生物医学中的光学与激光

1、生物医学中的光学与激光本讲内容概要1.引言学科背景基本概念:Biomedical Optics, Biomedical Photonics本讲的主要内容概述2.生物组织的光学特性：（组织对）光的吸收、反射和散射组织的光学特性光在组织中的传播规律光学诊断学的基础3.光和组织的相互作用光对组织的物理作用（治疗）测量应用（激光医学）4.光学检测及成像：光学相干层析成像Optical Coherence Tomography (OCT)其它的成像技术举例引言（1）本讲涉及的内容属于生物医学光子学(Biomedical Photonics)的范畴生物医学光子学与生物医学光学（Biomedical Opt

2、ics）区别（相同点与不同 点） ： 根据一般的定义，光学是指“可见光学”，它是电磁辐射中一种可被人眼感知的类 型；另一方面，光子学领域，它包括光子，即所有电磁辐射谱内的量子，它的定义 比光学的定义更广泛（图1）。 光子学包括与电磁辐射相关的光学技术与非光学技术，它是电场与磁场空间能量的 传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、射线、X射线到紫外、可见光、红 外、微波和无线电频率。 因此，生物医学光子学可以定义为研究所有波长范围的电磁辐射在医学中的应用的 科学与技术。这一领域包括对光或其它形式辐射能量（量子单元为光子）的产生与 操纵，采用大量的方法和技术，例如激光和其它光源，光纤，电子-光学仪

3、器，复 杂的微电子机械系统，纳米系统等，研究光吸收、发射、传导、散射和放大现象在 临床上的应用。 生物医学光子学的研究范畴包括临床诊断、治疗和疾病的防护。在人类的发展历史中，光学扮演着非常重要的角色：光的治疗作用17世纪光学显微镜的发明对其后200年间的生物学以及生物医学的研究起到了 非常重要的作用： 细胞理论：1830s 微生物学：1870s引言（2） 1895年，伦琴发现X射线X射线在疾病诊断中的应用其它许多科学发现和技术进步也极大地促进了生物医学光子学 地发展，为生物分子地研究、组织的鉴别以及疾病的诊断提供 了各种各样的工具 生物医学光子学的发展受到以下三个科学和技术革命的影响：量子理论

4、的革命（19001950s）技术革命（1940s-1950s）基因组学革命（1950s-2000）引言（3）量子理论的革命：光的概念的演变 1687年，牛顿的经典理论：包含了许多光的现象，如光的折射、白光 的本质、薄膜现象等，以及光学仪器，如显微镜，望远镜等 1865年，Maxwell的关于光传播的电磁波理论 随后的一系列关于光的本质的重大发现，对牛顿的经典理论提出了挑 战，导致了20世纪量子物理的革命爱因斯坦 光电效应：光的本质Hertz Max Planck：光的量子化 1905年，爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释，开拓了量子力学领域 光既不是连续的波，也不是小的粒子，而是以称为光子的波

5、的能量束形式存在，每一个光 子的能量取决于光波的频率 卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构，进一步验证了量子理论波粒二向性 从1926年到1933年，Heisenberg，Schrodinger和Dirac等人的理论工作，奠定了 量 子理论的坚实基础 基于量子理论，产生了诸如分子光谱技术和光子技术（比如激光、光 学活检、光镊以及近场探针等），为疾病的非浸入诊断、在分子级别 研究细胞的功能以及在基因级别治疗疾病提供了强大的工具，量子理 论也正由于其电子、原子、分子以及光本身的深刻理解为分子生物学 和遗传性奠定了基础DNA结构、细胞的分子结构的发现，疾病的基 因学，分子医学的基础。引言（

6、4）技术革命： 激光：Laser:受激辐射光放大提供了一种激发组织，疾病诊断以及组织切除了介入治疗的光源爱因斯坦提出了光子Lhe受激发射的假设Arthur Schawlow 和Charles Townes发表文章，提出了在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能1960年Maiman发明了红宝石激光器应用：疾病诊断中的光源以及手术中的激光刀。优点：单色性；高强度；光纤；内窥成像；精度高；感染和失血少；可用计算机控制激光的强度和方 向，减少人为失误；在激光医学中的广泛应用：除皱，消除文身，胎记，肿瘤，眼科中的校正，糖尿病 性青光眼的治疗等，心脏，前列腺，食道 微芯片:激光提供了一种新的激发手段，然

7、而传感器、探测器及其附属电路的小型化以及批量生产从根本上改变 了对分子、组织和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式；微芯片技术基于大规模集成电路的发展和广泛应用，微芯片技术使保证了可以低成本地制作微电子电路 和光子探测器如PDA、CCD相机以及CMOS等，具有广阔的场，使得这些器件在生物医学光谱以及分子 成像等领域获得了广泛的应用Moore定律：芯片的尺寸继续减小，而实现每个功能的成本呈负指数下降影响了生物医学光子学的众多领域：MRI，CT， 核医学， 超声成像等 纳米技术对1100nm尺度的材料进行研究和开发的技术纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是在分子和细胞水平

8、上的诊断和治 疗，将分子纳米技术和光子学结合，可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常 广泛的生物医学应用纳米探针、纳米机器人、纳米激光、纳米诊断和治疗光镊微纳操作引言（5）基因组学革命： 1953年，Watson和Crick在Nature上发表有关DNA螺旋结构的文章，是基因 组学革命的开端 而2000年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的又一重大成就 重大事件： DNA结构的发现1953 Sanger方法 DNA荧光排序法 DOE宣布HGI1986 DOE和NIH联合HGP1990 E. Coli基因组 Yeast 基因组 Worm基因组 Fruit Fly基因组 人类

