摘要：光在生物組織中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。結(jié)構(gòu)光因其獨(dú)特的光學(xué)特性，在生物組織傳輸中具有重要的理論和應(yīng)用價值。為深入研究其機(jī)制，一方面需要建立完善的數(shù)學(xué)仿真模型來模擬傳輸過程，另一方面也需要進(jìn)行科學(xué)的實驗來驗證模擬結(jié)果。結(jié)合最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)梳理和分析了結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸特性，為未來的相關(guān)研究提供了理論支持和實踐參考。首先，介紹了生物組織的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)光的種類；然后，以結(jié)構(gòu)光的分類為切入點(diǎn)，總結(jié)了頻率/波長、偏振、振幅、相位，以及渦旋結(jié)構(gòu)和相干結(jié)構(gòu)等對光在生物組織中傳輸效應(yīng)的影響，并分析了其在生物組織傳輸中的最新研究進(jìn)展；最后，指出了該領(lǐng)域當(dāng)前研究中存在的問題和不足，并對其發(fā)展前景和方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：生物組織；結(jié)構(gòu)光場；光傳輸；相干結(jié)構(gòu)

中圖分類號：O 437 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

自1960 年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光因其獨(dú)特的性質(zhì)而迅速在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著光學(xué)的快速發(fā)展，激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用變得愈加重要。科學(xué)家對生命體的探索也在日益深入，他們通過控制激光的不同結(jié)構(gòu)來觀察其在生物組織中的傳輸特性及各種現(xiàn)象。因此，生物光子學(xué)[1]、組織光學(xué)[2]、光生物學(xué)[3] 等光與生命科學(xué)相結(jié)合的學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生。研究光與生物組織的相互作用可以有效促進(jìn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，并有助于人們理解光生物效應(yīng)[4]，這對于人們開發(fā)新的治療方法，理解光對生物體的影響至關(guān)重要。

在過去幾年中，有關(guān)結(jié)構(gòu)光的研究得到了飛速的發(fā)展，人們對于光的維度[5] 的理解也在不斷加深。從特定的空間結(jié)構(gòu)到如今的可以定制的時空結(jié)構(gòu)，這些變化使結(jié)構(gòu)光在光通信[6]、光鑷[7]、光學(xué)傳感[8] 等領(lǐng)域都取得了突破性進(jìn)展。結(jié)構(gòu)光指通過特定模式在空間、時間等不同維度上進(jìn)行調(diào)控后得到的光場。光子擁有高度的自由性，包括但不限于頻率/波長、偏振、振幅、相位等結(jié)構(gòu)特性（如圖1 所示），通過調(diào)控這些物理維度可以實現(xiàn)多種光的相關(guān)應(yīng)用。對光波進(jìn)行時空結(jié)構(gòu)裁剪可以產(chǎn)生各種特殊光束，如渦旋光束、拉蓋爾–高斯（Laguerre Gaussian，LG）光束、貝塞爾光束等。

關(guān)于光與生物組織的相互作用，國內(nèi)外已有大量學(xué)者進(jìn)行了綜述，并取得了豐富的成果。Tuchin[9-10] 總結(jié)了激光與生物組織相互作用的基本特征和原理。Khan 等[11] 詳細(xì)探討了光在生物組織傳輸中的折射率情況，進(jìn)一步揭示了光在復(fù)雜介質(zhì)中的行為規(guī)律。Cheong 等[12] 和Jacques 等[13]則系統(tǒng)總結(jié)了生物組織中光學(xué)特性的研究進(jìn)展，為光學(xué)模型的構(gòu)建提供了重要支持。此外，G?k?e 等[14] 綜述了生物組織湍流對光波傳播的影響，為理解光在動態(tài)生物環(huán)境中的行為提供了新的視角。在應(yīng)用方面，He 等 [15] 探討了偏振光在生物醫(yī)學(xué)與臨床領(lǐng)域中的重要價值。呂晨陽等[16]總結(jié)了不同類型的生物組織光熱效應(yīng)模型，為光熱治療技術(shù)的發(fā)展提供了參考。賴溥祥等[17] 重點(diǎn)分析了近年來光聲結(jié)合技術(shù)和光學(xué)波前整形技術(shù)在生物組織操控、成像及光學(xué)計算中的應(yīng)用探索。此外，俞婷婷等[18] 從離體組織光透明方法、大組織器官標(biāo)記方法、三維整體成像技術(shù)3 個方面，對整體器官的光透明成像技術(shù)進(jìn)行了全面綜述。

