生物光子学3-02

1、主讲人：刘立新西安电子科技大学第第 3 章章光与生物体的相互作用光与生物体的相互作用 内容回顾内容回顾1. 光与生物体的相互作用：光与生物体的相互作用：吸收、反射、折射、散射、吸收、反射、折射、散射、发光、发光、光化学、光声等多种表现形式或现象；光化学、光声等多种表现形式或现象；2. 光与分子光与分子的相互作用，是光与生物体相互作用的基础；的相互作用，是光与生物体相互作用的基础；3. 光与细胞光与细胞的相互作用会引发一系列连锁反应，并产生物理、的相互作用会引发一系列连锁反应，并产生物理、热力学、机械或化学上的各种变化，但这些大部分是由光热力学、机械或化学上的各种变化，但这些大部分是由光的的线性

2、吸收线性吸收引发的；引发的；3 内容回顾内容回顾4. 组织组织对光的传播产生对光的传播产生吸收吸收、散射、折射和反射；、散射、折射和反射；n 在弱光照明（如普通照明灯或连续激光光源）下组织的光吸收为线在弱光照明（如普通照明灯或连续激光光源）下组织的光吸收为线性吸收，可由性吸收，可由朗伯朗伯-比尔定律比尔定律来描述，即薄层材料所吸收的辐射能来描述，即薄层材料所吸收的辐射能与总辐射能的比值，依赖于吸收物质的性质以及入射光波长和吸收与总辐射能的比值，依赖于吸收物质的性质以及入射光波长和吸收层的厚度；层的厚度；n 组织吸收的表征：吸收截面、吸收系数；组织吸收的表征：吸收截面、吸收系数；n 近红外光测量

3、和治疗的光学窗口近红外光测量和治疗的光学窗口（600-900nm，NIR window）；n 描述组织对光的吸收程度随光波长变化的曲线即为描述组织对光的吸收程度随光波长变化的曲线即为吸收光谱吸收光谱，通常，通常以吸光度或吸收系数作为纵坐标，以波长或波数作为横坐标来表示。以吸光度或吸收系数作为纵坐标，以波长或波数作为横坐标来表示。43.4.1 组织对光的吸收组织对光的吸收3.4.2 组织对光的散射组织对光的散射3.4.3 生物组织与荧光生物组织与荧光3.4.4 光热效应和光声效应光热效应和光声效应3.4.5 光化学效应光化学效应3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用5n 散射效应散

4、射效应n 弹性散射弹性散射 n 非弹性散射非弹性散射n 组织体出射光子的分类和修正的朗伯比尔定组织体出射光子的分类和修正的朗伯比尔定理理 3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用6反射、折射、漫反射和散射 3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用71 1、散射效应、散射效应（1）反射反射遵守菲涅尔（遵守菲涅尔（Fresnel）定律，即入射角等于反射角且入射光线和）定律，即入射角等于反射角且入射光线和反射光线在同一个平面内。反射光线在同一个平面内。组织体的折射率在红光及近红外波段一般取为1.4。p水为 1.33，p脂肪组织约为1.45，p牙等硬组织为1.62，p其它组织为

5、 1.36-1.40 光在组织体中的传播速度约为光在组织体中的传播速度约为0.21mm/ps（3）对于生物组织来说由于其表面的粗燥度大于辐射的波长，因此会出）对于生物组织来说由于其表面的粗燥度大于辐射的波长，因此会出现现漫反射漫反射，此时被反射的许多光束向不同的方向无规则地反射，反射光线，此时被反射的许多光束向不同的方向无规则地反射，反射光线并不一定处于同一平面。并不一定处于同一平面。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用8（2）折射折射遵守斯涅尔（遵守斯涅尔（Snell）定律，即）定律，即n1sin1=n2sin2；在激光医学的应用；在激光医学的应用中，只有当光照射到角膜这样的

