组织结果之间关系的不确定性等。
尽管如此，这项研究为体散斑形成的详细方法学迈出了重要的第一步。后续研究计划从多个方向深入探索，如研究散射各向异性（g 因子）的影响、优化实验测量以增加对比度动态范围、研究更多独立的散斑指标、测量更复杂的光学模型以及探索偏振效应等。这一系列研究有望为生物医学光学领域在组织光学性质检测和疾病诊断方面提供更强大的技术支持和理论依据，推动该领域不断向前发展。