盡管以上研究為光與生物組織相互作用的理解提供了重要依據(jù)，但從國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，關(guān)于結(jié)構(gòu)光在生物組織中傳輸?shù)南到y(tǒng)性綜述仍然較少。特別是近年來，隨著各種特殊結(jié)構(gòu)光（如渦旋光束、矢量光束等）的研究逐漸成熟，其在生物組織中的傳輸特性和作用機(jī)制得以更清晰地呈現(xiàn)。研究表明，利用結(jié)構(gòu)光的特性不僅能夠揭示光與生物組織相互作用的復(fù)雜規(guī)律，還能為醫(yī)學(xué)診斷和治療提供全新的解決方案?；诋?dāng)前研究現(xiàn)狀，未來關(guān)于結(jié)構(gòu)光與生物組織相互作用的研究可以重點(diǎn)關(guān)注以下幾個方向：（1）生物組織對復(fù)雜光場的調(diào)制作用[19-21]。探索生物組織對特殊結(jié)構(gòu)光的散射、吸收和偏振調(diào)控機(jī)制，并開發(fā)相應(yīng)的理論模型，這對于理解結(jié)構(gòu)光在復(fù)雜生物介質(zhì)中的傳輸規(guī)律具有重要意義。（2）結(jié)構(gòu)光在生物組織中的動態(tài)行為[22-23]。研究結(jié)構(gòu)光在動態(tài)生物環(huán)境（如運(yùn)動的細(xì)胞、流動的血液等）中的傳輸特性，評估其在復(fù)雜生物體系中的應(yīng)用潛力，這將有助于揭示光與動態(tài)組織之間的相互作用。（3）新型光學(xué)治療和診斷技術(shù)的開發(fā)[24-25]。利用結(jié)構(gòu)光的高自由度特性，探索其在精準(zhǔn)醫(yī)療中的創(chuàng)新應(yīng)用。例如，基于特定光場的靶向治療、非侵入式成像技術(shù)等，可為臨床醫(yī)學(xué)提供更加高效和安全的方法。（4）人工智能與結(jié)構(gòu)光的結(jié)合[26-29]。將機(jī)器學(xué)習(xí)與光場調(diào)控技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)實時建模與優(yōu)化方法，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)光與生物組織相互作用的精準(zhǔn)預(yù)測與控制，這將為復(fù)雜生物環(huán)境中的光學(xué)應(yīng)用提供智能化解決方案。

深入研究結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸機(jī)制不僅能深化人們對光與生命科學(xué)結(jié)合前沿的理解，還能進(jìn)一步推動生物醫(yī)學(xué)光學(xué)技術(shù)的革新。例如，利用結(jié)構(gòu)光的特性可以優(yōu)化現(xiàn)有的成像和治療方案，甚至開發(fā)出全新的光學(xué)工具，為解決生命科學(xué)領(lǐng)域的重大問題提供新思路和新方法。

1 結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

1.1 不同頻率/波長結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

根據(jù)波長的不同，可將電磁波劃分為多種類型。在傳統(tǒng)光學(xué)領(lǐng)域中，研究通常集中在可見光及其附近的波長范圍內(nèi)。然而，隨著生物光子學(xué)的快速發(fā)展，科學(xué)家們的研究已超越可見光，擴(kuò)展到更廣的波長范圍， 如太赫茲（ terahertz，THz）波段[30]。這種擴(kuò)展研究不僅推動了光學(xué)理論的發(fā)展，也為生物組織中的光傳輸提供了新的應(yīng)用場景。

在激光治療[31] 領(lǐng)域，不同波長的光在生物組織中的傳輸特性備受關(guān)注。例如，Barbosa 等[32]研究了不同波長低能量激光治療（low level lasertherapy， LLLT）的衰減系數(shù)。他們使用波長為660，830和904 nm 的光照射大鼠和豬的皮膚、脂肪及肌肉組織，測量光束的衰減系數(shù)。結(jié)果顯示，隨著組織厚度的增加，光的透過率顯著減小。其中，904 nm 波長的光在大鼠皮膚和豬脂肪、肌肉組織中的衰減較小，而830 nm 波長的光在豬皮膚中的衰減最小。這表明，不同波長的光在不同生物組織中具有不同的衰減特性，這為臨床選擇合適的治療波長提供了依據(jù)。

