生物医学光子学-绪论-课件

生物医学光子学

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第三章描述光在组织体中传播的数学模型第四章生物医学光子学中的测量技术第五章参数提取的定量数学方法第六章生物医学光子学在人体成分浓度检测方面的应用第七章生物医学光子成像技术第八章生物医学光子学其它研究热点介绍§2

光与生物组织体的相互作用§2光与生物组织体的相互作用2.1光与生物组织体相互作用的基本形式

2.2组织体对光的吸收效应2.3组织体对光的散射效应2.4组织体发光2.5光热效应和光声效应

2.6光化学效应§2.1

光与生物组织体相互作用的基本形式图2.1光与组织体的相互作用1.光与生物组织体相互作用的表现形式或现象§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式吸收—光强随着光在组织体中的传播距离的增加而不断减

小，未被吸收的光经组织体边界出射。基本形式反射、折射和散射—组织体的宏观或微观的不均匀性导致

光传播方向的改变偏振态及偏振效应光声效应光致发热光致发光光化学效应

§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式宏观现象是通过微观的物理变化产生的！§2.1

光与生物组织体相互作用的基本形式光和组织相互作用过程的能级表示

2.组织体内部的各种微观物理过程——

不同能级之间的跃迁对应着不同的物理过程§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式光辐射入射到组织体，电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，或实现不同振动能级之间的跃迁——吸收过程、吸收光谱电子从高能级向低能级的衰变过程中可分别以无辐射跃迁的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉——光热、光声、光电导等现象电子从最低激发态的最低振动能级开始的向下跃迁过程可能采取发出一个光子但不改变其自旋的过程——荧光产生、荧光光谱分子从受激虚态向下跃迁时回到电子基态中的其他振动能级时，产生和入射光同频率的光以及比入射光频率大或小的光——Raman散射、Raman光谱§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式研究光散射、反射和折射

——经典麦克斯韦尔电磁理论研究光吸收、发光及接收

——量子理论描述（组织光学）———光学特性参数：

吸收系数、散射系数、折射率等§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式组织光学（tissueoptics)——

研究可见光和近红外光在生物组织体中的传播特点和规律的一门学问，其基本任务是确定在一定条件下光辐射能量在组织体内的分布，进而发展活体组织光学特性参数的测量方法。§2光与生物组织体的相互作用2.1光与生物组织体相互作用的基本形式

2.2组织体对光的吸收效应2.3组织体对光的散射效应2.4组织体发光2.5光热效应和光声效应

2.6光化学效应

2.2.1吸收效应和吸收系数

2.2.2分子吸收种类

2.2.3生物组织中的吸收物质

2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应§2.2组织体对光的吸收效应光的吸收:光在通过生物组织体时由于部分光能转换成热运动或分子的某种振动从而导致光强度的衰减。§2.2组织体对光的吸收效应人角膜和晶状体在可见光波段近似于透明体，但在红外波段却表现出强烈的吸收。§2.2组织体对光的吸收效应描述组织体吸收能力的光学参数:吸收系数---absorptioncoefficient吸收截面----absorptioncross-sectionalarea§2.2组织体对光的吸收效应吸收截面吸收截面具有面积的单位吸收的定义abs§2.2组织体对光的吸收效应§2.2组织体对光的吸收效应

sa

=

Qa

A[cm2]

[-]

[cm2]QaA：geometricalarea：efficiency§2.2组织体对光的吸收效应吸收系数光子组织体内的吸收体§2.2组织体对光的吸收效应吸收系数：单位:1/cm,1/mm吸收粒子密度吸收截面Theabsorptioncoefficientisessentiallythecross-sectionalareaforabsorptionperunitvolumeofmedium.单位程长上一个光子被吸收的概率吸收系数越大，代表组织体对该波长的光的吸收也越大§2.2组织体对光的吸收效应Absorptionlength（meanabsorptionfreepathlength）：Thereciprocalrepresentstheaveragedistanceaphotontravelsbeforebeingpossiblyabsorbed.组织体的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之间

2.2.1吸收效应和吸收系数

2.2.2分子吸收种类

2.2.3生物组织中的吸收物质

2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应§2.2组织体对光的吸收效应跃迁：粒子从低能级到高能级的转移过程跃迁的条件：吸收能量蛋白质分子图组织体的基本单元是细胞细胞又是由分子组成的，例如控制细胞化学作用的DNA本身就是一个分子。分子由碳、氢、氧、氮、磷等这些原子组成的，各个原子之间以化学键相连而组成分子。§2.2组织体对光的吸收效应1、自由原子（原子间的相互作用可以忽略）的跃迁跃迁的形式：原子外层电子就会发生从基态到高能级的跃迁。跃迁的种类：Electronictransitions跃迁的条件：absorbUV,visible,NIRlightgroundstateS0ExcitedelectronicstateS1§2.2组织体对光的吸收效应2、分子的跃迁生物组织体原子并不是处于自由状态的，原子靠化学键聚在一起组成分子，而且组成的是大分子，很显然分子对电磁波的吸收与单个原子的吸收相比要复杂得多。分子的能级取决于分子的运动和状态§2.2组织体对光的吸收效应（1）、电子相对原子核的运动及吸收σ键：原子轨道沿键轴（核间连线）以“头碰头”方式进行重叠，重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，形成σ共价键。π键：互相平行的py或pz轨道则以“肩并肩”方式进行重叠，重叠部分垂直于键轴并呈镜面反对称。

