激光醫(yī)學(xué)生工第二章激光與生物組織

1、第二章第二章 激激 光光 與與 生生 物物 組組 織織 相相 互互 作作 用用 機機 理理 ( Mechanism of Laser Biological Action ) 第一節(jié)第一節(jié) 激激 光光 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 第二節(jié)第二節(jié) 生物組織的物理性質(zhì)生物組織的物理性質(zhì) 激光生物學(xué)作用與生物組織的特性和激光參數(shù)有關(guān)激光生物學(xué)作用與生物組織的特性和激光參數(shù)有關(guān) 常用的激光參數(shù)有：常用的激光參數(shù)有： 一、激光在生物組織中的傳輸過程一、激光在生物組織中的傳輸過程 i I r I 能量、功率、能量密度、能量、功率、能量密度、 功率密度、波長、脈寬、模式、發(fā)散角等。功率密度、波長、脈寬、模式、發(fā)散角等。 （一）

2、生物組織對激光的反射和透射（一）生物組織對激光的反射和透射 t I 吸收吸收 散射散射 鏡式反射鏡式反射 生物組織對激光的反射生物組織對激光的反射 漫反射漫反射 （光潔的皮膚）（光潔的皮膚） 表面漫反射表面漫反射 內(nèi)部漫反射內(nèi)部漫反射 (%) 0 30 8 . 0 0 60 0 90 6 . 0 4 . 0 2 . 0 0 . 1 0 反反 射射 率率 入射角入射角 鏡式反射率與入射角的關(guān)系鏡式反射率與入射角的關(guān)系 后向散射后向散射 內(nèi)部漫反射強內(nèi)部漫反射強 nm1300600 吸收與散射相當(dāng)吸收與散射相當(dāng) nm590450 氬激光氬激光5 .4545 .23 9 .4572 .27氬激光氬激

3、光 氬激光氬激光8 .4650 .28 2 .476 0 .31 氬激光氬激光 氬激光氬激光0 .488 0 .34 氬激光氬激光 0 .36 5 .469 氬激光氬激光5 .514 5 .37 氬激光氬激光5 .476 7 .31 氦氖激光氦氖激光 5 .48 8 .632 氪激光氪激光 1 .6470 .57 紅寶石激光紅寶石激光 5 .66 3 .694 反射百分比反射百分比波長波長)(nm激光激光 四種激光器四種激光器 11 11 種波長的反射百分比種波長的反射百分比 人體組織對激光的反射百分比人體組織對激光的反射百分比 彈道直射光彈道直射光 生物組織對激光的透射生物組織對激光的透射

4、蛇行折射光蛇行折射光 漫透射光漫透射光 激光透照技術(shù)可進(jìn)行乳腺癌早期診斷激光透照技術(shù)可進(jìn)行乳腺癌早期診斷 （二）生物組織對激光的散射（二）生物組織對激光的散射 彈性散射彈性散射 激光散射激光散射 不發(fā)生波長改變不發(fā)生波長改變 瑞利散射瑞利散射 非彈性散射非彈性散射發(fā)生波長改變發(fā)生波長改變 彈性散射彈性散射 非彈性散射非彈性散射 廷德爾散射廷德爾散射 米氏散射米氏散射 拉曼散射拉曼散射 布里淵散射布里淵散射 10 10 4 2 cos1 s I ) 1 1 ( 5 . 04 . 0 s I 1 s I 0 ， 各項同性散射各項同性散射 各項異性系數(shù)各項異性系數(shù) dp dp g 4 4 )( co

5、s)( 1 ， 完全前向散射完全前向散射 -1 ， 完全后向散射完全后向散射 99. 07 . 0g大多數(shù)生物組大多數(shù)生物組 織織 s 散射系數(shù)散射系數(shù) z s eII 0 （三）生物組織對激光的吸收（三）生物組織對激光的吸收 TRA 1吸收率吸收率 選擇性吸收選擇性吸收 吸收系數(shù)吸收系數(shù) 氧合血紅蛋白氧合血紅蛋白 黑色素黑色素 氧合血紅蛋白及黑色素吸收光譜氧合血紅蛋白及黑色素吸收光譜 波長波長(nm) 摩摩 爾爾 消消 光光 0.5 1. 0 400300500600 氬激光氬激光染料激光染料激光 488 514577 一般吸收一般吸收 z eII 0 朗伯朗伯-比爾定律比爾定律 1 L吸收

6、長度吸收長度 混濁介質(zhì)混濁介質(zhì) 吸收和散射同時存在的介質(zhì)吸收和散射同時存在的介質(zhì) st t L 11 全衰減系數(shù)全衰減系數(shù) st 入射光子的平均自由光程入射光子的平均自由光程 s s t s a 光漫反照率光漫反照率 多數(shù)普通激光（波長為多數(shù)普通激光（波長為 ）穿入皮膚）穿入皮膚 的輻射能中的的輻射能中的99%被組織的外被組織的外 層吸收。層吸收。 nm1000300 mm6 . 3 cm/200 mm8 . 31060 Nd：YAG激光激光 10600激激光光 2 COmm23. 0 cm/12 表面表面 體積體積 吸收吸收 系數(shù)系數(shù) 波長波長)(nm光源光源 吸收吸收 深度深度 效應(yīng)效應(yīng)

7、二種激光器對組織作用的比較二種激光器對組織作用的比較 nm2940 Er：YAG激光激光 波長波長(um) 213945698 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 )( m 水的吸收光譜水的吸收光譜 研究表明，組織對激光的研究表明，組織對激光的 最小最小和和最大最大吸收相符合。吸收相符合。 最大最大和和最小最小反射分別與其反射分別與其 （四）反射、透射和吸收的關(guān)系（四）反射、透射和吸收的關(guān)系 波長波長(nm) 0. 5 500 400600700 0. 3 0. 1 0. 7 0. 9 800 反射率反射率 透射率透射率 吸收率吸收率 a b c 黃種人活性游離皮膚黃種人活性游離