9、基因组（90）2000 基因药物 个性化医学图1 利用不同波长的”光”进行人体信息的提取诊断生物医学光子学的研究内容非常广泛。本讲的重点是介绍生物组织的光学特性，这些特性影响着光在组织中的传输，因此是医学光谱和成像诊断的基础。这里所讲到的“光”，是指电磁波中，真空中波长为100nm-1000nm的部分，包 括：近红外光（NIR）、可见光以及紫外光（UV）的A、B、C段，涵盖了在生物 医学光子学中非常重要的治疗（或诊断）窗（600-1300nm）。生物组织的光学特性：物理现象一般可用经典或量子理论来解释 (图2) 经典理论认为：光是能量连续的振荡电磁波（EM） 量子理论认为：光由光子构成，每一个

10、光子的能量正比于电磁波的频率。光和物质以光子的方式交换能量，E=h =hc/, h是Planck常数。 研究光在组织中的传播时，结合以上两种观点：经典理论：在数学上建立光传输的模型（比如，计算散射界面） 量子理论：吸收、发光以及拉曼散射。光于物质的作用：散射（拉曼、米氏）；吸收（荧光、光化学、光电、光热、光电 离）图2 orthogonal harmonic E-and B-fields for a plane polarized wave=c/光和组织的相互作用：生物组织分两类： 强散射介质（不透明的） 弱散射介质（透明的）辐照方式有两种： 连续光辐照作用辐照光的强度不变静态辐射传输理论时间

11、分辨作用 非静态的辐射传输理论，分为：时域法和频域（相位）法激光与生物组织的作用机理：激光医学的基础光学检测及成像：根据光在组织中传播的特性以及光与组织相互作用的性质，选择合适的物理方法，提取出（用于诊断的）有用信息。散射介质传播：利用光的相干特性(相干门）来选择弹道光子或最小散射光 子，进行成像，OCT ；或利用偏振特性来对特定的光子进行选择测量或成 像，比如：PS-OCT激光诱导荧光：自体荧光、标记荧光、时间分辨荧光（荧光寿命）、激光 扫描共焦成像、多光子激发荧光等光热作用：光热光谱技术、光声技术、组织的温度升高及损伤（凝结、汽 化、热解、蚀除等）。组织的光学特性 反射和折射 散射 吸收

12、混浊介质影响光在生物组织中传播的三个物理过程 反射和折射（reflection and refraction） 散射（scattering） 吸收（absorption）这三个过程分别用以下参数来描述： 折射率 散射系数 吸收系数 各向异性在反射、吸收或散射中，哪一种损耗为主，取决于生物组织的类型以及入 射光的波长。波长是非常重要的参数，它决定了折射和吸收以及散射系 数。图3所示是光在两种介质的界面所发生的反射、折射、吸收及散射的几何关 系图3 反射、折射、吸收及散射的几何关系反射和折射1.反射和折射定律：反射（Fresnel定律）：反射表面是折射率不 同的两种材料的边界如空气和组织的交界。

13、简单的反射定律要求入射和反射光束的波法 线与反射表面的法线处在同一平面（入射 面）内，反射角等于入射角。这个表面被认 为是光滑的，其表面不平整度与辐射度波长 相比很小，这种情况就是所谓的镜面反射。相反，当反射表面的粗糙度较大或大于辐射的波 长时，就出现漫反射。这样，被反射的许多 光束并不一定处于同一入射平面，表征反射 定律的公式不再适用。漫反射是所有生物组 织的一个共同现象，因为它们没有一个象光 学反射镜的表面那样抛光的表面。唯一的特 殊情况是在潮湿组织表面镜面反射可能超过 漫反射。折射：折射通常出现在具有两种不同折射率的介 质的反射表面分界处。它是由光波速度的变 化引起的。决定折射的简单数学

14、关系式是 Snell定律，即：图4 反射和折射 2. 全内反射：临界角：当光在组织中传播时， 正好发生全内反射的角度。3. 反射系数和透射系数、反射比和透射比（1）反射系数和透射系数：其中：A1，A1，A2分别是入射、反射和折射光的光矢量的振幅。rs，ts分 别为s波的振幅反射系数、振幅的透射系数；rp，tp分别成为p波的振幅反射 系数、振幅的透射系数。（2） 反射比和透射比：其中：Rs，Ts分别为s波的反射比、透射比；Rp，Tp分别成为p波的反射比、 透射比。sin(1 2 )r A1s sin(1 2 )A1sstan( 1 2 )tan( 1 2 )A1 pA1 prp 2)Asin(

15、1t A2s 2sin2 cos11sssin(1 2 )cos(1 2 )2sin2 cos1A1pA2 ppt2R s rs2Ts ts2Rp rp2Tp t p（3）Brewster角：注：当入射光是自然光时，入射角满足1 2 时，有2Rp 0即反射光中没有p波，只有垂直于入射面振动的s波，发生全偏振现象。当光垂直入射时，通过近似有：n 12tannB2 n1222 ncos cos221 1 22 coscos n 1 n R R sp散射1.概述（1）碰撞过程（如图5） 光入射到组织内一具有限尺寸的折射率不同的粒子上时，部分入射光被散射，如图5所示。比 如，生物组织中的一种散射源是由