6、透明介质时折射才起重要作用。中，只有当光照射到角膜这样的透明介质时折射才起重要作用。n当光垂直照射某些介质时，当光垂直照射某些介质时，在光的传播方向之外，甚至在在光的传播方向之外，甚至在媒质的侧面也会看到光束的轨迹，这种现象无法用反射或媒质的侧面也会看到光束的轨迹，这种现象无法用反射或折射现象来解释。折射现象来解释。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用9n光在组织体中的散射被认为是由于组织体的光在组织体中的散射被认为是由于组织体的密度、折射率、密度、折射率、介电常数介电常数等的空间杂乱分布引起的，等的空间杂乱分布引起的，散射改变了光子的传播散射改变了光子的传播方向方向。3.4

7、光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用10宏观尺度（宏观尺度（macroscopical level)：如果组织体的不均匀尺度远大于波长如果组织体的不均匀尺度远大于波长的数量级，例如处理组织体边界、组织体和探测器以及组织体之间的区的数量级，例如处理组织体边界、组织体和探测器以及组织体之间的区域时，我们称之为宏观尺寸域时，我们称之为宏观尺寸发生折射，反射，漫反射发生折射，反射，漫反射如果尺度达到可见光波长数量级的组织小块间存在折射率的较大差异，如果尺度达到可见光波长数量级的组织小块间存在折射率的较大差异，光线除了按照几何光学规律传播发生反射和折射外，还会发生散射。光线除了按照几何光学规律传

8、播发生反射和折射外，还会发生散射。强散射性正是源于组织体折射率的半微观上的不强散射性正是源于组织体折射率的半微观上的不均匀性！均匀性！物质的粒子性物质的粒子性3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用11散射与组织体的均匀性相关联！散射与组织体的均匀性相关联！n散射的类型（根据光量子和被作用分子是否有能量交换） 拉曼散射非弹性散射米散射瑞利散射寸）弹性散射（根据粒子尺散射-频率高的光子表现出的粒子性强，频率低的光子表现出的波动性强。 3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用12组织中光散射分类组织中光散射分类133.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用142、

9、弹性散射 所谓的弹性散射是指散射光和入射光具有相同的波矢所谓的弹性散射是指散射光和入射光具有相同的波矢和波长，即光量子和被作用分子间和波长，即光量子和被作用分子间没有能量的交换没有能量的交换。A Ag ge eo om me et tr ri ic ca al l c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on ne ef ff fe ec ct ti iv ve e c cr ro os ss s- -s se ec ct ti io on n = = Q Q A As ss s1）单个粒子的散射、散射截面）单个粒子的散射、散射截面 散射截面(scattering

10、 cross-section)3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用153.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用160scasPIAIPin00()outsPIA散射的定义散射的定义散射截面表示了入射光强度和散射功率之间的比例关系。（A）入射光束到达散射体之前，其功率是均匀的，Pin=I0A，其中I0是光波的强度，A是截面积；（B）和散射体作用后，部分能量由于散射而偏离原来的传播方向，光束的强度不再均匀；（C）散射的功率等于入射光束中某一面元s的功率，s正是散射截面。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用17following Fresnel &

11、 Snell Laws3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用根据尺度参数的大小，弹性散射可分为三类：18弹性散射的分类：n瑞利散射瑞利散射(x1)：n散射强度和观察方向的关系：散射光强度随观察方向变化，并且由于瑞利散射和散射角余弦的平方有关，因此瑞利散射前后向对称。n散射强度与波长的四次方成反比，散射截面以及散射光强度随波长增加而减小。Q: 解释大气对太阳光的散射，晴天天空是蔚蓝的。正午的太阳基本呈白色的？（因为在大气散射的太阳光中，短波长光占优势）3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用19n米散射米散射(0.1x50) ：n对波长的依赖性弱；n散射粒子的尺寸与光波

