天空為什么呈現(xiàn)藍色？

130年多年前，物理學家瑞利通過“瑞利散射”推導出，當太陽光通過空氣時，波長較長的紅色光透射力最大（其次是橙、黃色光），它能透過大氣中的微粒射向地面；而波長較短的藍、紫、靛等色光，很容易被懸浮在空氣中的微粒散射開，使天空呈現(xiàn)藍色。

受該事件啟發(fā)，研究人員發(fā)現(xiàn)反射光和散射光之間會相互干涉，會形成散斑現(xiàn)象。隨著時間的推移，散斑現(xiàn)象產(chǎn)生機理的研究以及物理數(shù)學理論的不斷發(fā)展，衍生出的激光散斑技術被用于多項實踐，如1987年&1994年，F(xiàn)ujii[1,2]等利用激光散斑成像方法測量了皮膚和視網(wǎng)膜血流變化；1997年，Ulyanov[3]等利用散斑干涉儀測量了微循環(huán)的淋巴流和血流變化。

目前利用激光散斑技術對組織血流灌注進行監(jiān)測，能同時具備活體數(shù)據(jù)、⽆創(chuàng)、非接觸式、實時、全場監(jiān)測，無需探頭、造影劑，多種器官組織適用，數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)勢。廣泛應用于腦卒中，腦損傷、神經(jīng)認知功能、糖尿病，皮瓣移植等研究領域。
 

   

小鼠腸系膜血循環(huán)灌注情況，通過色彩算法渲染，將檢測區(qū)域內的各種血管內的灌注量以不同顏色呈現(xiàn)，豐富了灌注數(shù)據(jù)，直觀的表明了不同血管間灌注量的差異。

熒光成像技術工作原理及應用領域

當物質吸收光能后發(fā)生躍遷，即從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。由于該激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定，在向穩(wěn)定基態(tài)恢復的過程中，被吸收的能量會以光的形式釋放，因此便產(chǎn)生了熒光。常規(guī)觀測活體動物體內腫瘤的生長及轉移、感染性疾病發(fā)展過程、特定基因的表達等生物學過程中用到的熒光成像技術就是利用了光的吸收性。
 

（帶有熒光物質的藥物在小鼠腹腔注射后，通過活體熒光成像觀察藥物在腹腔中的分布情況。）

熒光成像技術因操作極其簡單、所得結果直觀、靈敏度高等特點, 滿足了直接監(jiān)控生物體內腫瘤生長，藥物追蹤，干細胞遷移等領域的科研需求。
 

（GFP cancer cell injected into right hemisphere and DiD labeled stem cell injected left hemisphere）
 

同時使用激光散斑與熒光成像技術，可使科研人員[4]能用熒光信號對血管類型加以區(qū)分，并以此甄別血管功能；既簡便又多樣化，進一步滿足了活體成像的數(shù)據(jù)需求。具體在觀測皮層動靜脈血流中工作原理：1、在激光散斑系統(tǒng)上搭建一套實時熒光信號采集系統(tǒng)。在同一被測動物的待測區(qū)域，采集反射的激光信號以呈現(xiàn)激光散斑血流圖，同時采集經(jīng)過相應波長激發(fā)光所激發(fā)出的發(fā)射光信號，以顯示不同血管內的血流情況。
 

（Abbr：Obj-object of investigation;L-lens;D-diffuser;LD-laser diode for speckle imaging;LS-light source for fluorescence imaging;Ex-excitation optical filter;Em-emission band-pass filter;FFC-fluorescence filter cube）

• 備注：以觀察大腦皮層為例，需要在麻醉并固定滿意后，將小鼠頭皮切開，顯露相應觀察區(qū)域的顱骨；在設備開始采集前，通過尾靜脈注射一定劑量的熒光物質。

2、通過鏡頭將信號采集，將原始的散斑信號分析識別，經(jīng)過算法處理，生成腦皮層血流散斑襯比圖。
 

3、同樣通過鏡頭的采集，將出現(xiàn)的熒光信號強度峰值結合時間呈現(xiàn)，用以區(qū)分動靜脈的差異。

備注：上圖所示紅綠兩種顏色，分別代表皮層動脈和靜脈的血流情況，依照血液中熒光出現(xiàn)的時間差別，先出現(xiàn)熒光信號的可認為是動脈，后出現(xiàn)熒光信號的是靜脈；同時可見信號強度峰值的大小差異與箭頭所對應的血管管徑大小及血流量情況一致。

4、通過對光學特點的應用，實現(xiàn)既觀察微循環(huán)灌注量，又對不同血管功能加以區(qū)分的效果。為動靜脈功能相關的科學研究，創(chuàng)造了極大便利，也豐富了灌注量和活體組織形態(tài)的數(shù)據(jù)。
 

備注：經(jīng)過熒光信號識別和處理后，紅色代表動脈，綠色代表靜脈。

通過這樣的技術和搭建，可成功探明皮層動靜脈之間血流的差異，并且發(fā)現(xiàn)矢狀竇內血流情況是最緩慢的。借此彌補了激光散斑血流成像系統(tǒng)只能實時呈現(xiàn)血流灌注，但無法區(qū)分血管功能的不足，拓展了活體成像技術應用場景，為微循環(huán)研究增加了更多可能性。
 

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【參考文獻】

[1] Fuji H,Nohira K,et al.Evaluation of blood flow by laser speckle image sensing [J].Applied Optics,1987,26:5321-5325

[2] Fuji H,Visualization of retinal blood flow by laser speckle flow graphy [J].Med.Biol.Eng.Comput,1994,32:302-304

[3] Ulyanov S,Tuchin V.The application of speckle interferometry for the monitoring of blood and lymphflow in microvessels [J].Lasers in Medical Science,1997,2:31-41.

[4] Vyacheslav Kalchenko, Anton Sdobnov,et al.A Robust Method for Adjustment of Laser Speckle Contrast Imaging during Transcranial Mouse Brain Visualization[J].Photonics,2019.