DOI: https://doi.org/10.3389/fphot.2025.1636398
تاريخ النشر: 2025-08-21
المؤلف: Gennadi Saiko وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهولوجرافيا الرقمية والميكروسكوبية
نظرة عامة
تتناول هذه المراجعة الخصائص البصرية للدم، مع التركيز على خصائص الامتصاص والتشتت ومعامل الانكسار عبر الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة. المساهمون الرئيسيون في هذه الخصائص البصرية هم الماء والهيموغلوبين، حيث يظهر الهيموغلوبين اختلافات كبيرة في الامتصاص بين أشكاله المؤكسدة وغير المؤكسدة في نطاق 400-1,100 نانومتر. يحدث التشتت بشكل أساسي بسبب كريات الدم الحمراء، ويتأثر بعوامل مثل الهيماتوكريت، والأكسجة، ومعدل القص، والأسمولية. معامل التشتت المنخفض يبلغ حوالي 13 سم\(^{-1}\) عبر الطيف المرئي، مع عامل أنيسوتروبي مرتفع يشير إلى تشتت موجه للأمام. بينما يكون لكريات الدم البيضاء والصفائح الدموية تأثير ضئيل على الخصائص البصرية العامة، فإن خصائص تشتتها ذات صلة في تطبيقات طبية حيوية مختلفة.
تؤكد الخاتمة على أهمية الخصائص البصرية للدم في التقنيات الطبية الحيوية، خاصة في طرق مثل قياس نسبة الأكسجين في الدم. وتبرز أن الخصائص البصرية تحكمها إلى حد كبير كريات الدم الحمراء، التي تتمتع بقدرات امتصاص وتشتت أكبر بكثير من تلك الخاصة بالمكونات الأخرى. يلعب احتواء الهيموغلوبين داخل كريات الدم الحمراء دورًا حاسمًا في تحديد هذه الخصائص، مما يتطلب الحذر عند استنتاج النتائج من محاليل الهيموغلوبين. بالإضافة إلى ذلك، تشير المراجعة إلى أن القياسات البصرية يمكن أن تتأثر بعوامل مثل قطر الأوعية وظروف تدفق الدم، مما يبرز الحاجة إلى تصميم تجريبي دقيق لأخذ التأثيرات المحتملة المربكة مثل التخثر والترسيب في الاعتبار.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الدور الحاسم للدم كسوائل حيوية في نقل الأكسجين والمواد الغذائية أثناء إزالة النفايات، مع التأكيد على خصائصه البصرية المميزة التي تمكن من استخدام طرق بصرية طبية حيوية متنوعة. وضعت الملاحظات التاريخية من لافوازييه وبيشات الأساس لفهم الخصائص البصرية للدم، التي تم دراستها كميًا منذ ظهور الطيف الضوئي. ساهم باحثون بارزون مثل أنغستروم، وهوب، ودرايبكين في تعزيز فهم الهيموغلوبين ومشتقاته، مما أسس لأساس البحث المستمر في بصرية الدم.
تؤكد الورقة على الطبيعة الديناميكية لبصرية الدم، خاصة في ضوء التقدم التكنولوجي الأخير الذي وسع التطبيقات إلى ما هو أبعد من الإعدادات السريرية التقليدية إلى صحة المستهلك. على سبيل المثال، اكتسب قياس نسبة الأكسجين في الدم شعبية في الأجهزة الاستهلاكية، على الرغم من أن الفروق بين القياسات ذات الجودة الاستهلاكية والقياسات ذات الجودة السريرية تبرز الحاجة إلى فهم أعمق لخصائص الدم البصرية. تهدف المقالة إلى تقديم نظرة شاملة على الامتصاص والتشتت ومعامل الانكسار للدم ومكوناته، مع معالجة كل من الرؤى التاريخية والتطورات الحديثة في هذا المجال. كما تميز بين بلازما الدم والمصل، اللذين لهما صلة بالقياسات البصرية الحيوية، وتنظم المناقشة في أقسام تبني من المكونات الفردية إلى الدم الكامل، مما culminates في ملخص للنتائج الرئيسية.
النتائج
تلخص قسم النتائج الفحوصات المستقلة للامتصاص ومعامل الانكسار والتشتت لكشف الأنماط العامة والترابطات في سلوك الدم البصري. تعزز هذه التحليل التكاملي من فهم كيفية تفاعل هذه الخصائص البصرية، مما يوفر رؤى قيمة حول الآليات الكامنة وراء استجابة الدم للضوء.
لدى النتائج تداعيات سريرية كبيرة، حيث إنها تُعلم تطوير وتحسين تقنيات التشخيص والمراقبة البصرية. من خلال توضيح العلاقات بين هذه الخصائص البصرية، تساهم الأبحاث في تحسين دقة وفعالية أدوات التشخيص غير الغازية في الإعدادات السريرية.
مناقشة
يركز قسم المناقشة في ورقة البحث على خصائص الامتصاص للدم ومكوناته، مع التأكيد على أهمية فهم المساهمات الفردية في تفاعلات الضوء مع الأنسجة. تعتبر معاملات الامتصاص والانقراض مركزية في هذا التحليل، حيث يتم استخدام قانون بير-لامبرت لربط شدة الضوء المنقول بتركيز الكروموفورات في وسط غير متشتت. يبرز القسم أن معامل الامتصاص $\mu_a$ يمكن التعبير عنه من حيث معاملات الانقراض وتركيزات الكروموفورات، وأنه يتأثر بمعامل الانكسار المعقد للعينة، الذي يمكن ربطه بالامتصاص من خلال علاقات كرامرز-كرونيغ.