12、长相近时，散射光强度的对称性被破坏；n散射具有强烈的前向趋势，且随着颗粒尺寸的增加，散射的前向趋势也随之增大。入射光方向入射光方向散射粒子尺寸变大Mie散射的散射光强随着粒子尺寸的变大具有更强烈的前向趋势散射的散射光强随着粒子尺寸的变大具有更强烈的前向趋势Q: 解释白云为什么是白色的？（因为其中的小水滴的尺寸接近于可见光波长，可见光在小水滴上产生米散射，又由于散射光强和光波长的关系不大，所以云雾看起来是白色的。）3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用20n发生在组织体内的弹性散射发生在组织体内的弹性散射 瑞利散射和米散射均不能很好地描述光在生物组织体发生的散射过程，此时需要定义一

13、个用来度量散射各向异性的量或称为各向异性系数。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用212）多个粒子的散射、散射系数）多个粒子的散射、散射系数 散射系数（散射系数（scattering coefficient） ss 在具有多种散射体的混合媒质情况下，总的散射系数由下式决定：在具有多种散射体的混合媒质情况下，总的散射系数由下式决定：iiisiiss)()()(,3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用 如果单位体积内具有如果单位体积内具有个散射粒子，每一个粒子的散射截面均为个散射粒子，每一个粒子的散射截面均为S，定义散射系数为定义散射系数为 经过距离经过距离 l 后没

14、有被散射的光强可表示为后没有被散射的光强可表示为：0eslII223、非弹性散射：、非弹性散射： 在散射过程中入射光量子和被测分子之间进行在散射过程中入射光量子和被测分子之间进行能量交换能量交换，即散射光波长和入射光波长不相等，这类散射称为非弹性即散射光波长和入射光波长不相等，这类散射称为非弹性散射。散射。非弹性散射可能发生在两种情况下，一是当光被移动非弹性散射可能发生在两种情况下，一是当光被移动着的微粒所散射，发生着的微粒所散射，发生多普勒频移多普勒频移；另一种是发生；另一种是发生拉曼散拉曼散射射，即分子振动态的变化使散射光产生频移。，即分子振动态的变化使散射光产生频移。3.4 光与生物组织

15、的相互作用光与生物组织的相互作用2324多普勒效应多普勒效应是为纪念克里斯琴是为纪念克里斯琴多普勒多普勒约翰（约翰（Doppler, Christian Johann）而命名的，他于）而命名的，他于1842年首先提出了这一年首先提出了这一理论。理论。主要内容：主要内容：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高短，频率变得较高 （蓝移蓝移 blue shift）；当运动在波源后面）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得

16、较低时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低 （红移红移red shift）。）。例如，例如，火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。近而远时汽笛声变弱，音调变低。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用多普勒频移拉曼散射弹性碰撞：瑞利散射非弹性碰撞：拉曼散射3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用25 关于拉曼散射的讨论：关于拉曼散射的讨论：3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用26n拉曼散射拉曼散射n拉曼散射与入射光的波长无关，只与物质本身的分子结拉曼散射与入射光的波

17、长无关，只与物质本身的分子结构和振动有关。构和振动有关。n可被用于研究物质化学组成和分子结构，尤其是介质中可被用于研究物质化学组成和分子结构，尤其是介质中分子的振动能级。分子的振动能级。n当入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能当入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量相叠加，因此利用拉曼光谱可以把处于红量和光子能量相叠加，因此利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。外区的分子能谱转移到可见光区来观测。 3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用27n拉曼散射拉曼散射n拉曼散射的应用：拉曼散射的应用： （a）肺癌组织和（b）正常组织的拉曼

18、光谱3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用28 浑浊介质（浑浊介质（turbid medium）:同时存在吸收和散射的介质。同时存在吸收和散射的介质。 总衰减系数总衰减系数(total attenuation coefficient)： 总衰减截面总衰减截面(total attenuation cross section) ： 平均自由程平均自由程(mean free path): 光漫反照率光漫反照率(optical albedo):sattsatttl1sasa 定义结合了吸收和散射之后的新参数定义结合了吸收和散射之后的新参数3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作