16、于细胞内 的细胞器和周围细胞质的折射率的不同而引 起的。（2）弹性散射：入射与散射光子的能量相同（没有 能量的交换）。非弹性散射：散射光子与入射光子的能量不 同。准弹性散射：当光子被运动粒子如血细胞散射 时，由于多普勒效应，对发生微小的能量变 化。（3）在生物医学光子学中，散射现象对诊断和治疗 都具有重要的作用：诊断：散射取决于组织中各成分（如脂质 膜、核、胶原纤维）的大小、形貌以及结 构，由疾病造成的这些成分的变化会影响散 射特性,因此,提供了一种疾病诊断的方法，尤 其在成像方面有重要的应用。治疗：散射信号能用来确定最佳的光剂量(特 别是激光治疗),在治疗时提供有用的反馈信息.图5 散射碰撞

17、过程2. 散射截面、散射系数（1）散射截面 s s 其中：p scatt 表示散射功率(能量/时间)；Io为入射光波的强度(单位面积的功 率)；s)是平面波相对与散射体的传播方向。说明：a 入射光束到达散射体之前，其功率是均匀的， pin I0A其中Io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光束，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。I0Pscatt图6 散射系数和散射截面散射截面具有面积的量纲,等价于一个物体从均匀平面波上切掉的那一部分面积,使得入 射平面波经过散射体后,原方向上降低了的功率等于所观察到的散射功率。

18、截面不是物 体几何面的投影,同样大小的玻璃球和钢球有着不同的截面，它只不过是量化物体散射 能力的一个简便方法。微分散射截面假设散射体是球形对称的，则散射截面与入射光和散射体的相对位置无关，仅与入 射方向和散射方向的相对位置有关，则用 s ，s 方向夹角的余弦来表示：d s s, s d s (s s)dd其中：光子沿 s着方向入射，沿着s 方向散射（立体角锥的中心线如图 7）。图7（2）散射系数其中： 是散射体密度。散射系数在本质上是单位体积内散射的截面积。 散射平均自由程 ls ：表示一个光子经历两次相邻散射事件之间所走过的平均路程。3. 瑞利散射、米氏散射 散射可根据散射粒子与波长的相对大

19、小分为三类: a 瑞利散射：散射粒子的尺寸比光的波长小；b 米氏散射：波长与散射粒子的尺寸相当；c 几何散射：光波长比散射体的尺寸小得多（反射折射）s ssl s1（1） 瑞利散射a 瑞利散射定律（图8）如果再考虑散射角 ,更为详细的表达是：其中： 是散射角，即粒子被散射后的 运动方向与入射方向之间的夹角， 当 0表示前向散射。4I L 1ss41cos2 ()I () s图8 瑞利散射的几何图形说明： 当以白光入射时，波长较短的紫光和蓝光比波长较长的红光和黄光 要强烈，如：天空的蔚蓝色，旭日和夕阳的红色。 在推导过程中，忽略了吸收，因此上述公式只有在波长远离吸收带 时才有效（如光波长处于诊断

20、窗）瑞利散射定律只适用于散射体比光波波长小的情况，如果这种尺寸 变得可以和入射的波长相比较如在血细胞中，瑞利散射不再适用， 这时散射光强度与波长的关系不大，如：天空中的云雾（大气中的 水滴组成）呈白色。 当自然光入射时，散射光有一定程度的偏振（偏振与散射角 有 关），在与入射光垂直的方向上，散射光是完全偏振的，在入射光 的方向上，散射光仍为自然光，在其他方向上，散射光为部分偏振 光。b 瑞利散射截面这些散射结构包括细胞的各组成成分（图9），散射体尺寸比波长小 得多的一个重要的结果就是，任何时候，散射体处在一个电场均匀分 布得组织体中。对半径为a的散射粒子，瑞利散射的截面微分为：其中：是入射光方

21、向与出射方向的夹角；、分别是散射体和组织体的折射率。(1 cos2 )nm ) an2 2n2 8 4n4 ( ns4622d sdmsmnsnm图9 细胞结构（2） 米氏散射 米氏散射理论对具有任意粒子大小的散射都成立。如果粒子的粒子尺度q 1，那么几何散射和瑞利散射的微观理 论都不适用，就必须使用米氏理论。(q代表粒子的周长与电磁 波波长之比，该物理量是代表粒子尺寸的一个无量纲因子: q=2 r/)各种细胞结构（图9）,例如细胞核、线粒体、细胞外的如胶原 纤维,它们的大小数量级为几百纳米到几个微米，尽管这些结 构不一定是球形,仍然可以用米氏理论来计算散射。（3）瑞利散射与米氏散射的比较同瑞

22、利散射( -4)相比，米氏散射( -x，0.4 x 0.5） 表现出对波长更弱的依赖性；米 氏 散 射 更 可 能 发 生 在 前 向 上 ， 而根 据 以 上 所 导 出 的 公 式 ， 瑞 利 散射 与1cos2 成正比，即前向和后向散射 强度相同。4.散射各向异性 根据实验数据定义一个光子关于角度 的散射的经验函数p( )。如果p( )不依赖于 ，称为各向同性散射；否则，称为各向异性散射。散射的各向异性的度量是由各向异性系数g给出的， 在极坐标系中，g定义为：其中：p( )是经验函数，d=sindd是空间角元。 当g=1时表示完全前向散射；g=-1时表示完全后向散射；当g=0时 表示各向

23、同性散射 各向异性系数g实际上代表散射角 的余弦的平均值生物组织： 0.7 g 0.99 8 45p( )dp( ) cos( )d44g 经验函数p( )，也称为位相函数，经常被归一化为：一些已知理论的位相函数p( ) ：Henyey-Greenstein函数、 Rayleigh-Gans函数、 -Eddington函数和Reynolds函数。 Henyey-Greenstein函数和实验观察符合得最好，它是由 Henyey和Greenstein给出得：p( )d 1414(1 g2 2g cos)3/ 21 g2p() 吸收1.基本概念（1）吸收：由于部分光能转换成热运动或者是吸收材料中分