Kaub 等[33] 也對激光治療的波長選擇進(jìn)行了研究。他們使用波長為905 nm 和1 064 nm 的激光，分析了它們在新鮮豬皮和牛肌肉組織中的穿透深度。研究者利用超聲波設(shè)備測量了組織樣本的厚度，并采用兩種商用激光治療裝置進(jìn)行了光傳輸實驗。結(jié)果顯示，1 064 nm 波長的激光在穿透組織上部10 mm 厚度時表現(xiàn)較好，但在深層組織中，光束的脈沖模式和峰值模式對傳輸效果的影響更為顯著。這些研究為激光治療裝置的設(shè)計優(yōu)化提供了有價值的數(shù)據(jù)支持。近年來，激光治療的應(yīng)用已廣泛擴(kuò)展至多個領(lǐng)域，如脫發(fā)治療[34]、放射性骨壞死治療[35]、傷口愈合[36] 等，這說明激光治療在臨床實踐中具有一定的優(yōu)勢和潛力。除了激光治療，不同波長的光在生物檢測中的應(yīng)用也有重要的研究價值。例如，F(xiàn)eng 等[37]利用1 300～1 800 nm 的多波長光聲技術(shù)測量骨膠原蛋白含量，評估骨骼健康狀態(tài)。這種基于光譜特性的檢測方法為疾病診斷和生物組織分析提供了新的手段。此外，利用人工智能，研究人員能夠更加精確地選擇光的波長，從而實現(xiàn)更為準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)成像[28]。

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)神經(jīng)調(diào)控技術(shù)[38] 近年來取得了顯著進(jìn)展。傳統(tǒng)的光遺傳學(xué)技術(shù)[39-40]雖然具有高時空分辨率和細(xì)胞類型特異性，但由于腦組織對光的散射和吸收能力較強(qiáng)，其在深腦區(qū)域的應(yīng)用受到限制，通常需要依賴光纖的插入。這種操作會帶來組織損傷、炎癥和感染的風(fēng)險，從而影響實驗設(shè)計的靈活性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。為解決這一問題，研究人員將相關(guān)研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向長波長的光。

長波長的光（如近紅外光）具有更強(qiáng)的組織穿透力和更低的光毒性，因此成為了光神經(jīng)調(diào)控的重要研究對象[41]。此外，光的次級效應(yīng)（如光熱、光聲和光電化學(xué)效應(yīng)）也被用于神經(jīng)調(diào)控[42-44]。例如，結(jié)合納米材料的光轉(zhuǎn)導(dǎo)器可以實現(xiàn)更高的時空分辨率，同時最大程度地減少組織損傷。這種技術(shù)的進(jìn)步為深腦區(qū)域的非侵入式光學(xué)神經(jīng)調(diào)控提供了新的可能性。在波長范圍的拓展中，有關(guān) THz 波段的研究也逐漸受到大家的關(guān)注。太赫茲光譜技術(shù)結(jié)合太赫茲成像技術(shù)[45]，為生物組織分析和疾病診斷提供了全新的工具。Zhang 等[46]對太赫茲生物技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并探討了其潛在應(yīng)用。Martins 等[47]綜述了從深紫外到太赫茲波段的寬光譜范圍內(nèi)，生物組織光學(xué)特性的測量方法和結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展，為廣波段光學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，Cherkasova 等[48] 展示了近年來有關(guān)太赫茲波細(xì)胞生物效應(yīng)的研究成果。這些研究表明，太赫茲波具有獨(dú)特的非侵入式檢測能力。但當(dāng)前人們對太赫茲輻射的生物安全限值的了解較為有限，其臨床應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

從可見光到近紅外光，再到太赫茲波段，不同波長結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸研究不斷推動著生物光子學(xué)的發(fā)展。這些研究不僅拓展了光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用邊界，也為醫(yī)學(xué)診斷、激光治療、光學(xué)神經(jīng)調(diào)控等領(lǐng)域提供了新的解決方案。未來，隨著光學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，長波長的光和太赫茲波的應(yīng)用有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，為生物醫(yī)學(xué)研究帶來更多創(chuàng)新和突破。