19、用294、组织体出射光子的分类和修正的朗伯比尔定理 修正的朗伯比尔定理(modified Lambert-Beers law, MLBL) 对于对于足够薄的媒质足够薄的媒质（光传播路径小于平均散射自由程），多次散射可以（光传播路径小于平均散射自由程），多次散射可以被忽略，假设入射光强被忽略，假设入射光强I0，可以得到经过厚度为，可以得到经过厚度为l的组织体后的光强为：的组织体后的光强为：0alII e 光学厚层媒质光学厚层媒质，由于多次散射作用增加了光子在组织体中传输的路，由于多次散射作用增加了光子在组织体中传输的路径长度，因此也极大地增加了光子被吸收的可能性。径长度，因此也极大地增加了光子被

20、吸收的可能性。II可以肯定的是：3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用30思路：对路径进行修正ODcBlGG：代表背景引起的损耗：代表背景引起的损耗B：称为路径因子：称为路径因子(differential pathlength factor, DPF)，描述由散射引起的光传播路径的加长。描述由散射引起的光传播路径的加长。则Lamber-Beer 定理可以写成：101tlII elB l为光学距离modified Lambert-Beers law3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用31ODclBeer定理：定理： n出射光子的分类n对于生物组织这样的混沌介质，如果

21、以超短激光脉冲入对于生物组织这样的混沌介质，如果以超短激光脉冲入射，则出射的光可以按照其在组织体中传播的时间被分射，则出射的光可以按照其在组织体中传播的时间被分为三类。为三类。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用32。n出射光子的分类n通常三类出射光子中漫散射光占大多数；n弹道光和蛇形光又被统称为早期到达光。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用33（1）弹道光的特点p 光子具有相同的且最短的光子飞行时间。p 在光的入射方向出射。p 保持了入射光的相干性。（2）蛇形光的特点p 飞行时间略长于弹道光。p 出射方向分布在入射光方向周围较小的立体角内。p 基本保持了入射

22、光的相干性。共性p可应用L-Bp 穿透深度小Application: OCT (optical coherence tomography)（3）漫射光的特点p 经过不同的路径到达表面，在组织内传播所经历的飞行时间差异很大。p 组织体的表面的出射光强是一个时间分布曲线（temporal profile），分布曲线的形状不但和组织体厚度有关而且和组织体的光学参数有关。p 出射方向几乎是任意的。p 不再保持相干性。Application：DOT (diffused optical tomography)p无法应用L-B3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用34 1.生物组织的荧光效应2

23、.荧光发光的表征 3.生物组织的自体荧光与外荧光3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用35Glow sticksA Firefly at night with its abdomen lit up.Fireflies at night, exposure time 30 secondsFireflies Bioluminescence!3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用3637 Fluorescent cells: Bovine pulmonary arthery endothelial cells1、生物组织的荧光效应3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织

24、的相互作用38吸收光频:iivShvS光化学初级过程：荧光产生步骤：发射光频:ffvhvSS荧光是物质在吸收了外来激发光并通过光化学过程后发射的波长长于激发光的光。分为自体荧光和外源荧光。动力学过程动力学过程: :3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用39荧光是如何产生的？荧光是如何产生的？自旋和原来方向一致自旋和原来方向一致和原来方向相反和原来方向相反三重态三重态(T)(T)具有比单重态具有比单重态(S)(S)更低的能量和更大的激发态寿命。更低的能量和更大的激发态寿命。 单重态（singlet, S）：同一轨道上的电子具有相反方向的自旋。单重激发态：电子在新轨道中的自旋方向和原

25、来相同。三重（triplet, T）激发态：电子在新轨道中的自旋方向和原来相反。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用40S*S*T*吸收吸收发射荧光发射荧光发射磷光发射磷光系间跨越内转换振动弛豫外转换外转换吸收吸收振动弛豫外转换S0振动弛豫1 1）无辐射跃迁的方式回到第一）无辐射跃迁的方式回到第一或第三重激发态的最低振动态或第三重激发态的最低振动态能级转换图能级转换图3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用41电子回到基态过程电子回到基态过程: :2 2）通过辐射跃迁或无辐射跃迁）通过辐射跃迁或无辐射跃迁的方式回到基态的方式回到基态荧光和磷光的产生过程荧光和磷光的产

