生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)第一章緒論

1、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)Biomedical Photonics1 緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) (biomedical photonics)生物光子學(xué)生物光子學(xué)(biological photonics）醫(yī)學(xué)光子學(xué)醫(yī)學(xué)光子學(xué)(medical photonics)組織光組織光(tissue optics)Chapter 1 緒論緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)？生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)？Chapter 1 緒論緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) NOT生物醫(yī)學(xué)光學(xué)？生物醫(yī)學(xué)光學(xué)？波粒二象性波粒二象性波動理論波動理論量子力學(xué)量子力學(xué)Chapter 1 緒論緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的定義生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的定義Chapter

2、 1 緒論緒論為什么學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)為什么學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)?現(xiàn)在和未來醫(yī)學(xué)上的新需求現(xiàn)在和未來醫(yī)學(xué)上的新需求:早期診斷無創(chuàng)傷日常監(jiān)控Chapter 1 緒論緒論CT當(dāng)前的成像技術(shù)當(dāng)前的成像技術(shù)Chapter 1 緒論緒論無創(chuàng)傷檢測無創(chuàng)傷檢測Chapter 1 緒論緒論Hitachi, 2004，無創(chuàng)血糖檢測掌上型血氧儀（oximeter）,測量動脈血的含氧量手指血氧儀Chapter 1 緒論緒論激光誘導(dǎo)熒光檢測器激光誘導(dǎo)熒光檢測器（Laser Induced Fluorescence Detector，LIF）Chapter 1 緒論緒論Chapter 1 緒論緒論信息載體信息載體檢測檢測

3、光源光源模型結(jié)果Chapter 1 緒論緒論綱要綱要第一章緒論第一章緒論第二章光與生物組織體的相互作用第二章光與生物組織體的相互作用 第三章描述光在組織體中傳播的數(shù)學(xué)模型第三章描述光在組織體中傳播的數(shù)學(xué)模型第四章生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中的測量技術(shù)第四章生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中的測量技術(shù)第五章參數(shù)提取的定量數(shù)學(xué)方法第五章參數(shù)提取的定量數(shù)學(xué)方法第六章第六章 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)在人體成分濃度檢測生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)在人體成分濃度檢測 方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用第七章生物醫(yī)學(xué)光子成像技術(shù)第七章生物醫(yī)學(xué)光子成像技術(shù)第八章生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)其它研究熱點介紹第八章生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)其它研究熱點介紹2 光與生物組織體的相互作用 2 光與生物組織體的

4、相互作用光與生物組織體的相互作用2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.3 組織體對光的散射效應(yīng)組織體對光的散射效應(yīng)2.4 組織體發(fā)光組織體發(fā)光2.5 光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng)光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng) 2.6 光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式圖圖2.1 光與組織體的相互作用光與組織體的相互作用1.光與生物組織體相互作用的表現(xiàn)形式或現(xiàn)象光與生物組織體相互作用的表現(xiàn)形式或現(xiàn)象2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式u吸收吸收光強隨著光

5、在組織體中的傳播距離的增加而不斷減光強隨著光在組織體中的傳播距離的增加而不斷減 小，未被吸收的光經(jīng)組織體邊界出射?；拘问叫。幢晃盏墓饨?jīng)組織體邊界出射。基本形式u反射、折射和散射反射、折射和散射組織體的宏觀或微觀的不均勻性導(dǎo)致組織體的宏觀或微觀的不均勻性導(dǎo)致 光傳播方向的改變光傳播方向的改變u偏振態(tài)及偏振效應(yīng)偏振態(tài)及偏振效應(yīng)u光聲效應(yīng)光聲效應(yīng)u光致發(fā)熱光致發(fā)熱u光致發(fā)光光致發(fā)光u光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式宏觀現(xiàn)象是通過宏觀現(xiàn)象是通過微觀的物理變化產(chǎn)生的！微觀的物理變化產(chǎn)生的！2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組

6、織體相互作用的基本形式光和組織相互作用過程的能級表示 2.組織體內(nèi)部的各種微觀物理過程組織體內(nèi)部的各種微觀物理過程 不同能級之間的躍遷對應(yīng)著不同的物理過程不同能級之間的躍遷對應(yīng)著不同的物理過程2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式u光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電子激發(fā)態(tài)的光輻射入射到組織體，電子向上躍遷到不同電子激發(fā)態(tài)的不同振動能級上，或?qū)崿F(xiàn)不同振動能級之間的躍遷不同振動能級上，或?qū)崿F(xiàn)不同振動能級之間的躍遷吸收吸收過程、吸收光譜過程、吸收光譜u電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷電子從高能級向低能級的衰變過程中可分別以無輻射躍遷的方式向

