生物醫(yī)學(xué)中的光學(xué)與激光

1、生物醫(yī)學(xué)中的光學(xué)與激光本講內(nèi)容概要1.引言學(xué)科背景基本概念:Biomedical Optics, Biomedical Photonics本講的主要內(nèi)容概述2.生物組織的光學(xué)特性：（組織對(duì)）光的吸收、反射和散射組織的光學(xué)特性光在組織中的傳播規(guī)律光學(xué)診斷學(xué)的基礎(chǔ)3.光和組織的相互作用光對(duì)組織的物理作用（治療）測(cè)量應(yīng)用（激光醫(yī)學(xué)）4.光學(xué)檢測(cè)及成像：光學(xué)相干層析成像Optical Coherence Tomography (OCT)其它的成像技術(shù)舉例引言（1）本講涉及的內(nèi)容屬于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(Biomedical Photonics)的范疇生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)與生物醫(yī)學(xué)光學(xué)（Biomedical Opt

2、ics）區(qū)別（相同點(diǎn)與不同 點(diǎn)） ： 根據(jù)一般的定義，光學(xué)是指“可見(jiàn)光學(xué)”，它是電磁輻射中一種可被人眼感知的類(lèi) 型；另一方面，光子學(xué)領(lǐng)域，它包括光子，即所有電磁輻射譜內(nèi)的量子，它的定義 比光學(xué)的定義更廣泛（圖1）。 光子學(xué)包括與電磁輻射相關(guān)的光學(xué)技術(shù)與非光學(xué)技術(shù)，它是電場(chǎng)與磁場(chǎng)空間能量的 傳遞。電磁譜是它的能量范圍，從宇宙射線(xiàn)、射線(xiàn)、X射線(xiàn)到紫外、可見(jiàn)光、紅 外、微波和無(wú)線(xiàn)電頻率。 因此，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)可以定義為研究所有波長(zhǎng)范圍的電磁輻射在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用的 科學(xué)與技術(shù)。這一領(lǐng)域包括對(duì)光或其它形式輻射能量（量子單元為光子）的產(chǎn)生與 操縱，采用大量的方法和技術(shù)，例如激光和其它光源，光纖，電子-光學(xué)儀

3、器，復(fù) 雜的微電子機(jī)械系統(tǒng)，納米系統(tǒng)等，研究光吸收、發(fā)射、傳導(dǎo)、散射和放大現(xiàn)象在 臨床上的應(yīng)用。 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究范疇包括臨床診斷、治療和疾病的防護(hù)。在人類(lèi)的發(fā)展歷史中，光學(xué)扮演著非常重要的角色：光的治療作用17世紀(jì)光學(xué)顯微鏡的發(fā)明對(duì)其后200年間的生物學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)的研究起到了 非常重要的作用： 細(xì)胞理論：1830s 微生物學(xué)：1870s引言（2） 1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)X射線(xiàn)在疾病診斷中的應(yīng)用其它許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步也極大地促進(jìn)了生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) 地發(fā)展，為生物分子地研究、組織的鑒別以及疾病的診斷提供 了各種各樣的工具 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展受到以下三個(gè)科學(xué)和技術(shù)革命的影響：量子理論

4、的革命（19001950s）技術(shù)革命（1940s-1950s）基因組學(xué)革命（1950s-2000）引言（3）量子理論的革命：光的概念的演變 1687年，牛頓的經(jīng)典理論：包含了許多光的現(xiàn)象，如光的折射、白光 的本質(zhì)、薄膜現(xiàn)象等，以及光學(xué)儀器，如顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡等 1865年，Maxwell的關(guān)于光傳播的電磁波理論 隨后的一系列關(guān)于光的本質(zhì)的重大發(fā)現(xiàn)，對(duì)牛頓的經(jīng)典理論提出了挑 戰(zhàn)，導(dǎo)致了20世紀(jì)量子物理的革命愛(ài)因斯坦 光電效應(yīng)：光的本質(zhì)Hertz Max Planck：光的量子化 1905年，愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋?zhuān)_(kāi)拓了量子力學(xué)領(lǐng)域 光既不是連續(xù)的波，也不是小的粒子，而是以稱(chēng)為光子的波