24、子 的某种振动。（2）透明与不透明：一个完全透明的介质允许光通过而不吸收，即从这个介 质中进入的总辐射能量与出射的能量时相等的。（如：角膜 和晶状体）使入射辐射几乎降为零的介质称为不透明的。透明和不透明是相对的，取决于波长 。（4）呈现一般吸收：如果物质对一定光谱范围内的所有波长的强度衰减程度相 似，这个物质就被称为呈现一般吸收。 可见光下，这种物质在眼睛中呈现为灰色。（5）选择性吸收：是对特定波长的吸收比对其它波长的吸收强。 颜色的存在实际上产生于选择吸收。 通常，体色和表面颜色是有区别的。2. 吸收截面与吸收系数（1） 吸收截面收功率；Io 入射光波的强度其中：Pab吸s同散射近似：吸收截

25、面与入射光和吸收体的相对位置无关（2） 吸收系数包含同种吸收体且均匀分布的介质用吸收系数来表征：a a其中： 吸收体密度3. Beer-Lambert定律和吸收长度（1）Beer-Lambert定律描述厚度和浓度在吸收上的效应用Lambert定律和Beer定 律，表示为：o PabsaI0其中： z 表示光轴；I(z) 是在距离z处的强度；0a 是介质的吸收系数；c 是吸收剂的浓度(摩尔浓度)；k 摩尔消光系数，是入射光强；两个定律描述吸收的同一特性，称为Lambert-Beer定律。（2） 吸收长度吸收系数的倒数称为吸收长度（吸收平均自由路程）：即在距 离z处的强度I(z)降到入射强度的1/

26、e，表示一个光子未吸收前所 走的平均路程。Iz I eazIz I e kczal a10I图11水、生物组织（动脉、皮肤）、 组织成分（血液、黑色素体、上皮）的吸收谱混浊介质 在前面讨论吸收和散射时，假定散射或者吸收其中之一存在，而在大多数生物组织中，吸收和散射同时存在，这些 介质被成为混浊介质。 总衰减系数： 入射光子的平均自由光程 ： 光漫反照率a(optical albeo): a s 注：a=0时，衰减完全由吸收所致；a=1时，只有散射存在；a=1/2时，吸 收和散射系数相等。总之，组织吸收和散射都会以不同的比例存在。 光学深度d(optical depth)：t a ssatLt

27、11ta ssd 0 t dss组织的折射率介质的折射率决定了光在介质中的传输速率,折射率的变化,无论连续或 者突变(例如,边界)会造成散射、折射和反射。绝大多数组织中含有相当大量的水分，它的折射率为1.33，是液体和软 组织成分所具有折射率的最小值。其他的软组织成分中： 黑色素颗粒的折射率最大,为1.6，黑色素广泛地存在于皮肤的表皮层 所有的组织包括部分脑组织、大动脉、肺、胃、肾和膀胱，它们的折射 率在1.36和1.4之间 细胞外液和细胞质的折射率为1.351.38 脂肪组织的折射率为1.45左右 细胞和亚细胞器膜主要组分是脂类,细胞质和这些脂类结构折射率的不匹配 正是许多细胞组织散射的根本

28、原因对于硬组织,牙齿珐琅的折射率在可见光范围内测量值为1.62 而人体中各种骨头所对应的具体折射率的值很少见到报道。组织的散射特性在折射率有空间变化的地方,就会发生散射。折射率的空间变化既有连续 的，也有突变的（如散射粒子的局部分布）。在细胞组织中, 亚细胞器官 是很重要的散射体，它们的大小尺寸为100nm到6微米，涵盖了治疗窗 口（6001000nm）。线粒体大小一般在0.52微米之间。线粒体除了被包围在脂质膜以内， 内部还含有脂质的褶皱，这种结构使得这些细胞器官与周围细胞质能产 生高的光学对比度，并产生强散射效应。最大的细胞器官是细胞核,其大小在46微米的范围内。内质网和高尔基 体是次大的

29、细胞器官，另外还有容酶体等对不同的组织，细胞的形状和大小也不同，一般为几个微米或更大，单 个细胞是一个强散射体，但是在组织中，散射主要是由亚细胞结构引起 的。在皮肤中，黑色素组织散射很强，其大小在100nm到2微米之间，这 些组分包含黑色素颗粒，这些颗粒象珠子一样串在一起。在血液中，红血球是强散射体结缔组织，由细胞和细胞外蛋白质如弹性蛋白和胶原等组成，用于提供 支持和机械保护，这些组织的散射特性，在微观上是由于组成的不均 匀，在宏观上是由于它们所构成的结构的变化。从微观上看，其特征大 小在亚波长量级，散射属于瑞利散射；比如，胶原原纤维呈可以产生瑞 利散射的带状结构，其周期为70nm，比治疗窗的

30、波长小10倍。组织的吸收特性 组织的吸收是各个分子成分共同作用的结果。当光子的能量 与分子的能级间隔匹配时,分子吸收光子。在短波长区(光子 能量大),这些跃迁是电子跃迁。紫外区的重要吸收体包括 DNA,芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸),蛋白质,黑色素和卟啉（包括血红蛋白、肌红蛋白维生素B12以及细胞色素c)。 治疗窗口：光穿透组织的能力取决与组织吸收光的强弱，在治疗窗 口(或诊断窗口)的光谱范围内,大部分组织是弱的吸收体, 能让大部分光穿过。这个窗口从600nm到1300nm,从可见光的橙色段到近红 外。在短波长段, 以血红蛋白的吸收为主(包括氧和血红蛋 白和去氧血红蛋白两种)，在600nm附近

