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大家好，我是丛林医生。
今天起，将撰写系列文章，介绍皮肤的光学特性及其对激光作用于皮肤的治疗作用的影响。
这部分知识主要涉及皮肤中包括靶色基在内的组织结构以及光学知识，虽然较为枯燥，却是光电医生“应知应会的基础原理”。
希望大家通过学习，能更好的做好激光治疗。
一、什么是“皮肤的光学特性”？
通俗地说，皮肤的光学特性是由于皮肤中不同的组织结构具有不同的特性，在光进入皮肤后的与光产生不同的相互作用，从而影响激光与光对皮肤的治疗作用。当光线照射到皮肤时，它不会直接穿透，而是像进入了一个复杂的“半透明迷宫”：一部分在内部像撞进浓雾一样乱跳，发生散射（让光线变宽、变浅）；还有一部分被黑色素、血管或水分精准地“吃掉”并转化成热量，这就是吸收。简单来说，光学特性决定了光线能钻多深、在哪儿发热、以及最后剩多少能量。搞清楚这些，医生才能像选钥匙开锁一样，选对激光波长来精准治疗皮肤问题，而不伤及无辜组织。皮肤的光学特性及其临床意义图源：使用谷歌AI制作
二、皮肤的混浊介质特性
通俗地讲，皮肤的“混浊介质”特性，就是指它像一碗“加了料的浓汤”或者“早晨的大雾”一样，光线进去后无法走直线。
为了更形象且直观的展示，我们可以把皮肤与空气和水做个对比：1. 形象对比：三种介质的光学差异
2. 皮肤为什么“混浊”？
皮肤之所以混浊，是因为它内部充满了大小不一的颗粒：胶原纤维（真皮里的“迷雾”）：它们就像是大雾天气里的密集水滴。激光射入真皮层时，主要就是被这些纤维给撞散的。细胞和细胞器：就像汤里的“蛋花”，光线碰到它们也会改变方向。真皮层粗大的胶原纤维当皮肤老化时，胶原纤维断裂、排列紊乱，更容易对进入真皮的激光与光产生散射。3. 混浊特性对激光治疗有什么影响？
这种“混浊”特性给激光治疗带来了两个最直接的挑战：因为光线一进去就乱跑，原本很细的激光束进入皮肤后会迅速变宽，能量也就被稀释了。所以，如果要打深层的目标（比如脱毛），必须使用大光斑，使更多的光子进入皮肤中，即便有很多光子偏离方向，但会有更多的光子作用于靶组织。就像你在浓雾里开远光灯，光线会反弹回来晃你的眼睛。激光在皮肤深层乱弹时，有一部分会反弹回表皮。如果表皮没保护好（比如没降温），这些反弹回来的能量可能把皮肤表面烧伤。皮肤的混浊介质特性与水、空气的比较图源：使用谷歌AI做图
三、光与皮肤的光学相互作用
当光照射生物组织时，由于光子与组织上或组织内的色基相互作用，观察到各种效应。色基具有高度依赖于波长的散射系数(μs)和吸收系数(μa)。根据Young的研究 (1996)，色基只与分子中的共轭多键(不饱和)原子有关，因为它们决定了分子的吸收特性。但是在临床实践中，色基这个术语被宽松地用来描述整个分子。除了设备和组织的治疗参数外，组织的光学和热性质也会影响光的相互作用。光学性质决定光在组织体积内的分布，而热性质处理光能转换为热以及通过热传导的热传输。当光子撞击生物组织时，它显示出特定的光分布，包括反射、散射、透射、吸收和再发射。通常，一种或多种相互作用的组合占主导地位，这取决于入射能量和组织特性。可测量的再发射、反射和透射量通常被称为宏观光学性质，与波长、组织类型和各层厚度有关。光子的分布以及由此产生的宏观光学特性取决于：折射、散射、吸收。图源：皮肤美容激光实用入门（丛林主译）四、反射、折射、散射、吸收、透射和再发射