5、的能量束形式存在，每一個(gè)光 子的能量取決于光波的頻率 盧瑟福和玻爾利用放射性輻射實(shí)驗(yàn)研究了原子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了量子理論波粒二向性 從1926年到1933年，Heisenberg，Schrodinger和Dirac等人的理論工作，奠定了 量 子理論的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) 基于量子理論，產(chǎn)生了諸如分子光譜技術(shù)和光子技術(shù)（比如激光、光 學(xué)活檢、光鑷以及近場(chǎng)探針等），為疾病的非浸入診斷、在分子級(jí)別 研究細(xì)胞的功能以及在基因級(jí)別治療疾病提供了強(qiáng)大的工具，量子理 論也正由于其電子、原子、分子以及光本身的深刻理解為分子生物學(xué) 和遺傳性奠定了基礎(chǔ)DNA結(jié)構(gòu)、細(xì)胞的分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，疾病的基 因?qū)W，分子醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。引言（

6、4）技術(shù)革命： 激光：Laser:受激輻射光放大提供了一種激發(fā)組織，疾病診斷以及組織切除了介入治療的光源愛(ài)因斯坦提出了光子Lhe受激發(fā)射的假設(shè)Arthur Schawlow 和Charles Townes發(fā)表文章，提出了在可見(jiàn)光以及紅外光波段實(shí)現(xiàn)激發(fā)諧振的可能1960年Maiman發(fā)明了紅寶石激光器應(yīng)用：疾病診斷中的光源以及手術(shù)中的激光刀。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)紊?；高?qiáng)度；光纖；內(nèi)窺成像；精度高；感染和失血少；可用計(jì)算機(jī)控制激光的強(qiáng)度和方 向，減少人為失誤；在激光醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用：除皺，消除文身，胎記，腫瘤，眼科中的校正，糖尿病 性青光眼的治療等，心臟，前列腺，食道 微芯片:激光提供了一種新的激發(fā)手段，然

7、而傳感器、探測(cè)器及其附屬電路的小型化以及批量生產(chǎn)從根本上改變 了對(duì)分子、組織和器官在活體和離體狀態(tài)下的探測(cè)和成像方式；微芯片技術(shù)基于大規(guī)模集成電路的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，微芯片技術(shù)使保證了可以低成本地制作微電子電路 和光子探測(cè)器如PDA、CCD相機(jī)以及CMOS等，具有廣闊的場(chǎng)，使得這些器件在生物醫(yī)學(xué)光譜以及分子 成像等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用Moore定律：芯片的尺寸繼續(xù)減小，而實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能的成本呈負(fù)指數(shù)下降影響了生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的眾多領(lǐng)域：MRI，CT， 核醫(yī)學(xué)， 超聲成像等 納米技術(shù)對(duì)1100nm尺度的材料進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的技術(shù)納米技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)中的許多重要領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的變化，尤其是在分子和細(xì)胞水平

8、上的診斷和治 療，將分子納米技術(shù)和光子學(xué)結(jié)合，可以利用納米器件對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱，在細(xì)胞水平上具有非常 廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用納米探針、納米機(jī)器人、納米激光、納米診斷和治療光鑷微納操作引言（5）基因組學(xué)革命： 1953年，Watson和Crick在Nature上發(fā)表有關(guān)DNA螺旋結(jié)構(gòu)的文章，是基因 組學(xué)革命的開(kāi)端 而2000年人類(lèi)基因組排序的完成是分子遺傳學(xué)領(lǐng)域的又一重大成就 重大事件： DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)1953 Sanger方法 DNA熒光排序法 DOE宣布HGI1986 DOE和NIH聯(lián)合HGP1990 E. Coli基因組 Yeast 基因組 Worm基因組 Fruit Fly基因組 人類(lèi)

9、基因組（90）2000 基因藥物 個(gè)性化醫(yī)學(xué)圖1 利用不同波長(zhǎng)的”光”進(jìn)行人體信息的提取診斷生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣泛。本講的重點(diǎn)是介紹生物組織的光學(xué)特性，這些特性影響著光在組織中的傳輸，因此是醫(yī)學(xué)光譜和成像診斷的基礎(chǔ)。這里所講到的“光”，是指電磁波中，真空中波長(zhǎng)為100nm-1000nm的部分，包 括：近紅外光（NIR）、可見(jiàn)光以及紫外光（UV）的A、B、C段，涵蓋了在生物 醫(yī)學(xué)光子學(xué)中非常重要的治療（或診斷）窗（600-1300nm）。生物組織的光學(xué)特性：物理現(xiàn)象一般可用經(jīng)典或量子理論來(lái)解釋 (圖2) 經(jīng)典理論認(rèn)為：光是能量連續(xù)的振蕩電磁波（EM） 量子理論認(rèn)為：光由光子構(gòu)成，每一個(gè)

