真问真答：静脉血管为什么是蓝色的｜大象公会
2016/11/3 22:23:20智煜 大象公会
物体的颜色首先取决于反射了什么光。实验表明，在皮下深度不到 0.2mm 时，可以看作血管直接在白光下，因而也能够反映其真实颜色——红色。比如我们的毛细血管，考虑到它们通常都极细，所以只要你能看到的，都在相当浅的皮下(如耳朵外缘)，颜色自然就是红的。
而蓝色或者青绿色的血管则在皮下较深处。此时光需要穿透人体皮下组织这样的半透明介质，其传播就要复杂得多。其中最重要的，是会发生瑞利散射——蓝光这样的短波长光，穿透能力差，传播过程中朝四面八方的散射比红光这样的长波光快得多。定性地说，越往深处，蓝光被散射掉越多，到达血管的可见光就越偏红。
这就造成一个有趣的现象：从皮下深处血管反射回来的红光相对蓝光减少了。有研究人员通过人体超声波测量和体外模拟血管皮下环境两个实验证实了这点：假设皮下血管在某一深度，它反射进入人眼的长波(以红光为代表)与短波(以蓝光为代表)比例是 5:2，而往深处推进一点，这一比例却可能是 3:1.8——红光所占比例下降了。
模拟测量的反射率随深度变化曲线，可见总体上长波段的反射率变化更大
研究人员使用的模拟实验装置
控制深度变量，血管越粗或者含氧量越低的血管(一般来说对应静脉)，这个现象也越明显。一个可能的解释是，超过一定深度，由于入射光中的短波穿透能力差，导致反射的短波光，主要由靠近人眼这一侧的管壁反射而来，因而不会被血管吸收。而长波反射光则不同，它有相当一部分是由穿透血管而从另一侧管壁反射回来的光构成，被血液吸收、散射掉的就很明显了。
可是，红光在反射光中比例虽有降低，也还是以它居多，在光学上不应该是人们所见的蓝色或者青绿色。要理解其中缘由，还需考虑人类的色觉形成机制。
除了视网膜的三种视锥细胞，人类的色觉决定还涉及大脑视觉处理的各种神经机制。研究发现，预测人类血管颜色的算法中，必须考虑一种叫色恒常(color constancy)的机制，才能得出符合感知的“青绿色”、“蓝色”结果。
考虑色恒常后，算法得出的结果：最右一栏可以看出，由深到浅，不同直径的血管分别呈蓝色、青绿色、红色
顾名思义，“色恒常”是解决这样一个问题：为什么黄光照到白色物体，白光照到黄色物体——反射进入人眼的同为黄光，但正常人在这两个情境下，依然能轻易分辨出前者为白色，后者为黄色。
图中正对你这一面的橙色中心块和上面的棕色中心块，其实它们反射的光完全一样，但你能清楚地分辨出两者颜色不同
研究证实，大脑皮层中有专门的神经元(double-opponent cells)负责完成这项工作。它们判断视野里存在的立体形状和反射平面，进而从整体上“猜测”相应物体是在什么照明条件下——比如阴影还是亮光，黄光还是白光。然后再从视野的每一个区域里去除掉这个照明条件，最终得出物体的真实颜色。所以，一个点的颜色不光是由自身的反射光决定，还要考虑它的相邻区域。
色恒常是一个方便我们生存的有效系统，但它也有一个弱点：容易被极端的照明条件欺骗，形成错觉。“蓝血”正是因为血管与其相邻区域在毫米以下的尺度上“嵌”在一起，它们彼此反射光组成的不同会对大脑的色恒常处理构成强烈的干扰。事实上，研究人员采用蒙特卡洛算法来进行模拟实验，就是为了应对皮下这种复杂的几何关系。值得一提的是，如果把色恒常算法中血管周围组织、皮肤等的光学参数调至接近我们黄皮肤，就能够得出血管会由蓝色逐渐向青绿色变化的结果，这也符合经验。
为了方便直观理解，请看下面这个同样与色恒常有关的错觉:
图中蓝色的螺旋其实和绿色完全一样。仔细观察可以发现横穿过“蓝色”和绿色螺旋的细条颜色并不一样，而且互相是以很小很密的锯齿“咬合”在一起的，使得人脑的色恒常处理功能陷入混乱。
验证这个解释也很简单：凑近一点，全神贯注只盯着蓝色的部分看，就会发现它没有那么蓝了。
2015 年初，曾火爆于推特、微博的一张白平衡不佳的裙子照片，让不少死活认为它是白金色 的人产生了“存在的绝望”。同样是色恒常出错，只是它并非由颜色嵌合导致，而是极端的照明条件。
后来证实它确实是蓝黑色，图中标注了其不同部分的 RGB 值
具体说来，就是因为此时由于裙子的材质、整个环境的照明情况等等，使得相机的白平衡判断正好处在是“明亮的黄光照射”还是“整个处在阴影下”的模棱两可之处，而有些人的色恒常能力稍弱，就会认为是后者，从而导致颜色判断错误。
▼ 点击阅读原文，向大象公会提问。
http://weixin.100md.com
返回 大象公会 返回首页 返回百拇医药