1.2 不同偏振結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

偏振光在結(jié)構(gòu)光研究中的重要性不容忽視。與隨機(jī)振動的非偏振光相比，偏振光在穿透生物組織時表現(xiàn)出獨(dú)特的散射和吸收現(xiàn)象[49-52]。這些現(xiàn)象不僅為理解生物組織的光學(xué)特性提供了全新的理論視角，也為醫(yī)療成像和疾病診斷開辟了新的技術(shù)路徑。研究偏振光在生物組織中的傳輸規(guī)律，既有助于提升成像質(zhì)量，又為新型光生物學(xué)技術(shù)[53] 的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。在早期研究中，Sankaran 等[49-50] 設(shè)計了一套偏振光測量系統(tǒng)，利用He–Ne 激光器、光彈調(diào)制器、偏振片、波片、光電探測器和鎖相放大器等設(shè)備，測量了不同偏振狀態(tài)下的光強(qiáng)度。他們重點(diǎn)分析了線偏振光和圓偏振光在豬組織樣本和采用不同大小的聚苯乙烯微球懸浮液模擬的生物組織樣本中的散射和去偏振效應(yīng)。研究結(jié)果表明，在生物組織中線偏振光比圓偏振光更容易去極化（即偏振狀態(tài)變得不再特定）。這說明生物組織對不同偏振光的作用機(jī)制存在顯著差異。

近年來，針對偏振光的去偏振效應(yīng)，Meglinski等[54] 進(jìn)一步開展了相關(guān)研究。他們深入探討了偏振光在復(fù)雜生物組織環(huán)境中的傳輸規(guī)律，并提供了關(guān)鍵的實驗數(shù)據(jù)支持。Lopushenko 等[55] 關(guān)注了圓偏振光在渾濁類組織內(nèi)部的去偏振現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)多次散射會導(dǎo)致圓偏振光的偏振退化。然而，他們的研究同時表明，在無序介質(zhì)中，由于優(yōu)先散射的相互作用，圓偏振光仍然能夠表現(xiàn)出一定程度的偏振記憶效應(yīng)。這種現(xiàn)象與散射過程中自旋角動量守恒密切相關(guān)，為理解偏振光在復(fù)雜介質(zhì)中的行為提供了新的物理視角。

有關(guān)偏振光的研究并不局限于理論分析和數(shù)值模擬，其在生物組織微觀結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用研究也日益增多。例如，Mueller 矩陣已經(jīng)成為表征生物組織微觀結(jié)構(gòu)特征的重要工具，它對組織微觀結(jié)構(gòu)的變化高度敏感，能顯著提高成像的質(zhì)量和對比度。同樣，在微觀結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，Song等[56] 開發(fā)了一種連續(xù)Stokes 成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以秒級刷新率快速跟蹤組織在光學(xué)透明化過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化。這一高效成像技術(shù)為實時觀測生物組織動態(tài)變化提供了重要手段。此外，Pardo等[57] 使用Mueller 矩陣成像系統(tǒng)研究了皮膚、骨骼肌、結(jié)締組織和脂肪的偏振特性。Chen 等[58] 開發(fā)了Mueller 矩陣偏振成像系統(tǒng)，揭示了生物組織偏振特性的機(jī)械穩(wěn)定性。該研究對病理結(jié)構(gòu)的精確診斷具有重要意義。

在實際應(yīng)用中，偏振光技術(shù)也被廣泛用于生物組織病理變化的研究。例如，Stoilova 等[59] 利用 Zeta–20 偏光顯微鏡和 635 nm 半導(dǎo)體泵浦固體激光器，研究了人肺組織標(biāo)本中病變（如黑肺病、肺結(jié)核、流感性肺炎、肺梗塞及惡性腫瘤）組織的偏振特性（如圖2 所示）。通過測量光束的基本偏振參數(shù)（如方位角、橢圓率角、偏振度和照明功率），他們分析了光在與生物組織相互作用后的偏振狀態(tài)的變化。這些研究不僅揭示了病變組織的光學(xué)特性，還為疾病的快速檢測和診斷提供了新的光學(xué)手段。此外，偏振光在生物組織中的傳輸機(jī)制還涉及其與生物組織之間復(fù)雜的相互作用。Tuchin[60] 系統(tǒng)總結(jié)了生物組織偏振各向異性的內(nèi)在根源，并結(jié)合理論和實驗深入探討了偏振光與生物組織的相互作用機(jī)制。他對隨機(jī)和準(zhǔn)有序組織中的單次散射與多次散射的特征進(jìn)行了分析，揭示了偏振光在復(fù)雜介質(zhì)中的主要交互特性。這些研究不僅有助于深化人們對偏振光傳輸規(guī)律的理解，還為基于偏振光的成像和診斷技術(shù)提供了重要的理論支撐。