10、光子的能量正比于電磁波的頻率。光和物質(zhì)以光子的方式交換能量，E=h =hc/, h是Planck常數(shù)。 研究光在組織中的傳播時(shí)，結(jié)合以上兩種觀點(diǎn)：經(jīng)典理論：在數(shù)學(xué)上建立光傳輸?shù)哪Ｐ停ū热?，?jì)算散射界面） 量子理論：吸收、發(fā)光以及拉曼散射。光于物質(zhì)的作用：散射（拉曼、米氏）；吸收（熒光、光化學(xué)、光電、光熱、光電 離）圖2 orthogonal harmonic E-and B-fields for a plane polarized wave=c/光和組織的相互作用：生物組織分兩類(lèi)： 強(qiáng)散射介質(zhì)（不透明的） 弱散射介質(zhì)（透明的）輻照方式有兩種： 連續(xù)光輻照作用輻照光的強(qiáng)度不變靜態(tài)輻射傳輸理論時(shí)間

11、分辨作用 非靜態(tài)的輻射傳輸理論，分為：時(shí)域法和頻域（相位）法激光與生物組織的作用機(jī)理：激光醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)光學(xué)檢測(cè)及成像：根據(jù)光在組織中傳播的特性以及光與組織相互作用的性質(zhì)，選擇合適的物理方法，提取出（用于診斷的）有用信息。散射介質(zhì)傳播：利用光的相干特性(相干門(mén)）來(lái)選擇彈道光子或最小散射光 子，進(jìn)行成像，OCT ；或利用偏振特性來(lái)對(duì)特定的光子進(jìn)行選擇測(cè)量或成 像，比如：PS-OCT激光誘導(dǎo)熒光：自體熒光、標(biāo)記熒光、時(shí)間分辨熒光（熒光壽命）、激光 掃描共焦成像、多光子激發(fā)熒光等光熱作用：光熱光譜技術(shù)、光聲技術(shù)、組織的溫度升高及損傷（凝結(jié)、汽 化、熱解、蝕除等）。組織的光學(xué)特性 反射和折射 散射 吸收

12、混濁介質(zhì)影響光在生物組織中傳播的三個(gè)物理過(guò)程 反射和折射（reflection and refraction） 散射（scattering） 吸收（absorption）這三個(gè)過(guò)程分別用以下參數(shù)來(lái)描述： 折射率 散射系數(shù) 吸收系數(shù) 各向異性在反射、吸收或散射中，哪一種損耗為主，取決于生物組織的類(lèi)型以及入 射光的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)是非常重要的參數(shù)，它決定了折射和吸收以及散射系 數(shù)。圖3所示是光在兩種介質(zhì)的界面所發(fā)生的反射、折射、吸收及散射的幾何關(guān) 系圖3 反射、折射、吸收及散射的幾何關(guān)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 同的兩種材料的邊界如空氣和組織的交界。

13、簡(jiǎn)單的反射定律要求入射和反射光束的波法 線(xiàn)與反射表面的法線(xiàn)處在同一平面（入射 面）內(nèi)，反射角等于入射角。這個(gè)表面被認(rèn) 為是光滑的，其表面不平整度與輻射度波長(zhǎng) 相比很小，這種情況就是所謂的鏡面反射。相反，當(dāng)反射表面的粗糙度較大或大于輻射的波 長(zhǎng)時(shí)，就出現(xiàn)漫反射。這樣，被反射的許多 光束并不一定處于同一入射平面，表征反射 定律的公式不再適用。漫反射是所有生物組 織的一個(gè)共同現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈儧](méi)有一個(gè)象光 學(xué)反射鏡的表面那樣拋光的表面。唯一的特 殊情況是在潮濕組織表面鏡面反射可能超過(guò) 漫反射。折射：折射通常出現(xiàn)在具有兩種不同折射率的介 質(zhì)的反射表面分界處。它是由光波速度的變 化引起的。決定折射的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)