26、生过程无辐射跃迁无辐射跃迁：指以放热的形式将多余的能量辐射给周围环境，包括：(a) 振动驰豫振动驰豫 ( vibrational relaxation, VR)：振动态内的跃迁：振动态内的跃迁(b) 内转换内转换 ( internal conversion, IC)：单（三）重态到单（三）重态间：单（三）重态到单（三）重态间的跃迁的跃迁(c) 外转换外转换 ( external conversion, EC)：激发态到基态的跃迁：激发态到基态的跃迁(d) 系间跨越系间跨越 ( intersystem crossing, ISC)：单重态到三重态间的跃迁：单重态到三重态间的跃迁辐射跃迁辐射跃迁：

27、指以放光的形式将多余的能量辐射给周围环境。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用42总总 结结采用采用振动驰豫振动驰豫 ( vibrational relaxation,VR)( vibrational relaxation,VR)、内转换、内转换(internal conversion,IC)(internal conversion,IC) 回到单重激发态的最低振动态回到单重激发态的最低振动态外转换外转换回到基态振动驰豫振动驰豫无辐射跃迁无辐射跃迁系间跨越、系间跨越、振动驰豫振动驰豫回到三重激发态的最低振动能级3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用43 回到基态最

28、高振动能级产生荧光产生荧光产生磷光产生磷光n荧光光谱荧光光谱n荧光光谱形状和吸收光谱的形状极为相似，并呈现荧光光谱形状和吸收光谱的形状极为相似，并呈现“镜像镜像”现象现象（能级结构近似）；（能级结构近似）；n荧光荧光波长总是比激发波长稍长（斯托克斯红移）；波长总是比激发波长稍长（斯托克斯红移）；n发射光谱的形状和激发光的波长无关（发射都是从第一电子激发态发射光谱的形状和激发光的波长无关（发射都是从第一电子激发态的最低振动能级跃迁）；的最低振动能级跃迁）；3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用44 exc fluoIntensityWavelengthn只有一个荧光带（只有从第一电

29、子激只有一个荧光带（只有从第一电子激发态最低振动能级到基态的跃迁一条发态最低振动能级到基态的跃迁一条途径）；途径）；n荧光发射的强度和激发光的波长有关荧光发射的强度和激发光的波长有关（激发波长决定了激发效率）。（激发波长决定了激发效率）。2、荧光发光的表征 n量子效率量子效率/量子产额（量子产额（quantum yield）n影响量子产额的因素主要有：影响量子产额的因素主要有：n内部因素：分子内可进行能量转换的振动能级数目等内部因素：分子内可进行能量转换的振动能级数目等n外部因素：物质分子所处的环境（需要稳定的环境）外部因素：物质分子所处的环境（需要稳定的环境）吸收的光子数目发出的光子数目3.

30、4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用45n荧光强度荧光强度n假设强度为假设强度为I0的激发光入射到介质中，根据量子效率的定义和的激发光入射到介质中，根据量子效率的定义和L-B定理，能够检测到的荧光强度为：定理，能够检测到的荧光强度为：n其中其中 为摩尔吸收系数，为摩尔吸收系数， l为样品的厚度，为样品的厚度， C为样品中荧光剂的浓为样品中荧光剂的浓度（回顾一下度（回顾一下L-B定律）；定律）；n对于极稀的溶液：对于极稀的溶液：)1 (0lCFeII05. 0lClCIIF03.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用46n荧光寿命荧光寿命n在在 脉冲激励下，辐射由其本来强度