7、周圍發(fā)出熱而將多余的能量消耗掉的方式向周圍發(fā)出熱而將多余的能量消耗掉光熱、光聲、光熱、光聲、光電導(dǎo)等現(xiàn)象光電導(dǎo)等現(xiàn)象u電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動能級開始的向下躍遷過程可電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動能級開始的向下躍遷過程可能采取發(fā)出一個光子但不改變其自旋的過程能采取發(fā)出一個光子但不改變其自旋的過程熒光產(chǎn)生、熒光產(chǎn)生、熒光光譜熒光光譜u分子從受激虛態(tài)向下躍遷時回到電子基態(tài)中的其他振動能分子從受激虛態(tài)向下躍遷時回到電子基態(tài)中的其他振動能級時，產(chǎn)生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的級時，產(chǎn)生和入射光同頻率的光以及比入射光頻率大或小的光光Raman Raman 散射、散射、RamanRaman光譜

8、光譜2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式u研究光散射、反射和折射研究光散射、反射和折射 經(jīng)典麥克斯韋爾電磁理論經(jīng)典麥克斯韋爾電磁理論u研究光吸收、發(fā)光及接收研究光吸收、發(fā)光及接收 量子理論量子理論描述（組織光學(xué)）描述（組織光學(xué)）光學(xué)特性參數(shù)：光學(xué)特性參數(shù)： 吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射率等吸收系數(shù)、散射系數(shù)、折射率等2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式組織光學(xué)（組織光學(xué)（tissue optics) 研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳播特研究可見光和近紅外光在生物組織體中的傳播特點和規(guī)律的一門學(xué)問，其基本任務(wù)是確定在一定條

9、點和規(guī)律的一門學(xué)問，其基本任務(wù)是確定在一定條件下光輻射能量在組織體內(nèi)的分布，進而發(fā)展活體件下光輻射能量在組織體內(nèi)的分布，進而發(fā)展活體組織光學(xué)特性參數(shù)的測量方法。組織光學(xué)特性參數(shù)的測量方法。 2 光與生物組織體的相互作用光與生物組織體的相互作用2.1 光與生物組織體相互作用的基本形式光與生物組織體相互作用的基本形式 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.3 組織體對光的散射效應(yīng)組織體對光的散射效應(yīng)2.4 組織體發(fā)光組織體發(fā)光2.5 光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng)光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng) 2.6 光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng) 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種

10、類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)光的吸收光的吸收:光在通過生物組織體時由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運動或分子的某種振動從而導(dǎo)致光強度的衰減。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)量絳為零不透明：使入射輻射能生物組織體對不同波段吸收不同真空透明：根據(jù)對光的吸收能力- - - - - -吸收允許許光通過而完全不人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在紅外人角膜和晶狀體在可見光波段近似于

11、透明體，但在紅外波段卻表現(xiàn)出強烈的吸收。波段卻表現(xiàn)出強烈的吸收。收比較強定波長的光有吸收或吸選擇性吸收：對某些特的衰減程度相同或相似范圍內(nèi)的所有波長的光一般吸收：對一定光譜生物組織體2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)描述組織體吸收能力的光學(xué)參數(shù):吸收系數(shù)吸收系數(shù)-absorption coefficient吸收截面吸收截面-absorption cross-sectional area2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)u吸收截面吸收截面0IPabsa吸收截面具有面積的單位吸收截面具有面積的單位 吸收的定義吸收的定義abs2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效

12、應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)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 Aa aa a a = Qa Acm2 - cm2QaA：geometrical area：efficiencya2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)u 吸收系數(shù)吸收系數(shù)光子組織體內(nèi)的吸收體2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的

13、吸收效應(yīng)aa吸收系數(shù)：吸收系數(shù)： 單位單位: 1/cm,1/mm吸收粒子密度吸收粒子密度吸收截面吸收截面3cm2cmpThe absorption coefficient is essentially the cross-sectional area for absorption per unit volume of medium.p單位程長上一個光子被吸收的概率單位程長上一個光子被吸收的概率吸收系數(shù)越大，代表組織體對該波長的光的吸收也越大吸收系數(shù)越大，代表組織體對該波長的光的吸收也越大2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)mean absorption free pathlengt

14、h）aal1pThe reciprocal represents the average distance a photon travels before being possibly absorbed.組織體的吸收平均自由程在一般在組織體的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之間之間 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織