31、，当波长减小时, 氧化血红蛋白的吸收提高了大约两倍；波长更短时,更多 其它的生物分子的吸收增强,包括DNA和色氨酸和酪氨酸 等氨基酸。在治疗窗口的红外端,水的吸收限制了光的穿 透深度。在治疗窗口中，散射超过吸收,因此导致传输光 漫射。光与组织的相互作用光与强散射组织体的相互作用光热作用激光与组织相互作用机理折射率以及光与组织相互作用的控制荧光光与强散射组织体的相互作用1.连续波：反射、折射、散射、吸收发光等2 偏振光分为：线偏振光、椭圆偏振光、园偏振光、任意偏振光。光在组织中传播一般情况下忽略组织的偏振效应。但在某些 组织中（如透明组织、眼组织、单层细胞、黏液膜、皮肤表 层等），可以通过测量偏

32、振光经组织后偏振度的改变以及偏 振态的变化，来获得组织和细胞的结构信息。利用较好保留偏振态的前向散射光子，进行光学层析成像来 获取组织的光学参数以及光谱参量。偏振成像有助于解释皮肤表面下的纹理变化，并避免了组织 表面的镜面反射，可以利用这种技术对皮肤的微血管成像。3超短光脉冲Least scatteredscatteredConfocal MicroscopyOptical Coherence TomographyIncident lightTissueObjectScattered lightImage-bearing ballistic light图12 超短脉冲在组织中的散射表 1展宽的

33、光 脉冲种类散射与入射光 的偏离诊断备注弹道光子未经散射 少量散射不偏离难以利用蛇行光子经少量的 几次碰撞偏差很小携带组织 结构信息漫 射 光 子 中 最 早 到 达的光子漫射光子大量散射各个方向携带组织 光学特性 信息测量方法： 透射光子和背向散射光子4扩散光子密度波 当用强度（按正弦）调制的光照射组织时，可以测量散射光强 度的调制深度以及散射光相对于入射光的相移，并且用于组织 光谱以及层析成像。 与用超短光脉冲作为光源相比，这种调制方法的优点是简单、 可靠以及受噪声影响小。这是因为这种调制方法测量的峰值功 率低，上升时间短，需要的带宽窄，可以利用外差测量技 术。光热作用1.组织的温度升高以

34、及损伤：组织吸收光子后会产生热量，导致组织的温度升高，温度随时间的变化与组织 的密度、热传导率、热源（吸收）、组织的灌注率、动脉温度、静脉温度等因 素有关。在许多实际的光（激光）与组织相互作用场合，可以忽略对流、辐 射、汽化以及代谢产生热的影响。生物热方程组织暴露在高温下一定时间会导致损伤，当光用于诊断目的时，必须保证组织 的温度低于损伤温度，也就是临界温度。当用CW光源时，由于辐照区域和周围组织的温差增大，导致由辐照区相周围组 织的热量传导。随着光能量的不同，可能导致大块的组织损伤或热量的损失。 而如果用脉冲光源，热量的损伤是很少的，因为光的吸收过程很快，而热传导 很慢，因此，脉冲激光照射提

35、供了一种更精确的组织损伤。当组织的温度超过临界温度时，会导致以下几种不可逆的组织损伤：凝结（细胞和组织蛋白的解性）组织粘结汽化（组织脱水和形成气泡， T 1000C）组织的机械破坏高温分解（T 3504500C）汽化、高温分解导致组织的蚀除激光手术切除用CW光进行热蚀除的缺点是对周围组织的损伤，而脉冲光由于作用时间短，因 此对周围组织的热损伤小。另外，为了获得精确的组织切除，一般采用穿透深 度很小的激光，如准分子ArF激光。2. 光热和光声效应 光热效应：组织与脉冲或强度调制光辐射的相互作用，导致组 织中热量的产生及其随时间的变化。这种作用也导致了许多热 弹性效应，如声波，对声波的检测是光声技

36、术的基础，可以测 量由于组织结构所引起的热、光以及声学特性。 组织热效应的激发模式： 脉冲光激发样品时域检测； 强度调制光低频换能器； 几种光热效应检测技术：光声、光热辐射测量、光折射测量 技术。激光和组织的相互作用机理激光作用于生物组织时，由于特殊的组织特性以及多变的激光参数， 导致相互作用机理的变化是多种多样的。在生物组织的特性中，最重 要的是：反射、吸收以及散射系数；另外，波长、曝光时间、应用能 量、聚焦光斑尺寸、能量密度以及功率密度等是非常重要的激光参 数。在这些参数中，当要选择某种确定的相互作用类型时，曝光时间 是一个决定性的参数。与激光医学相关的总的能量密度范围为从大约1J/cm2

37、到1000J/cm2。造 成相互作用机理多样性的主要原因是曝光时间的不同。虽然以上这些参数的不同组合变化由可能导致不同的相互作用，但一 般情况下，激光和生物组织的相互作用主要分为以下5类：光化学相互作用photochemical interactions，连续波或曝光时间大于1s 热相互作用thermal interaction，曝光时间从1min降到1us 光蚀除photoablation，曝光时间1us-1ns 等离子体诱导蚀除plasma-induced ablation，1ns光致破裂photodisruption，1ns 后两者的不同归因于不同的能量密度。激光和组织的相互作用机理光化