14、關(guān)系式是 Snell定律，即：圖4 反射和折射 2. 全內(nèi)反射：臨界角：當(dāng)光在組織中傳播時(shí)， 正好發(fā)生全內(nèi)反射的角度。3. 反射系數(shù)和透射系數(shù)、反射比和透射比（1）反射系數(shù)和透射系數(shù)：其中：A1，A1，A2分別是入射、反射和折射光的光矢量的振幅。rs，ts分 別為s波的振幅反射系數(shù)、振幅的透射系數(shù)；rp，tp分別成為p波的振幅反射 系數(shù)、振幅的透射系數(shù)。（2） 反射比和透射比：其中：Rs，Ts分別為s波的反射比、透射比；Rp，Tp分別成為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：當(dāng)入射光是自然光時(shí)，入射角滿(mǎn)足1 2 時(shí)，有2Rp 0即反射光中沒(méi)有p波，只有垂直于入射面振動(dòng)的s波，發(fā)生全偏振現(xiàn)象。當(dāng)光垂直入射時(shí)，通過(guò)近似有：n 12tannB2 n1222 ncos cos221 1 22 coscos n 1 n R R sp散射1.概述（1）碰撞過(guò)程（如圖5） 光入射到組織內(nèi)一具有限尺寸的折射率不同的粒子上時(shí)，部分入射光被散射，如圖5所示。比 如，生物組織中的一種散射源是由

16、于細(xì)胞內(nèi) 的細(xì)胞器和周?chē)?xì)胞質(zhì)的折射率的不同而引 起的。（2）彈性散射：入射與散射光子的能量相同（沒(méi)有 能量的交換）。非彈性散射：散射光子與入射光子的能量不 同。準(zhǔn)彈性散射：當(dāng)光子被運(yùn)動(dòng)粒子如血細(xì)胞散射 時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，對(duì)發(fā)生微小的能量變 化。（3）在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中，散射現(xiàn)象對(duì)診斷和治療 都具有重要的作用：診斷：散射取決于組織中各成分（如脂質(zhì) 膜、核、膠原纖維）的大小、形貌以及結(jié) 構(gòu)，由疾病造成的這些成分的變化會(huì)影響散 射特性,因此,提供了一種疾病診斷的方法，尤 其在成像方面有重要的應(yīng)用。治療：散射信號(hào)能用來(lái)確定最佳的光劑量(特 別是激光治療),在治療時(shí)提供有用的反饋信息.圖5 散射碰撞

17、過(guò)程2. 散射截面、散射系數(shù)（1）散射截面 s s 其中：p scatt 表示散射功率(能量/時(shí)間)；Io為入射光波的強(qiáng)度(單位面積的功 率)；s)是平面波相對(duì)與散射體的傳播方向。說(shuō)明：a 入射光束到達(dá)散射體之前，其功率是均勻的， pin I0A其中Io是光波的強(qiáng)度，A是截 面積b 和散射體作用后，部分能量由于散射而偏離原來(lái)的光束，光束的強(qiáng)度不再均勻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圖6 散射系數(shù)和散射截面散射截面具有面積的量綱,等價(jià)于一個(gè)物體從均勻平面波上切掉的那一部分面積,使得入 射平面波經(jīng)過(guò)散射體后,原方向上降低了的功率等于所觀察到的散射功率。

18、截面不是物 體幾何面的投影,同樣大小的玻璃球和鋼球有著不同的截面，它只不過(guò)是量化物體散射 能力的一個(gè)簡(jiǎn)便方法。微分散射截面假設(shè)散射體是球形對(duì)稱(chēng)的，則散射截面與入射光和散射體的相對(duì)位置無(wú)關(guān)，僅與入 射方向和散射方向的相對(duì)位置有關(guān)，則用 s ，s 方向夾角的余弦來(lái)表示：d s s, s d s (s s)dd其中：光子沿 s著方向入射，沿著s 方向散射（立體角錐的中心線(xiàn)如圖 7）。圖7（2）散射系數(shù)其中： 是散射體密度。散射系數(shù)在本質(zhì)上是單位體積內(nèi)散射的截面積。 散射平均自由程 ls ：表示一個(gè)光子經(jīng)歷兩次相鄰散射事件之間所走過(guò)的平均路程。3. 瑞利散射、米氏散射 散射可根據(jù)散射粒子與波長(zhǎng)的相對(duì)大