15、體對光的吸收效應(yīng)躍遷：躍遷：粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)移過程粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)移過程躍遷的條件：躍遷的條件：吸收能量吸收能量蛋白質(zhì)分子圖蛋白質(zhì)分子圖 組織體的基本單元是細(xì)胞 細(xì)胞又是由分子組成的，例如控制細(xì)胞化學(xué)作用的DNA本身就是一個分子。 分子由碳、氫、氧、氮、磷等這些原子組成的，各個原子之間以化學(xué)鍵相連而組成分子。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)1、自由原子（、自由原子（原子間的相互作用可以忽略）的躍遷的躍遷躍遷的形式：躍遷的形式：原子外層電子外層電子就會發(fā)生從基態(tài)到高能 級的躍遷。躍遷的種類：躍遷的種類：Electronic transitions 躍遷的條件：躍遷

16、的條件：absorb UV, visible, NIR lightground state S0Excited electronic state S101SSh2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2、分子的躍遷、分子的躍遷生物組織體原子并不是處于自由狀態(tài)的，原子靠化學(xué)鍵聚在一起組成分子，而且組成的是大分子，很顯然分子對電磁波的吸收與單個原子的吸收相比要復(fù)雜得多。分子的能級取決于分子的運動和狀態(tài)分子的能級取決于分子的運動和狀態(tài)ns transitiorotational-ns transitioibrational-ns transitioelectronic- 分子的轉(zhuǎn)動原子核間的

17、振動電子相對原子核的運動運動分子的v2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)（1）、電子相對原子核的運動及吸收）、電子相對原子核的運動及吸收鍵：鍵：原子軌道沿鍵軸（核間連線）以原子軌道沿鍵軸（核間連線）以“頭頭碰頭碰頭” 方式進行重疊，重疊部分沿鍵軸呈方式進行重疊，重疊部分沿鍵軸呈圓柱形對稱分布，形成圓柱形對稱分布，形成共價鍵。共價鍵。鍵：鍵：互相平行的互相平行的p py y或或p pz z軌道則以軌道則以“肩并肩肩并肩” 方式進行重疊，重疊部分方式進行重疊，重疊部分垂直于鍵軸并呈鏡面反對稱。垂直于鍵軸并呈鏡面反對稱。 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)鍵的軌道重疊程度大

18、，鍵的軌道重疊程度大，鍵比鍵比鍵牢固鍵牢固2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)分子在吸收光輻射能量后可以產(chǎn)生電子態(tài)間的躍遷，此時電子分子在吸收光輻射能量后可以產(chǎn)生電子態(tài)間的躍遷，此時電子由一個低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為由一個低能級的軌道（即成鍵軌道）躍遷到高能級軌道（稱為反鍵軌道，用上標(biāo)反鍵軌道，用上標(biāo)*表示）表示）, 分子也由基態(tài)變成為激發(fā)態(tài)。分子也由基態(tài)變成為激發(fā)態(tài)。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)（2）、分子的振動及吸收：）、分子的振動及吸收：當(dāng)分子從一個振動態(tài)變化到另一個振動態(tài)移動時造成的能量的變化向運動：原子在垂直于價鍵方彎曲振動回運

19、動：原子沿著價鍵方向來伸展振動振動分子的 HHCHHC剪式搖擺面內(nèi)變形引起振動躍遷的能量通常對應(yīng)在引起振動躍遷的能量通常對應(yīng)在紅外（紅外（infrared, IR）區(qū)域）區(qū)域 高頻區(qū)低頻區(qū)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)振動吸收峰的種類振動吸收峰的種類2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)（3）、分子的轉(zhuǎn)動及吸收：）、分子的轉(zhuǎn)動及吸收：轉(zhuǎn)動能級代表分子處于不同轉(zhuǎn)動狀態(tài)時所具有的能量轉(zhuǎn)動吸收所需要的能量低于實現(xiàn)振動能級躍遷所需要的能量，通常其吸收譜位于紅外區(qū)。由于轉(zhuǎn)動吸收是在振動吸收的基礎(chǔ)上所產(chǎn)生的附加的精細(xì)結(jié)構(gòu),因此使光譜圖更加復(fù)雜。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體

20、對光的吸收效應(yīng)轉(zhuǎn)動能級躍遷需要的能量轉(zhuǎn)動能級躍遷需要的能量 振動能級躍遷需要的能量振動能級躍遷需要的能量 電子躍遷需要的能量電子躍遷需要的能量分子吸收總能量可以看成是電子、轉(zhuǎn)動和振動能量分子吸收總能量可以看成是電子、轉(zhuǎn)動和振動能量的總和：的總和：E EE ES S+E+EP P+E+ER R+E+EV V （2.12.1）其中其中EsEs是電子的能量是電子的能量，平動能平動能E EP P只是溫度的函數(shù)只是溫度的函數(shù)，E EV V是由于原子間的振動是由于原子間的振動（vibrationvibration）而具有的能量而具有的能量，而而E ER R是分子圍繞其核心旋轉(zhuǎn)是分子圍繞其核心旋轉(zhuǎn)（rota