31、衰减到脉冲激励下，辐射由其本来强度衰减到1/e时所需要的时间，时所需要的时间，称为荧光寿命，用称为荧光寿命，用 表示；表示；n荧光寿命不受激发光强度的影响，和组织所处的环境，如离子浓荧光寿命不受激发光强度的影响，和组织所处的环境，如离子浓度、氧压、度、氧压、PH等有关，因此可以作为判别组织病变的一个指标。等有关，因此可以作为判别组织病变的一个指标。)exp(0tII3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用47 (a) 正常组织 (b) 良性肿瘤 (c)癌组织 乳腺组织的自荧光3、生物组织的自体荧光与外荧光n自体荧光：自体荧光：由生物组织体内固有的荧光团吸收一定波长的光而引由生物组织

32、体内固有的荧光团吸收一定波长的光而引起的荧光发射；起的荧光发射；n自体荧光光谱的特异性差异反映了病变组织的特异性，使自体荧自体荧光光谱的特异性差异反映了病变组织的特异性，使自体荧光光谱应用于医学诊断。光光谱应用于医学诊断。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用48n外荧光：外荧光：荧光探剂或发荧光的物质分子发射的荧光；荧光探剂或发荧光的物质分子发射的荧光；n大多数生物组织其大分子中不含荧光团，需要用能发荧大多数生物组织其大分子中不含荧光团，需要用能发荧光的物质与生物组织大分子共价结合，利用光的物质与生物组织大分子共价结合，利用荧光物质荧光物质的的荧光特性标记所要研究的大分子中的某

33、一基团荧光特性标记所要研究的大分子中的某一基团外在外在荧光团（探剂）荧光团（探剂）；n作为荧光探剂必须具备的条件：作为荧光探剂必须具备的条件：n探剂与被研究分子的某一基因必须能特异性地、牢固探剂与被研究分子的某一基因必须能特异性地、牢固地结合；地结合；n探剂的荧光必须对环境灵敏；探剂的荧光必须对环境灵敏；n结合的探剂不应该影响被研究的大分子的结构特性。结合的探剂不应该影响被研究的大分子的结构特性。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用49光子的行为会受组织体的影响光子的行为会受组织体的影响（吸收、散射、反射、折（吸收、散射、反射、折射），射），从而使光可以作为诊断的工具；从而使光

34、可以作为诊断的工具；光也可以影响细胞或组织体（产生某种效应），此时光可光也可以影响细胞或组织体（产生某种效应），此时光可以用来作为治疗的工具。以用来作为治疗的工具。光热效应就是光作为治疗工具的一种典型代表。光热效应就是光作为治疗工具的一种典型代表。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用3.4.4 3.4.4 光热效应和光声效应光热效应和光声效应501 1、光热效应、光热效应( (photothermal effect) )：光热效应：光热效应：由于组织体在曝光时间内吸收了激光的能量并使其转由于组织体在曝光时间内吸收了激光的能量并使其转化成了热，热效应的最终结果是造成了组织体的损伤

35、。化成了热，热效应的最终结果是造成了组织体的损伤。光热效应是医学上最常用的一种激光与生物组织相互作用之一，光热效应是医学上最常用的一种激光与生物组织相互作用之一，也是产生光声效应的基础。也是产生光声效应的基础。过程：过程：当光入射到组织体时，组织体中的分子吸收光的能量跃迁当光入射到组织体时，组织体中的分子吸收光的能量跃迁到高的振动或转动能级，在从高能级到低能级的无辐射跃迁中，到高的振动或转动能级，在从高能级到低能级的无辐射跃迁中，分子将能量释放给周围组织，从而引起周围组织发热。分子将能量释放给周围组织，从而引起周围组织发热。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用3.4.4 3.4

36、.4 光热效应和光声效应光热效应和光声效应51n设入射到组织体表面的光强为设入射到组织体表面的光强为E，曝光时间，曝光时间t，根据辐射率和组织体的吸，根据辐射率和组织体的吸收系数，得到光热密度（收系数，得到光热密度（J/cm3）表达式：）表达式：n其中其中E为光辐射率，单位为为光辐射率，单位为W/cm2，t为曝光时间，单位为为曝光时间，单位为s，Et常被常被称为辐射曝光量，单位为称为辐射曝光量，单位为 J/cm2 ；n光热密度引起的组织体表面温升为：光热密度引起的组织体表面温升为： n其中其中Cp是用来描述组织体对热的储存能力的热容（单位：是用来描述组织体对热的储存能力的热容（单位： ），），