有關(guān)偏振光在生物組織中的傳輸?shù)难芯考由盍巳藗儗ι锝M織光學(xué)特性的理解，并為醫(yī)療成像和疾病診斷提供了重要技術(shù)支持。這類研究從對散射和去偏振效應(yīng)的探索，到在微觀結(jié)構(gòu)表征與醫(yī)學(xué)診斷、遙感監(jiān)測等領(lǐng)域的實踐應(yīng)用，都展現(xiàn)出不斷拓展的技術(shù)潛力。

1.3 不同復(fù)振幅結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

振幅與相位調(diào)控對光在生物組織中的傳輸研究具有重要意義。生物組織的強(qiáng)散射特性是限制光學(xué)成像深度的主要原因。特別是表層結(jié)構(gòu)的散射效應(yīng)會顯著削弱成像的質(zhì)量。為克服這些困難，波前整形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Vellekoop 等[61] 于2007 年首次引入了這一技術(shù)。其核心原理是利用入射波與發(fā)射波之間的確定性關(guān)系，通過調(diào)控入射波的相位或振幅來補(bǔ)償散射介質(zhì)引起的失真，從而實現(xiàn)目標(biāo)位置的光聚焦。在這個過程中，空間光調(diào)制器[62] 成為最常用的工具。近年來，Wu 等[63] 提出了一種基于數(shù)字微鏡器件的新型光學(xué)儀器。它具有高刷新率和多調(diào)整模式的特點(diǎn)，在生物組織成像中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。同期，Li 等[64] 對波前整形技術(shù)的最新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，為該領(lǐng)域的研究提供了新的見解。

在早期研究中，Chance 等[65] 利用散射和吸收測量技術(shù)，深入探討了人體組織的光學(xué)特性。他們提出，通過測量光的振幅和相位，可以計算出人體組織的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，進(jìn)而揭示生物組織的光學(xué)本質(zhì)。這些研究為波前整形技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，并為其在復(fù)雜生物組織中的應(yīng)用提供了重要支持。近年來，May 等[66] 開發(fā)了一種快速收斂的動態(tài)自適應(yīng)散射補(bǔ)償全息術(shù)，并將其應(yīng)用于高度散射的小鼠海馬組織的雙光子熒光成像，成像深度達(dá)到530 μm。這一方法不僅顯著提升了散射補(bǔ)償?shù)男Ч?，還為非侵入性成像的研究提供了新的方向。

此外，人工智能（artificial intelligence，AI）的引入進(jìn)一步推動了復(fù)雜光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展。Park 等[67] 通過實驗展示了AI 在定量相位成像（quantitative phase imaging，QPI）中的廣泛應(yīng)用，包括圖像重建、增強(qiáng)、分割、分類和跨模態(tài)轉(zhuǎn)換（如圖3 所示）。例如，深度學(xué)習(xí)方法在去除QPI圖像中的像差、斑點(diǎn)和相干噪聲等方面取得了卓越的成效，同時在細(xì)胞和病原體的分類中也表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性。AI 與QPI 的協(xié)同組合顯著提升了生物成像的性能，減少了數(shù)據(jù)處理的時間和成本，拓寬了QPI 在生命科學(xué)中的應(yīng)用范圍。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法為未來生命科學(xué)領(lǐng)域的成像研究提供了重要支持。

除了散射補(bǔ)償與AI 技術(shù)的應(yīng)用，研究者們在相位與振幅相互作用的探索上也獲得了重要進(jìn)展。Telenkov 等 [68] 構(gòu)建了基于頻率域光熱成像的非侵入性成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用相干鎖相放大技術(shù)，結(jié)合參考信號與檢測信號的特定頻率成分，實現(xiàn)了對生物組織深度的高精度振幅與相位成像。這種技術(shù)解決了傳統(tǒng)光聲成像的成像深度有限的問題，為非侵入性診斷開辟了新路徑。另一方面， Zaitsev 等[69] 在光學(xué)相干彈性成像（optical coherence elastography，OCE）中優(yōu)化了相位梯度測量方法，并結(jié)合模擬與實驗提出了降低噪聲影響的新策略，從而提高了應(yīng)變圖的精度。這一方法為高分辨率生物組織成像提供了更為可靠的技術(shù)手段。

當(dāng)前，有關(guān)不同復(fù)振幅分布的光在生物組織中傳輸?shù)难芯吭诓粩嗌钊耄⒄宫F(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。通過精確調(diào)控光的振幅與相位特性，研究者能夠有效提高光在復(fù)雜生物介質(zhì)中的傳播能力，從而提升成像質(zhì)量與治療效果。波前整形技術(shù)、AI 算法和相位–振幅測量方法的持續(xù)進(jìn)步不僅為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了新工具，也為臨床醫(yī)學(xué)帶來了新的可能性。