21、tionrotation）所具有的能量。所具有的能量。 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)表表2.1 2.1 各光波段對應(yīng)的躍遷各光波段對應(yīng)的躍遷2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)要把電子躍遷和分子振動、轉(zhuǎn)動的躍遷完全分開是不可能的。要把電子躍遷和分子振動、轉(zhuǎn)動的躍遷完全分開是不可能的。由于轉(zhuǎn)動、振動在電子態(tài)間形成了很多精細(xì)能級，因此可能由于轉(zhuǎn)動、振動在電子態(tài)間形成了很多精細(xì)能級，因此可能發(fā)生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜應(yīng)該是帶狀光譜而發(fā)生的躍遷是多種多樣的，分子吸收光譜應(yīng)該是帶狀光譜而非線狀光譜。非線狀光譜。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng) 2

22、.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.2.3 生物組織中的吸收物質(zhì)生物組織中的吸收物質(zhì) 2.2.4 朗伯朗伯-比爾定理比爾定理 2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)only affecting reflection1% cells blood WhiteplateletNIR n toabsorptrio no 55% RbC) suspendingfor salt and water of(solution Plasmalungin HB-oxyhemoglobin-Deoxyca

23、pillaryin HB-deoxyhemoglobin-Oxy44% (RbC) cells blood RedBloodConstant concentration during measuring periodLow concentration 肌紅蛋白肌紅蛋白2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)組織體中的幾種主要吸收物質(zhì)的吸收譜組織體中的幾種主要吸收物質(zhì)的吸收譜 100-10000nm處水、血紅蛋白等的吸收譜處水、血紅蛋白等的吸收譜吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢在在60060090

24、0nm900nm的的NIRNIR波段，水的吸收系數(shù)約為波段，水的吸收系數(shù)約為0.001mm0.001mm-1-1，因此可以講，因此可以講，水具有水具有NIRNIR觀測觀測“窗口窗口”特性。特性。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)水的吸收光譜水的吸收光譜 在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白(Oxy-(Oxy-hemoglobin,hemoglobin, HbO2）和還原血紅蛋白）和還原血紅蛋白( (deoxydeoxy-hemoglobin,-hemoglobin, Hb）2.2 組織

25、體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)濃度通常用濃度通常用 表示表示, ,例如例如氧合血紅蛋白的濃度表示為氧合血紅蛋白的濃度表示為 HbO2 還原血紅蛋白的濃度表示為還原血紅蛋白的濃度表示為 Hb 1000-2500nm處水、血糖、血紅蛋白的吸收譜處水、血糖、血紅蛋白的吸收譜2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)NNNNpyrrolesporphyrinsheme(chlorophyll)cytochromesphycobiliproteinscarotenoidsferredoxinsflavinsmelaninNONNNONOOOOO

26、咯吡卟啉血紅素細(xì)胞色素澡膽蛋白類胡蘿卜素黃素黑色素Absorbers within the range of UVIR2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)e.g. absorberBilirubin(膽紅素）膽紅素）300 400 500 600Wavelength nme e r = 1 nm. A = 4.5x10-15 cm2At 460 nme = 53,846 cm2/mol總總 結(jié)結(jié)600nm-900nm（近紅外）區(qū)，水的吸收很小。 近紅外的一些區(qū)域和紅外區(qū)，水成為生物組織體中占主導(dǎo)地位的吸收物，因此其它生色團對光的吸收信息實際上是淹沒在了水的吸收譜內(nèi)的。2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng)對對 策策采用的光波長應(yīng)該盡量避開水的吸收峰，水在600-900 nm 的低吸收，（也被稱為近紅外光測量的光學(xué)窗口，NIR window），從而使得在此波段的光有可能穿過幾厘米深的組織體，實現(xiàn)深層組織的探測。 要采取靈敏的檢測技術(shù)和方法從水吸收的背景內(nèi)提取出所需要的生色團的吸收信息2.2 組織體對光的吸收效應(yīng)組織體對光的吸收效應(yīng) 2.2.1 吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)吸收效應(yīng)和吸收系數(shù) 2.2.2 分子分子吸收種類吸收種類 2.