反射（Reflection）是光线接触皮肤时发生的第一个光学反应。镜面反射 (Specular Reflection)：发生部位：主要发生在空气与角质层（皮肤最外层）的交界面。漫反射 (Diffuse Reflection)：原理：如果角质层干燥、脱屑或纹理深，光线会向四面八方散射。折射（Refraction）是光线跨越不同介质界面时，由于传播速度发生变化而导致方向改变的物理现象。虽然折射在表皮表面的表现最为显著，但在深层组织中，它以更微观、更弥散的形式持续影响着激光的能量分布。折射遵循斯涅尔定律（Snell's Law），主要取决于介质的折射率（n）。空气的n≈1.0，而角质层的n≈1.45-1.50。当激光斜射入皮肤时，光线会向法线方向大幅度偏折。这是能量进入皮肤的第一道门槛。表皮含水量较低(n~1.40-1.45),真皮由于富含水分和胶原，折射率略低(n≈1.36-1.38)。虽然两层间的折射率差异较小，但在基底层附近的凹凸结构(真皮乳头)会产生细微的偏折和汇聚效应。光进入真皮后，在宏观上不再有清晰的直线折射路径，但在微观尺度上，折射是散射的根本原因。胶原纤维束的折射率（约 1.43）与周围细胞外基质（主要成分是水，约 1.34）存在差异。光子每穿过一根纤维，就会发生一次微小的折射。成千上万次这种微观折射的累积，在宏观上就表现为强烈的散射。因此，光进入真皮后，你看不见像光线射入水中那样清晰的“折射角”，但因为折射而形成显著的散射。图源：使用谷歌AI制作散射（Scattering）：是决定激光治疗效果最核心、也最让医生“头疼”的物理现象。组织中的散射发生在折射率不均匀的地方，例如宏观上来自肌肉纤维或皮肤层，或者微观上来自细胞核、有丝分裂和细胞内结构。组织的散射系数（取决于波长）μs（λ）（cm-1）是颗粒将光子从光束中散射出来的能力的度量，并且是一种复杂的现象。①Rayleigh散射（瑞利散射）②Mie散射（米氏散射）③ 漫反射散射散射很重要，因为它是可见光与近红外辐射的主要相互作用，从而决定了光子在组织内的体积分布和治疗效果。散射会使光子失去能量并分散，它们穿透到密度更大的介质时，整体效率会降低。组织的散射系数(μs)随着波长的增加而减小，对于大多数皮肤组织，散射系数明显大于吸收系数(μa)（就是散射大于吸收）。因此，一部分入射光子能够深入皮肤，而忽略色基的吸收。光子与皮肤内的结构如胶原束相互作用，并重复进行，直到光束从皮肤表面射出(再发射)或被给定的色基吸收。图源：参考文献2透射（Transmission）是指光线穿过皮肤组织结构的现象。透射不仅仅是“穿过”，它是吸收、散射和折射共同博弈后的“剩余能量”。再发射（Remittance 或 Diffuse Reflectance）：如果光子在散射过程中没被黑色素或血液吸收，它就有可能重新回到皮肤表面。这种“进去—散射—出来”的过程，在宏观上看起来就像是皮肤自己又“发射”出了微弱的光，所以被称为“再发射”。医生可以通过分析再发射出来的光。如果出来的光里红色变少了，说明皮肤里面的血红蛋白“吃掉”了很多红光；如果出来的光很弱，说明皮肤里的黑色素很多。现在的很多皮肤检测仪，本质上就是在捕获并分析这些“再发射的光子”。欢迎选购我主译的《皮肤美容激光实用入门》签名本（即将绝版），这本书第一章的基础原理内容，详细的介绍了皮肤的光学特性及激光与皮肤组织的相互作用。含有大量图示。作为入门书，内容通俗易懂，有助于快速上手。
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参考文献：
1 丛林主译. 《皮肤美容激光实用入门》第一章
2Gajinov Z, Matić M, Prćić S, et al. Optical properties of the human skin/Optičke osobine ljudske kože[J]. Serbian Journal of Dermatology and Venereology, 2013, 2(4): 131-136.
3谷歌AI