1.4 不同渦旋結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

攜帶軌道角動量（orbital angular momentum，OAM）的渦旋光束在粒子捕獲、成像、醫(yī)學(xué)診斷、微機(jī)械、自旋電子學(xué)和量子信息等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在過去20 年中，研究者們深入研究了渦旋光束在自由空間和介質(zhì)中的傳播特性，并揭示了其相位奇異性和光學(xué)渦旋的特征[70-73]，這些研究為理解渦旋光束的獨(dú)特性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

與普通光束相比，渦旋光束在生物組織中的傳輸表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。Liu 等[74] 研究發(fā)現(xiàn)，生物組織會對渦旋光束的部分性質(zhì)產(chǎn)生影響。隨著傳輸距離的增加，渦旋光束的暗空心特征會逐漸減弱，渦旋光束逐漸演化為類高斯光束，這一變化對其在生物成像和診斷中的應(yīng)用具有重要意義。Wang 等[75] 使用空間光調(diào)制器生成不同OAM 值的LG 渦旋光束，研究其在散射微珠和腦組織中的傳輸特性。結(jié)果顯示：在彈道區(qū)，含OAM和不含OAM 的光束的透過率無顯著差異；而在擴(kuò)散區(qū)，OAM 值越高，光束透過率越大，這表明渦旋光束具有更強(qiáng)的穿透能力。

近年來，研究者進(jìn)一步探討了不同渦旋光束在生物組織中的傳輸規(guī)律及潛在應(yīng)用。Biton 等[76]以新鮮雞胸肉為實驗介質(zhì)，研究了不同階數(shù)LG 光束的透過率。他們發(fā)現(xiàn)隨著光束拓?fù)浜蓴?shù)的增加，其在生物組織中的衰減系數(shù)逐漸減小，穿透性顯著增強(qiáng)。Li 等[77] 探討了渦旋光束的結(jié)構(gòu)對其在生物組織中傳輸能力的影響。Fu 等[78] 討論了OAM 對渦旋光束穿透深度的影響。Meglinski等[79] 使用LG 光束對正常和癌變組織樣本進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)LG 光束的OAM 在2 種組織中均得以保持，并產(chǎn)生了顯著的相移。此外，LG 光束對組織折射率變化的敏感性比普通光束高約1 000 倍，從而顯示出其在疾病診斷中的應(yīng)用潛力。Mamuti等[80]進(jìn)一步研究了渦旋光束在類似生物組織的隨機(jī)散射介質(zhì)中的OAM 保持特性， 驗證了OAM 在散射傳輸中的記憶效應(yīng)。

Mamani 等[81] 探討了不同氧含量下小腦組織對極化多極激光束OAM 傳輸?shù)挠绊?。他們研究了正常氧狀態(tài)[ 氧體積分?jǐn)?shù) = 21%] 和缺氧狀態(tài)[ = 7% ] 下小腦組織對不同極化和不同OAM 值光束的傳輸特性。實驗發(fā)現(xiàn)，光態(tài)（OAM 和極化）與腦組織的氧含量會共同影響光束的傳輸效率。光束在控制組（正常氧狀態(tài)）的小腦組織中的透過率高于缺氧組，并表現(xiàn)出區(qū)域性的多極矩相互作用。初步結(jié)果表明，OAM 光束在小腦組織中的傳輸受到組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和氧含量的顯著影響，這為進(jìn)一步研究渦旋光束在活體組織中的應(yīng)用提供了方向。

Khanom 等[82] 對攜帶OAM的LG 光束在復(fù)雜散射介質(zhì)中的傳播進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們利用改進(jìn)的馬赫–曾德爾干涉儀以及蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）模擬方法，分析了不同散射介質(zhì)中LG 光束的強(qiáng)度和相位分布。研究表明：在低散射介質(zhì)中，LG 光束能夠較好地保持OAM 和相位相干性；而在多散射介質(zhì)中，LG 光束雖然部分特性受到影響，但仍保留一定的OAM 記憶效應(yīng)。這說明，渦旋光束在復(fù)雜介質(zhì)中的獨(dú)特傳輸特性可為光學(xué)通信和遙感等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。