37、 为密度（单位：为密度（单位：g/cm3），不同组织体对热的储存能力不同。），不同组织体对热的储存能力不同。aQEtpQTCoJ/(gC)3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用52n热的产生：n另外，当组织体表面被光照射后，由于光被表面组织或浅层组织吸收，另外，当组织体表面被光照射后，由于光被表面组织或浅层组织吸收，使得到达深层组织的辐射度减少，进而在深层组织内引起较小的温升，使得到达深层组织的辐射度减少，进而在深层组织内引起较小的温升，n在深度在深度z z处可能引起的温升为：处可能引起的温升为：n温升为表面温升的温升为表面温升的1/e1/e时对应的深度为：时对应的深度为： 是光

38、学穿透深度是光学穿透深度；n组织体内的温升或组织损伤程度主要取决于：组织体内的温升或组织损伤程度主要取决于：辐射能量密度辐射能量密度曝光时间曝光时间组织的特性参数组织的特性参数 eazT zT a13.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用53n热在组织中传导的表征：n当组织体被激光曝光后，热传导使得热量传播到未被曝当组织体被激光曝光后，热传导使得热量传播到未被曝光的组织，一方面导致未被曝光区域温度升高，另一方光的组织，一方面导致未被曝光区域温度升高，另一方面也导致曝光区域温度降低。面也导致曝光区域温度降低。n描述热在组织中传播的参数：描述热在组织中传播的参数：n热扩散率热扩散率：对

39、于生物组织，对于生物组织，n温度传导率温度传导率：n热穿透深度：热穿透深度：n热弛豫时间：热弛豫时间：3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用540.060.57(/)W /(m K)水2m /spCtherm( )4dtt2relax4T对于液态水和大多数组织对于液态水和大多数组织721.4 10 m / s1s法则法则 n热效应对组织的影响：n温度升高可产生可逆和不可逆两种组织体损伤过程温度升高可产生可逆和不可逆两种组织体损伤过程可逆：体温过高（可逆：体温过高（42-50 C）不可逆：凝结不可逆：凝结、汽化、碳化、熔融汽化、碳化、熔融3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的

40、相互作用55注意：注意：组织体的损伤是曝光能量、曝光时间以及组织体特性的综合组织体的损伤是曝光能量、曝光时间以及组织体特性的综合效应，如果提供了足够的功率密度和曝光时间，任何类型的激光器都效应，如果提供了足够的功率密度和曝光时间，任何类型的激光器都可使组织体碳化和熔融。可使组织体碳化和熔融。2、光声效应( (optoacoustic effect) )3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用56当当脉冲光脉冲光通过组织体时，组织体的吸收使样品内沉积了与组织光学参数通过组织体时，组织体的吸收使样品内沉积了与组织光学参数相关的相关的能量能量分布，从而短时间使组织体发热。周期性热流使周围

41、组织热分布，从而短时间使组织体发热。周期性热流使周围组织热胀冷缩，即产生胀冷缩，即产生热弹效应热弹效应，热弹效应激发，热弹效应激发超声波超声波，称为光声效应。，称为光声效应。当激光脉冲消失后，组织体恢复原状，因此热弹效应具有可逆性。当激光脉冲消失后，组织体恢复原状，因此热弹效应具有可逆性。兔脑的实物照片 兔脑的光声图像 n光声效应应用3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用57利用光声成像实现光声诊断利用光声成像实现光声诊断n光声成像特点：n和和X射线成像技术相比，光声成像对人体伤害小；射线成像技术相比，光声成像对人体伤害小；n和超声检测相比，光声效应的图像分辨率与其相当，而和超声