8、皮膚(表皮表皮+真皮真皮)的反射率的反射率(a) 透射率透射率(b)和吸收率和吸收率(c)曲線曲線 二、皮膚的物理特性二、皮膚的物理特性 表皮表皮 皮膚的構(gòu)成皮膚的構(gòu)成 真皮真皮 皮下組織皮下組織 影響皮膚熱導(dǎo)率的因素：皮膚的厚度、溫度高影響皮膚熱導(dǎo)率的因素：皮膚的厚度、溫度高 低、血流快慢、色澤等。低、血流快慢、色澤等。 皮膚與水一樣是不良導(dǎo)熱體。皮膚與水一樣是不良導(dǎo)熱體。 汽油燃燒汽油燃燒 C 0 3200 皮膚下皮膚下1mm 處處C 0 47 1.5mm 處處C 0 42 反射規(guī)律反射規(guī)律 nm2000300 %63%5:R nm800400 nm0 .415nm0 .542 nm0 .

9、578 白種人白種人 黑種人黑種人 白種人和黑種人皮膚反射率光譜白種人和黑種人皮膚反射率光譜 40 60 20 反反 射射 率率 （%） 50.50.21. 0 波長波長( m) 21020 40 血液透射率曲線血液透射率曲線 婦女手指婦女手指 黃種人皮膚反射率光譜黃種人皮膚反射率光譜 反反 射射 率率 （%） 波長波長( m) 40 60 20 500 0 400700600800 80 100 男子手指男子手指 三、眼的光學(xué)性質(zhì)三、眼的光學(xué)性質(zhì) 眼眼 的的 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 圖圖 （一）眼的屈光特性與反射特性（一）眼的屈光特性與反射特性 眼眼 的的 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 圖圖 眼的屈光特性眼的屈光特性 角

10、膜角膜 中心厚度中心厚度0.6mm； 周邊厚度約周邊厚度約1.0mm； 角膜總屈光度為角膜總屈光度為41.34D 晶狀體屈光度為晶狀體屈光度為19.11D 眼對激光的反射眼對激光的反射 正入射角膜時正入射角膜時 %2 R 透過屈光介質(zhì)到達(dá)視網(wǎng)膜的光透過屈光介質(zhì)到達(dá)視網(wǎng)膜的光%5 R 人眼這一光學(xué)系統(tǒng)其反射率可忽略人眼這一光學(xué)系統(tǒng)其反射率可忽略 （二）眼對激光的透射、散射和聚焦（二）眼對激光的透射、散射和聚焦 眼對激光的透射眼對激光的透射 角膜角膜 nm1400400 晶狀體晶狀體 nm780400 玻璃體玻璃體 nm900450 眼對激光的散射眼對激光的散射 前向散射占總透射光約一半，且與波長

11、有關(guān)。前向散射占總透射光約一半，且與波長有關(guān)。 1.20 60 100 80 40 20 0.400.600.80 波長波長( m) 1.001.40 透透 射射 率率 （%） 總透射率總透射率 扣除散射光的透射率扣除散射光的透射率 眼屈光介質(zhì)對光的透射率眼屈光介質(zhì)對光的透射率 成像聚焦成像聚焦 眼屈光介質(zhì)的總屈光度為眼屈光介質(zhì)的總屈光度為60.42D 。 明視時瞳孔直徑約明視時瞳孔直徑約 23 mm，視網(wǎng)膜上所成實，視網(wǎng)膜上所成實 像的直徑約像的直徑約 550 m。 瞳孔面積是實像的瞳孔面積是實像的10 萬萬倍倍。 （三）眼對激光的吸收（三）眼對激光的吸收 眼屈光介質(zhì)的吸收特性眼屈光介質(zhì)的吸

12、收特性 角膜角膜對波長短于對波長短于 的遠(yuǎn)紫外線吸收率的遠(yuǎn)紫外線吸收率nm0 .280 對對 以上的中、遠(yuǎn)紅外線全部吸收。以上的中、遠(yuǎn)紅外線全部吸收。nm0 .1900 對可見光到對可見光到 的近紅外線幾乎不吸收；的近紅外線幾乎不吸收；nm0 .1400 對對 的中紅外線部分吸收；的中紅外線部分吸收；nmnm0 .19000 .1400 近為近為100%； 晶狀體晶狀體對紫外線的吸收類似角膜。對紫外線的吸收類似角膜。 對可見光幾乎不吸收；對可見光幾乎不吸收； nmnm0 .14000 .780對對 近紅外線是主要中吸收體。近紅外線是主要中吸收體。 房水房水對對 和和 的的nm0 .4000 .

13、340nm0 .14000 .780 激光少量吸收。激光少量吸收。 對可見光幾乎不吸收；對可見光幾乎不吸收； 玻璃體玻璃體對光波長沒有特征吸收；對光波長沒有特征吸收； 眼底的吸收特性眼底的吸收特性 1.20 60 100 80 40 20 0.400.600.80 波長波長( m) 1.001.40 透透 射射 率率 （%） 總透射率總透射率 扣除散射光的透射率扣除散射光的透射率 眼屈光介質(zhì)對光的透射率眼屈光介質(zhì)對光的透射率 眼底的吸收光譜眼底的吸收光譜 白白人人眼眼 60 0.40 40 20 80 100 1.40 波長波長 0.600.801.001.20 )(m %吸吸收收率率 色色兔兔眼眼 白白兔兔眼眼 作用效率