除光學(xué)特性外，渦旋光束對生物樣本的作用也受到了關(guān)注。He 等[83] 探討了不同OAM 光束對小球藻生長情況的影響。他們測試了不同角動量光束在小球藻藻液中的透過率，并進(jìn)一步研究了這些光源對細(xì)胞密度、葉綠素含量及生物大分子合成的影響。結(jié)果表明，右旋光和攜帶OAM的光束在透過率上具有優(yōu)勢，且OAM 光束顯著促進(jìn)了蛋白質(zhì)合成。這些發(fā)現(xiàn)為光生物技術(shù)的開發(fā)提供了新思路。

渦旋光束在生物組織中的傳輸特性及其廣泛應(yīng)用前景為結(jié)構(gòu)光的研究開辟了新領(lǐng)域。從穿透深度的提升到對生物組織的高靈敏度響應(yīng)，渦旋光束展現(xiàn)出巨大的潛能。

1.5 不同空間相干結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸

空間相干結(jié)構(gòu)光與生物組織的相互作用一直是光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過精確調(diào)控光的時空相干性，研究者能夠獲得多種獨(dú)特的相干光束。這些光束在生物成像、光學(xué)操控和信息傳遞等方面具有重要的應(yīng)用價值。相干光場的研究不僅推動了光學(xué)理論的發(fā)展，還為復(fù)雜生物介質(zhì)中的光傳輸提供了新的技術(shù)路徑和應(yīng)用前景。

在相關(guān)研究中，Duan 等[84] 探討了空間相干長度對高斯–謝爾模型（ Gaussian Schell model，GSM）渦旋光束在湍流生物組織中光譜偏移的影響。結(jié)果顯示，光束的空間相干性能夠加速光譜變化并減慢光譜跳躍。進(jìn)一步研究表明，不同類型的部分相干光束，例如不攜帶渦旋位相和攜帶渦旋位相的隨機(jī)電磁GSM 光束[85-86] 以及部分相干圓刃型位錯光束[87-88] 等在生物組織中的傳輸存在顯著差異。這些研究為解析部分相干光在生物組織中的傳輸特性奠定了重要基礎(chǔ)。

Wu 等[89] 對比了3 種具有不同相干結(jié)構(gòu)的部分相干光束，具體包括GSM、拉蓋爾–高斯謝爾模型（Laguerre Gaussian Schell model，LGSM）和貝塞爾–高斯謝爾模型（ Bessel Gaussian Schellmodel，BGSM）光束在生物組織湍流中的傳輸特性。研究表明，GSM 光束在組織湍流中的變化相對較小，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。Ni 等[90] 研究了部分相干圓平頂高斯渦旋光束在組織中的傳輸特性，分析了各參數(shù)對平均強(qiáng)度和偏振度分布的影響，并探討了其在醫(yī)學(xué)成像和診斷中的潛在應(yīng)用價值。而Zhang 等[91] 進(jìn)一步研究了厄米高斯相關(guān)謝爾模型（Hermite Gaussian correlated Schellmodel，HGCSM）光束在組織湍流中的平均強(qiáng)度分布和光束質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其對組織湍流的敏感性低于GSM 光束，并且在傳輸過程中不會表現(xiàn)出自分裂特性。Chib 等[92] 研究了部分相干廣義平頂雙曲余弦厄米高斯光束的傳輸行為，結(jié)果顯示，光束在生物組織中的輪廓逐漸趨向高斯分布，但在不同組織中表現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性。在大鼠肝組織中，光束能夠更長時間地保持甜甜圈形狀，而在小鼠肝組織中光束受湍流影響更大。

光學(xué)相干顯微鏡技術(shù)作為一種基于相干光學(xué)的高分辨率成像工具，在生物組織研究中發(fā)揮著重要作用。Min 等[93] 將光學(xué)相干顯微鏡與連續(xù)切片技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了連續(xù)光學(xué)相干顯微鏡（ serial optical coherence microscopy， SOCM） 系統(tǒng)，用于小鼠腦和腎組織的成像研究。他們選取腦成像模型和腎疾病模型，通過SOCM 系統(tǒng)獲取高分辨率和寬視野的三維成像數(shù)據(jù)，并利用多種圖像處理算法對組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，如腦組織的立體特征分析和腎血管體積變化的測量。與核磁共振成像和傳統(tǒng)組織學(xué)顯微鏡成像相比，SOCM 技術(shù)能夠在不需要標(biāo)記或造影劑的前提下使天然3D 結(jié)構(gòu)可視化，并能精確測定區(qū)域的體積。這一技術(shù)不僅在腦和腎組織的研究中展現(xiàn)出優(yōu)勢，在其他器官的研究中也具有一定的潛力，特別是在與其他光學(xué)技術(shù)結(jié)合后，其應(yīng)用邊界能得到進(jìn)一步拓展。