38、学相互作用在大分子或生物组织内光可以引起化学作用和化学反应。在低功率密度（典型 的为1W/cm2)和长曝光时间的时间范围在秒和连续波之间，光化学相互作用就 会发生。 PDT：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，引起光诱导反应，这种物质被称为光致敏剂如 卟啉、ALA 等。 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：头发的生长、 创伤的愈合、刺激胶原蛋白合成、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。光化学相互作用： 主要思想：用光致敏物质充当催化剂（仅在光动力疗法中）或低能激光辐照 观察：没有宏观

39、性观察 典型的激光：红色染料激光、二极管激光 典型脉冲持续时间：1s连续 典型功率密度：0.01-50W/cm2 特殊应用：光动力疗法，生物刺激激光和组织的相互作用机理热相互作用 热相互作用代表一大类相互作用类型，其中局部温度的升 高是最重要的参数变化，热效应可以由连续波或脉冲激光 辐射产生。依靠组织所达到的温度的持续时间和峰值 热效应可区分为：凝结（coagulation）、汽化（vaporization）、炭化(carbonization)和熔融(melting)等。 热相互作用： 主要思想：达到某特定温度，使其导致预期的热效应 观察：凝结、汽化、碳化或熔融 典型的激光：CO2,Nd:YA

40、G,Er:YAG,Ho:YAG, 氩离子激光，二极管 激光 典型脉冲持续时间：1us1min 典型功率密度：10-106 W/cm2 特殊应用：凝结，汽化，熔融，热分解，治疗视网膜脱落，激光诱 导间质热疗法激光和组织的相互作用机理光蚀除作用光蚀除是一种非常干净和精确地组织切除方法，它不会产生凝结或汽化等任何 一种热损伤。光蚀除作用是蚀除的光分解，即当某种材料在高强度的激光辐照曝光下，就会 产生分解。在激光脉宽为纳秒级范围内，这种作用的典型阈值为107 - 108w/cm2。光蚀除作用的原理： 吸收高能量的紫外光子提高到互相排斥的激发太离解碎块排除（无坏死） 蚀除光蚀除过程并不仅限于紫外光，也可

41、以用其它激光产生的高次谐波分量来达到 光蚀除效应光蚀除作用： 主要思想：用高能量的紫外光子直接打破分子的价键。 观察：非常整洁的蚀除，并伴有可听到的爆炸声以及可见荧光 典型的激光：准分子激光器，即ArF，KrF, XeCl, XeF 典型脉冲持续时间：10ns100ns 典型功率密度：107 -1010 W/cm2 特殊应用：屈光性角膜手术激光和组织的相互作用机理等离子体诱导蚀除 当固体和液体得到超过1011W/cm2的功率密度，和气体中得 到1014W/cm2的功率密度时，就会发生所谓的光致击穿现 象，产生等离子体。用诱导等离子蚀除法，当选择合适的 激光参数时，就可以得到光滑且轮廓清晰的组织

42、去除，而 没有任何热损伤和机械损伤的迹象。 等离子体诱导蚀除： 主要思想：通过等离子体电离形成蚀除 观察：很清晰的蚀除，同时带有可听到的爆炸声以及带蓝色的等离 子体火花 典型的激光：Nd:YAG, Nd: YLF, Ti: Sapphire 典型脉冲持续时间：100fs500ps 典型功率密度：1011 -1013 W/cm2 特殊应用：屈光性角膜手术/禹齿治疗激光和组织的相互作用机理光致破裂与光致击穿有关的物理效应有等离子体的形成以及冲击波的产生。如 果击穿发生在软组织或流体中，会附加产生空化（气泡的形成）和射 流（高速液体冲击）。光致破裂被认为是由光致击穿引起的多种的机械作用。其基本的机理

43、 是冲击波的产生以及空化的形成。等离子体诱导蚀除和光致破裂都要依靠等离子体的产生，光致破裂被 认为是由光致击穿引起的机械作用。其基本的机理是冲击波的产生以 及空化的形成。光致破例： 主要思想：通过机械作用分裂和切割组织 观察：等离子体火花、产生冲击波、空化的产生、射流的形成 典型的激光：固体激光，如Nd:YAG, Nd: YLF, Ti: Sapphire 典型脉冲持续时间：100fs100ps 典型功率密度：1011 -1016 W/cm2 特殊应用：晶状体的打碎，碎石术折射率以及光与组织相互作用的控制折射率的连续变化或者突变(例如,边界)会造成散射、折射和 反射。对于同一种组织，离体和在体

44、测量的折射率一般差别也很大由于组织是由许多不同成分构成的，因此需要知道各种组分的的折射率(例 如,计算散射),或者把组织看成一个整体时的平均折射率(例如,计算弹道光子 穿过组织所用的时间)，组织的有效折射率经常被近似地当作这种组织各成 分折射率的体积加权平均。在组织中注入某种化学试剂，有助于实现散射体和周围介质的折射率匹 配，从而显著减小散射效应，提高光的穿透深度。应用：眼睛的巩膜、正 常和病变的皮肤及其组分（上皮、真皮）荧光荧光现象：光的吸收以及分子从激发态到基态的电子跃迁。对于薄的样品，比如细胞单 层或活检样品（直径为几个微米），荧光强度正比于吸收分子（荧光团）的浓度和荧光 的量子产额。在

45、散射介质中，散射和非散射光子在样品的光程不同，应该加以区分，但 是对于均匀的薄样品，荧光强度和浓度以及量子产额的线性仍然满足。自体荧光： 核酸：荧光寿命ps量级 蛋白质：蛋白质的自体荧光来自色氨酸、赖氨酸以及苯基丙氨酸，其最大吸收峰分 别在280nm、275nm和257nm，最大发射峰在280nm(苯基丙氨酸)和350nm（色氨 酸），一般情况下，蛋白质的自体荧光来主要自色氨酸 胶原和弹性蛋白：激发波长一般在300到400nm,荧光发射谱比较宽，从400到600nm,发 射峰值在400nm、430nm和460nm。胶原和弹性蛋白的自体荧光可以用来区分不同种 类的组织，如上皮组织和结缔组织。 N