تحدد خصائص امتصاص الدم بشكل أساسي من خلال مكوناته: البلازما، وكريات الدم الحمراء (RBCs)، والبروتينات. البلازما، التي تتكون في الغالب من الماء، تظهر خصائص امتصاص تهيمن عليها الماء في النطاق تحت الأحمر، بينما تساهم البروتينات بشكل كبير في الامتصاص في الأطياف فوق البنفسجية والمرئية. يتم تفصيل معاملات امتصاص الهيموغلوبين، مع ملاحظة الاختلافات بين الأوكسيهيموغلوبين والهيموغلوبين غير المؤكسد، ومناقشة تأثير عوامل مثل الهيماتوكريت، والأكسجة، ومعدل القص، والأسمولية على الامتصاص. من الجدير بالذكر أن القسم يكشف أن معاملات الامتصاص تنخفض مع زيادة التحلل الدموي وأن توزيع مكونات الدم يؤثر على امتصاص الضوء بسبب ظواهر مثل الحماية الذاتية وتأثير المنخل. بشكل عام، تؤكد النتائج على تعقيد الخصائص البصرية للدم والحاجة إلى اعتبار دقيق لهذه العوامل في القياسات والتطبيقات البصرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fphot.2025.1636398
Publication Date: 2025-08-21
Author(s): Gennadi Saiko et al.
Primary Topic: Digital Holography and Microscopy
Overview
This review discusses the optical properties of blood, emphasizing its absorption, scattering, and refractive index characteristics across the visible and near-infrared spectrum. The primary contributors to these optical properties are water and hemoglobin, with hemoglobin exhibiting significant absorption differences between its oxygenated and deoxygenated forms in the 400-1,100 nm range. Scattering is predominantly caused by red blood cells, influenced by factors such as hematocrit, oxygenation, shear rate, and osmolarity. The reduced scattering coefficients are approximately 13 cm\(^{-1}\) across the visible spectrum, with a high anisotropy factor indicating forward-directed scattering. While white blood cells and platelets have minimal impact on the overall optical properties, their scattering characteristics are relevant in various biomedical applications.
The conclusion reiterates the importance of blood’s optical features for biomedical technologies, particularly in methods like pulse oximetry. It highlights that the optical properties are largely governed by red blood cells, whose absorption and scattering capabilities are significantly greater than those of other components. The encapsulation of hemoglobin within red blood cells plays a crucial role in determining these properties, necessitating caution when extrapolating results from hemoglobin solutions. Additionally, the review notes that optical measurements can be affected by factors such as vessel diameter and blood flow conditions, underscoring the need for meticulous experimental design to account for potential confounding effects like coagulation and sedimentation.
Introduction
The introduction of the paper highlights the critical role of blood as a biofluid in transporting oxygen and nutrients while removing waste, emphasizing its distinct optical properties that enable various biomedical optical methods. Historical observations by Lavoisier and Bichat laid the groundwork for understanding blood’s optical characteristics, which have been quantitatively studied since the advent of spectrophotometry. Notable contributions from researchers such as Ångström, Hoppe, and Drabkin have advanced the understanding of hemoglobin and its derivatives, establishing a foundation for ongoing research in blood optics.
The paper underscores the dynamic nature of blood optics, particularly in light of recent technological advancements that have expanded applications beyond traditional clinical settings into consumer health. For instance, pulse oximetry has gained popularity in consumer devices, though discrepancies between consumer-grade and clinical-grade measurements highlight the need for a deeper understanding of blood’s optical properties. The article aims to provide a comprehensive overview of the absorption, scattering, and refractive index of blood and its components, addressing both historical insights and recent developments in the field. It also distinguishes between blood plasma and serum, which are relevant in biooptical measurements, and organizes the discussion into sections that build from individual components to whole blood, culminating in a summary of key findings.
Results
The results section synthesizes the independent examinations of absorption, refractive index, and scattering to reveal overarching patterns and interdependencies in blood’s optical behavior. This integrative analysis enhances the understanding of how these optical properties interact, providing valuable insights into the mechanisms underlying blood’s response to light.
The findings have significant clinical implications, as they inform the development and refinement of optical diagnostic and monitoring techniques. By elucidating the relationships between these optical characteristics, the research contributes to improving the accuracy and efficacy of non-invasive diagnostic tools in clinical settings.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the absorption properties of blood and its components, emphasizing the importance of understanding individual contributions to light-tissue interactions. The absorption and extinction coefficients are central to this analysis, with the Beer-Lambert law being utilized to relate the transmitted light intensity to the concentration of chromophores in a non-scattering medium. The section highlights that the absorption coefficient $\mu_a$ can be expressed in terms of extinction coefficients and chromophore concentrations, and it is influenced by the complex refractive index of the sample, which can be linked to absorption through the Kramers-Kronig relations.
The absorption characteristics of blood are primarily determined by its components: plasma, red blood cells (RBCs), and proteins. Plasma, which consists largely of water, exhibits absorption properties dominated by water in the infrared range, while proteins contribute significantly to absorption in the UV and visible spectra. Hemoglobin’s absorption coefficients are detailed, with variations noted between oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin, and the influence of factors such as hematocrit, oxygenation, shear rate, and osmolarity on absorption is discussed. Notably, the section reveals that absorption coefficients decrease with increased hemolysis and that the distribution of blood components affects light absorption due to phenomena like self-shielding and the sieve effect. Overall, the findings underscore the complexity of blood’s optical properties and the need for careful consideration of these factors in optical measurements and applications.