由于生物組織折射率的波動，傳統(tǒng)光束在組織中的傳輸距離通常較短，且在傳播過程中光場的相干性和強(qiáng)度會迅速發(fā)生變化[13]。與傳統(tǒng)光束相比，相干光束在湍流條件下表現(xiàn)出更好的抗擾動能力。例如，廣義平頂光束和厄米高斯光束在復(fù)雜介質(zhì)中的穩(wěn)定性和傳輸效率均優(yōu)于傳統(tǒng)光束。因此，相干與部分相干光束或許能成為應(yīng)對生物組織散射和湍流影響的有效工具，為改善激光在組織中的信息傳遞和能量分布提供新思路。

隨著相干光束技術(shù)和光學(xué)相干顯微鏡的不斷發(fā)展，研究者能夠更深入地探討生物組織中的光學(xué)傳輸規(guī)律。這些技術(shù)不僅在基礎(chǔ)光學(xué)研究中扮演著重要角色，還為生物醫(yī)學(xué)的成像與診斷提供了全新的手段。

2 結(jié)論與展望

結(jié)構(gòu)光具有高自由度和可調(diào)控性，為光與生物組織相互作用的研究提供了全新的視角。從頻率/波長、偏振、復(fù)振幅到相干性和時空結(jié)構(gòu)的調(diào)控，結(jié)構(gòu)光的多維特性為生物光子學(xué)、組織光學(xué)和光生物學(xué)等學(xué)科的研究注入了新的動力。本文系統(tǒng)梳理了結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸效應(yīng)及其應(yīng)用潛力，歸納了不同類型光的傳輸特性和其在復(fù)雜組織環(huán)境中的行為規(guī)律，結(jié)合國內(nèi)外研究成果討論了相關(guān)領(lǐng)域的研究方向及存在的問題。

近年來，關(guān)于光與生物組織相互作用的研究已取得了重要進(jìn)展，例如：不同頻率/波長結(jié)構(gòu)光的研究揭示了不同波長光在組織中的吸收、散射及透射規(guī)律，為激光治療、光學(xué)成像和光學(xué)神經(jīng)調(diào)控等技術(shù)提供了理論依據(jù)；不同振幅、相位結(jié)構(gòu)光在醫(yī)學(xué)成像方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢；偏振光及其調(diào)控特性在組織診斷和病變識別中具有重要應(yīng)用價值；部分相干光束、渦旋光束等結(jié)構(gòu)光在組織傳輸中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和抗擾動能力，為研究復(fù)雜介質(zhì)中的光學(xué)傳輸特性提供了有力支持。雖然科學(xué)家在相關(guān)研究中已取得顯著成果，但結(jié)構(gòu)光在生物組織中的傳輸機(jī)制仍存在諸多未解決的問題，如結(jié)構(gòu)光在復(fù)雜異質(zhì)性組織中的動態(tài)行為，多層散射環(huán)境下光場的演化規(guī)律等。生物組織的復(fù)雜性和異質(zhì)性會導(dǎo)致光傳輸過程中的散射和吸收效應(yīng)難以被精確預(yù)測。盡管 Kolmogorov湍流模型[94] 等已成為相關(guān)研究的基礎(chǔ)工具，但現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型和模擬方法仍難以全面描述組織的多尺度結(jié)構(gòu)和動態(tài)散射行為，從而可能導(dǎo)致光場特性表征與實際情況之間存在偏差。與模擬研究相比，基于真實生物組織的實驗研究相對較少，且實驗設(shè)計往往在高度理想化或簡化條件下進(jìn)行，難以全面反映真實生物環(huán)境中的復(fù)雜動態(tài)變化。例如，不同組織類型對光場的響應(yīng)差異較大[13， 95]，但現(xiàn)有研究尚缺乏對多種生物組織及其動態(tài)特性的系統(tǒng)性分析。如何在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的高效傳輸和精確調(diào)控，仍是未來研究中的關(guān)鍵性難題。針對這些不足，未來的研究可以聚焦于改進(jìn)生物組織光學(xué)模型，提升實驗研究的真實性與多樣性，探索結(jié)構(gòu)光在動態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用，推動人工智能與光學(xué)技術(shù)的融合，以及進(jìn)行多學(xué)科合作等。