§2.2组织体对光的吸收效应σ键的轨道重叠程度大，σ键比π键牢固§2.2组织体对光的吸收效应分子在吸收光辐射能量后可以产生电子态间的跃迁，此时电子由一个低能级的轨道（即成键轨道）跃迁到高能级轨道（称为反键轨道，用上标*表示）,分子也由基态变成为激发态。§2.2组织体对光的吸收效应（2）、分子的振动及吸收：当分子从一个振动态变化到另一个振动态移动时造成的能量的变化引起振动跃迁的能量通常对应在红外（infrared,IR）区域§2.2组织体对光的吸收效应振动吸收峰的种类合频\差频吸收很弱§2.2组织体对光的吸收效应（3）、分子的转动及吸收：转动能级代表分子处于不同转动状态时所具有的能量转动吸收所需要的能量低于实现振动能级跃迁所需要的能量，通常其吸收谱位于红外区。由于转动吸收是在振动吸收的基础上所产生的附加的精细结构,因此使光谱图更加复杂。§2.2组织体对光的吸收效应转动能级跃迁需要的能量<振动能级跃迁需要的能量<电子跃迁需要的能量分子吸收总能量可以看成是电子、转动和振动能量的总和：E＝ES+EP+ER+EV

（2.1）其中Es是电子的能量，平动能EP只是温度的函数，EV是由于原子间的振动（vibration）而具有的能量，而ER是分子围绕其核心旋转（rotation）所具有的能量。§2.2组织体对光的吸收效应表2.1各光波段对应的跃迁§2.2组织体对光的吸收效应要把电子跃迁和分子振动、转动的跃迁完全分开是不可能的。由于转动、振动在电子态间形成了很多精细能级，因此可能发生的跃迁是多种多样的，分子吸收光谱应该是带状光谱而非线状光谱。§2.2组织体对光的吸收效应

2.2.1吸收效应和吸收系数

2.2.2分子吸收种类

2.2.3生物组织中的吸收物质

2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应Water……74%ofbodymassMyoglobin（………）…….inmuscleMelanin（黑色素）…….inskinonlyaffectingreflectionLipid（脂类）……………..ineverycellCytochrome

c

oxidase（细胞色素）…..ineverycellHemoglobin（血红蛋白）……………...inbloodGlucose（血糖）……………...inbloodConstantconcentrationduringmeasuringperiodLowconcentration

肌红蛋白§2.2组织体对光的吸收效应§2.2组织体对光的吸收效应组织体中的几种主要吸收物质的吸收谱

100-10000nm处水、血红蛋白等的吸收谱吸收系数随着波长的增加呈现出增大的趋势在600～900nm的NIR波段，水的吸收系数约为0.001mm-1，因此可以讲，水具有NIR观测“窗口”特性。§2.2组织体对光的吸收效应水的吸收光谱

在600～900nm的NIR波段，组织体中的主要吸收体为氧合血红蛋白(Oxy-hemoglobin,HbO2）和还原血红蛋白(deoxy-hemoglobin,

Hb）§2.2组织体对光的吸收效应浓度通常用[]表示,例如氧合血红蛋白的浓度表示为[HbO2]还原血红蛋白的浓度表示为[Hb]1000-2500nm处水、血糖、血红蛋白的吸收谱§2.2组织体对光的吸收效应§2.2组织体对光的吸收效应咯吡卟啉血红素细胞色素澡胆蛋白类胡萝卜素黄素黑色素AbsorberswithintherangeofUV—IR§2.2组织体对光的吸收效应e.g.absorber—Bilirubin(胆红素）300400500600Wavelength[nm]e

r=1nm.A=4.5x10-15cm2At460nm=53,846[cm2/mol]总结600nm-900nm（近红外）区，水的吸收很小。近红外的一些区域和红外区，水成为生物组织体中占主导地位的吸收物，因此其它生色团对光的吸收信息实际上是淹没在了水的吸收谱内的。§2.2组织体对光的吸收效应对策采用的光波长应该尽量避开水的吸收峰，水在600-900nm的低吸收，（也被称为近红外光测量的光学窗口，NIRwindow），从而使得在此波段的光有可能穿过几厘米深的组织体，实现深层组织的探测。要采取灵敏的检测技术和方法从水吸收的背景内提取出所需要的生色团的吸收信息§2.2组织体对光的吸收效应

2.2.1