42、检测相比，光声效应的图像分辨率与其相当，而具有更高的对比度；具有更高的对比度；n光声检测具有功能成像的能力。光声检测具有功能成像的能力。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用58n光化学反应第一定律：光化学反应第一定律：n只有被反应体系吸收的辐射光才能产生有效的光化学反应；只有被反应体系吸收的辐射光才能产生有效的光化学反应；n光化学反应第二定律或爱因斯坦定律：光化学反应第二定律或爱因斯坦定律：n在光化学反应的初始阶段，体系吸收一个光子就能或一般只能活在光化学反应的初始阶段，体系吸收一个光子就能或一般只能活化一个分子；化一个分子；n光化学反应第三定律：光化学反应第三定律：n反应体系

43、吸收的光强度和入射光强度遵循朗伯反应体系吸收的光强度和入射光强度遵循朗伯-比尔定律。比尔定律。3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用59由光引起的物质化学结构改变的所有过程称为光化学反应。如光合作用、由光引起的物质化学结构改变的所有过程称为光化学反应。如光合作用、橡胶老化、氧变为臭氧和照相底片感光等。橡胶老化、氧变为臭氧和照相底片感光等。上面定理表面，只有能被分子吸收的光子，才能在系统中导致化学上面定理表面，只有能被分子吸收的光子，才能在系统中导致化学反应，即反应，即光化反应具有波长选择性光化反应具有波长选择性。n光化学效应3.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用60

44、光物理和光化学反应过程光物理和光化学反应过程光动力疗法的基础光动力疗法的基础光化机理光化机理I I型反应：光敏剂分子直接与邻近的基质发生反应释放出能量回到基态。型反应：光敏剂分子直接与邻近的基质发生反应释放出能量回到基态。IIII型反应：光敏剂物质的三重态直接与邻近的三重态氧分子相互作用，型反应：光敏剂物质的三重态直接与邻近的三重态氧分子相互作用，并使其转化为单重态氧，单重态氧再和基质发生作用生成氧化的物质。并使其转化为单重态氧，单重态氧再和基质发生作用生成氧化的物质。 在低功率密度（典型为在低功率密度（典型为1W/cm2)和长曝光时间（和长曝光时间（秒和连续波秒和连续波之间）下，发生光化学相

45、互作用。之间）下，发生光化学相互作用。 光动力疗法（光动力疗法（PDT）：）：将合适的生色团注射进身体内，单色光辐照将合适的生色团注射进身体内，单色光辐照有可能引起选择性的光化学反应，结果就形成某种生物转换作用，有可能引起选择性的光化学反应，结果就形成某种生物转换作用，引起光诱导反应，这种物质被称为光致敏剂（如卟啉、引起光诱导反应，这种物质被称为光致敏剂（如卟啉、ALA 等）。等）。 生物刺激：生物刺激：在极低的激发光功率下，已经观察到许多生物刺激效应在极低的激发光功率下，已经观察到许多生物刺激效应，如头发的生长、创伤的愈合、刺激胶原蛋白合成、抑制胶原蛋白，如头发的生长、创伤的愈合、刺激胶原蛋

46、白合成、抑制胶原蛋白合成、促进生长、抑制生长、血管形成、减轻疼痛等。合成、促进生长、抑制生长、血管形成、减轻疼痛等。 典型的激光：红色染料激光、二极管激光典型的激光：红色染料激光、二极管激光 典型脉冲持续时间：典型脉冲持续时间：1s连续连续 典型功率密度：典型功率密度：0.01-50W/cm23.4 光与生物组织的相互作用光与生物组织的相互作用61 光与组织的相互作用小结：1. 组织组织对光的传播产生吸收、散射、折射和反射；对光的传播产生吸收、散射、折射和反射；n 在弱光照明（如普通照明灯或连续激光光源）下组织的光吸收为线在弱光照明（如普通照明灯或连续激光光源）下组织的光吸收为线性吸收，可由性吸收，可由朗伯朗伯-比尔定律比尔定律来描述，即薄层材料所吸收的辐射能来描述，即薄层材料所吸收的辐射能与总辐射能的比值，依赖于吸收物质的性质以及入射光波长和吸收与总辐射能的比值，依赖于吸收物质的性质