46、ADH辅酶的还原形式的激发波长330370nm, 自体荧光的测量可用于对组织缺血和 癌变组织的监测，自由状态和结合蛋白质的NADH对氧的浓度敏感 细胞内源荧光团：FMN， FAD，其激发最大波长在380和450nm 卟啉分子，如原卟啉、粪卟啉、尿卟啉或血卟啉，在血色素、肌血球素以及细胞色 素的合成中产生，卟啉症和某些容血类疾病导致亚铁血红素合成的异常，从而显著 增加组织中卟啉的水平。龋齿损伤中的细菌会积累大量的原卟啉，因此基于自体荧 光的检测提供了一种有效的诊断方法外源荧光： 荧光染料：在人体中，荧光素和吲哚花青绿染料已经被用于荧光血管造影术和血液量 的测量 量子点 纳米小球荧光光谱可以给出关

47、于荧光分子、分子构造、分子结合以及域细胞和组织相互 作用的信息，根据是对发射还是激发谱扫描的不同，可分为荧光发射光谱技术 和荧光吸收光谱技术，每一种荧光团都对应特定的发射谱，因此荧光光谱的测 量可用于荧光诊断技术中。荧光光谱仪：光源波长的选择光的传导荧光的探测等技术：荧光光谱、偏振各向异性、时域法、频域法、FRET、激光扫描共焦显微 等多光子激发荧光： 双光子激发荧光的优点：深度、测量时间长、对样品的损伤小、激发发射光容易分 离 双光子激发荧光显微所用的光源：波长范围700960nm，脉冲宽度150fs，重复频率7680MHz，平均功率 100 m，System bulky ，and expe

48、nsive光学层析成像（Optical coherence tomography ,OCT）技术提供了一种非侵 入的生物组织检测方法，以安全、及时、 快捷、有效地发现、鉴别病变组织。 Resolution 10 mSystem small，adaptable to endoscope医学成像技术背景Possible solution对生物组织的成像必须利用弹道光子和最小散射光子光在组织体中的散射导致空间信息的丢失散射介质中的成像技术飞行时间法(只选择弹道光子或最少散射光子成 像）OCT和共焦显微技术（利用相干或空间门选择最 少散射光子成像）扩散光子 密度波Coherence gatingOCT

49、成像类似于超声成像，通过光束横向扫描组织，采用超外差探测技术，测量背向散射或背向反 射回波的相位延迟和光强，对组织进行横断面成像。由于背向散射回波的时间延迟不能被光电探测 器件直接测量，所以OCT系统建立在低相干测量技术的基础上。OCT的工作原理探测器图14OCT的工作原理低相干光源分束镜参考镜样品图15 相干光和低相干光干涉光强图低相干测量技术的原理如图14所示。低相干干涉仪采用宽带光源，进 入低相干干涉仪的光被分束器分为参考光束和测量光束，参考光束经 参考镜面反射，而测量光束从待测组织或材料背向反射。参考光束经 过给定光程后与背向回波叠加，从而形成干涉图像。由相干理论可 知，当入射光束具有

50、很长的相干长度时（窄带光源），在相当大的光 程差范围内，干涉仪输出正弦干涉条纹，这样干涉条纹的对比度与两 束光光程差变化无关，因此无法找到等光程点，从而不能精确地对测 量光束定位。当采用宽带光源时，两光程差只有在很短的相干长度内 才能产生干涉条纹对比度的变化包络，而且，对比度最大的地方对 应等光程点，随光程差变化对比度锐减，因此具有很好的层析定位精 度，实现很高的成像分辨率（图15）。故层析分辨率（纵向分辨率） 仅由光源的相干长度决定，而横向分辨率由聚焦光斑大小决定。当光 源的平均波长，光谱宽度为时，其纵向分辨率为：2 2 ln 2 lc光纤式OCT系统光纤式OCT系统的优点： 紧凑性和可移植

51、性；成本低；便携。低相干光源可使用超辐射二极管（Superluminescent Diode, SLD）或固体超快激光器。干 涉仪的样品臂集成一个可聚焦扫描测量光束并收集背向回波的探针系统，而其参考臂为 可以纵向扫描的参考镜。当只有在参考臂和测量臂或样品臂的光程长度相匹配, 在光的 相干长度内才可观察到干涉。通过检测和解调干涉图像，OCT可得到组织结构背向散射 光的光强和延迟时间。因此，低相干测量技术具有飞秒级的时间分辨率和微米级的测量 距离。当改变参考镜纵向相对位置时，所得的干涉信号即对应出样品组织不同纵向位置的信 息，所以，参考镜进行轴向扫描（类似于超声测量中的A-Scan）时就相当于对样

52、品轴向 扫描。如果同时横向扫描（B-Scan）入射光束，就可以得到二维横断面图像。这些图像 经过数字滤波图像处理后可得到二维的灰度或伪彩色图像。OCT的应用光学活检生物医学成像应用领域OCT被首先应用于眼科学，这是OCT最成功最重要的应用领域。OCT能够准确 地诊断和监视后室的病理学变化，包括：黄斑裂孔、黄斑水肿、黄斑变性(中 年以上者视力减退的一个主要原因)、视神经疾病、早期青光眼。OCT可以在 体对视网膜成像，这是其它技术所不能的，并且OCT可以容易地区分视网膜分 离和视网膜分裂。OCT可对前室实时观测以对青光眼做出评估，监测白内障， 也可以实时监测角膜的屈光度校正手术。另外，OCT可以定

53、量测量视网膜肿 胀，从而诊断糖尿病病情。癌症是威胁人类健康的主要疾病，OCT技术另一重要应用是探测软组织的早期 癌变，这可广泛应用于多种癌症检测。通常，上皮组织癌变具有广泛的代表 性，而上皮细胞在皮肤、肠胃、泌尿系统、心血管系统和呼吸系统均有分布。 尽管OCT探测深度有限，但通过光纤OCT技术和内窥镜的结合使用，OCT可以 通过检查上皮细胞层来监测早期癌变和确诊癌症。然而，为了准确完全地诊断 癌症，对组织的深层探测是有必要的，有研究表明通过光清除技术降低光在组 织中的散射、提高探测深度是可能的。OCT技术也可监测癌症切除手术，通过 实时成像保证癌变组织被完全切除。OCT结合显微镜、手持探针、内

54、窥镜、医用导管、腹腔镜等在其他临床应用还 有：皮肤病、心血管、肠胃、呼吸道、神经、关节炎、牙齿和脑成像以及发育 学研究等方面。OCT成像技术在癌症诊断中的应用背景： 癌症是严重威胁人类健康和生命的一类疾病。据国际癌症研究中心（The International Agency for Research on Cancer, IARC）Parkin等人统计，1990年全球癌症新发病例数男性为429.35万，女性为 378.98万；而1996年的统计表明，全世界每年癌症新病例有1000万，死亡约700万，在3554岁年龄组 癌症是第一位人口死亡原因，在5574岁组亦仅次于心血管病而居第二位；到了20

55、00年，全世界每年 癌症新病例已经超过了1000万。据估计，到2020年全球癌症的发病数及死亡数将分别达到2000万及 1200万，且绝大多数发生在发展中国家。 在美国每年的新增癌症患者是一百万，23的死亡率是由癌症引起，仅次于心脏病。 癌症的早期诊断可有效提高病人的预后存活率 由于传统活组织检查以及成像技术的限制，对癌症不容易定量诊断检测癌症诊断的标准是活组织切片检查发生肿瘤的表现： 上皮细胞结构发生变化，基底膜损坏 增生 细胞的多态性 (变化或变异的程度） 核与细胞质比率(N/C)高目前临床上常用的成像手段如MRI，CT超声等无法区分这些变化OCT提供了一种高灵敏度、高空间分辨的光学活检手

56、段，并且具有便携、价格便宜、功能强大、便 于与其它成像手段结合等优点。SOO m -Depth (mm)23transverse direction (mm)014500.511.52Depth (mm)23transverse direction (mm)014500.511.52BBBStomachSaline DHDHMMSalineSee through the Skin with highresolutionEEDDHPHPMuscleFaciaMuscleFacia5 days old rat2 months old ratImaging human skin in vivoTom

57、ographic Visualisation of Esophago(食管）-Gastric（胃） JunctionEsophagusStomachDepth (mm)01234500.511.5Tomographic Visualisationof Human Colon其它的相干成像技术光学相干显微成像：光学相干显微成像（Optical Coherence Microscopy, OCM）是在OCT结合共焦光学显 微成像的基础上发展起来的。由于OCM结合了相干门、 外差探测和高横向分辨率共焦显微技术，相干门和共焦 技术的结合可以消除杂散光对图像的影响、增强对比 度，因此，OCM具有OCT高

58、灵敏度和穿透深度以及非侵 入式在体成像的特点，又具有共焦显微成像大数值孔径 和亚细胞分辨率的特点。目前，OCM技术的探测深度可 以达到12mm，空间分辨率可达46m。超高分辨OCT：UltraHigh resolution OCT功能OCT(Functional OCT)通常生物组织在产生病变早期甚至产生病变之前其功能参数就开始发 生变化，因此，功能参数对疾病早期诊断是非常有用的。这些功 能参数通常包含血流速度、组织含水量、含氧压、组织结构变 化、双折射性质等，功能型OCT通过探测这些变化进行功能成像 提供更多信息。近年来得到快速发展的功能型的OCT技术包括:多 普勒OCT、偏振敏感OCT和分

59、光光谱型OCT。分光光谱型OCT:分光光谱型OCT（SOCT）采用并行外差探测技术来测量混浊介质， 信号光和参考光经分束镜被同时分为两束进行相干，一束如传统 光谱OCT一样被单个探测器探测，另一束经衍射光栅分光后被一 线阵探测器件接收，两者探测信号一起被送给并行信号处理器， 这样就在不同波长同时得到多个OCT图像。传统OCT通过测量背 向反射或散射回波的解调干涉信号的包络成像，包络仅含有回波 的强度信息。SOCT不仅分析回波的强度信息而且分析光谱信息， 因此，SOCT可以通过光谱性质区分不同组织从而提高成像的对比 度，又可以确定其各个深度组织的吸收光谱。多普勒OCT(Doppler OCT)多普勒OCT是激光多普勒流速计与OCT技术的结合，可以同时获得生物组织 内部组织结构以及流体的流速分布图，如确定皮肤表层的血流速度，亚 表层中微血管直径，血流速度分布等。其原理是，光照明样品时，运动 粒子（如血流）散射的光频率产生多普勒频移，从而在被测干涉信号中 存在多普勒频移，通过测量多普勒频移可得到空间各点的流速，测量干 涉条纹的振幅和频率可得到结构图像。偏振敏感型OCT偏振敏感型OCT是提取具有光偏振特性样品的背向散