19、小分為三類(lèi): a 瑞利散射：散射粒子的尺寸比光的波長(zhǎng)小；b 米氏散射：波長(zhǎng)與散射粒子的尺寸相當(dāng)；c 幾何散射：光波長(zhǎng)比散射體的尺寸小得多（反射折射）s ssl s1（1） 瑞利散射a 瑞利散射定律（圖8）如果再考慮散射角 ,更為詳細(xì)的表達(dá)是：其中： 是散射角，即粒子被散射后的 運(yùn)動(dòng)方向與入射方向之間的夾角， 當(dāng) 0表示前向散射。4I L 1ss41cos2 ()I () s圖8 瑞利散射的幾何圖形說(shuō)明： 當(dāng)以白光入射時(shí)，波長(zhǎng)較短的紫光和藍(lán)光比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光和黃光 要強(qiáng)烈，如：天空的蔚藍(lán)色，旭日和夕陽(yáng)的紅色。 在推導(dǎo)過(guò)程中，忽略了吸收，因此上述公式只有在波長(zhǎng)遠(yuǎn)離吸收帶 時(shí)才有效（如光波長(zhǎng)處于診斷

20、窗）瑞利散射定律只適用于散射體比光波波長(zhǎng)小的情況，如果這種尺寸 變得可以和入射的波長(zhǎng)相比較如在血細(xì)胞中，瑞利散射不再適用， 這時(shí)散射光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系不大，如：天空中的云霧（大氣中的 水滴組成）呈白色。 當(dāng)自然光入射時(shí)，散射光有一定程度的偏振（偏振與散射角 有 關(guān)），在與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，散射光仍為自然光，在其他方向上，散射光為部分偏振 光。b 瑞利散射截面這些散射結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞的各組成成分（圖9），散射體尺寸比波長(zhǎng)小 得多的一個(gè)重要的結(jié)果就是，任何時(shí)候，散射體處在一個(gè)電場(chǎng)均勻分 布得組織體中。對(duì)半徑為a的散射粒子，瑞利散射的截面微分為：其中：是入射光方

21、向與出射方向的夾角；、分別是散射體和組織體的折射率。(1 cos2 )nm ) an2 2n2 8 4n4 ( ns4622d sdmsmnsnm圖9 細(xì)胞結(jié)構(gòu)（2） 米氏散射 米氏散射理論對(duì)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，那么幾何散射和瑞利散射的微觀理 論都不適用，就必須使用米氏理論。(q代表粒子的周長(zhǎng)與電磁 波波長(zhǎng)之比，該物理量是代表粒子尺寸的一個(gè)無(wú)量綱因子: q=2 r/)各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)（圖9）,例如細(xì)胞核、線(xiàn)粒體、細(xì)胞外的如膠原 纖維,它們的大小數(shù)量級(jí)為幾百納米到幾個(gè)微米，盡管這些結(jié) 構(gòu)不一定是球形,仍然可以用米氏理論來(lái)計(jì)算散射。（3）瑞利散射與米氏散射的比較同瑞

22、利散射( -4)相比，米氏散射( -x，0.4 x 0.5） 表現(xiàn)出對(duì)波長(zhǎng)更弱的依賴(lài)性；米 氏 散 射 更 可 能 發(fā) 生 在 前 向 上 ， 而根 據(jù) 以 上 所 導(dǎo) 出 的 公 式 ， 瑞 利 散射 與1cos2 成正比，即前向和后向散射 強(qiáng)度相同。4.散射各向異性 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義一個(gè)光子關(guān)于角度 的散射的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)p( )。如果p( )不依賴(lài)于 ，稱(chēng)為各向同性散射；否則，稱(chēng)為各向異性散射。散射的各向異性的度量是由各向異性系數(shù)g給出的， 在極坐標(biāo)系中，g定義為：其中：p( )是經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，d=sindd是空間角元。 當(dāng)g=1時(shí)表示完全前向散射；g=-1時(shí)表示完全后向散射；當(dāng)g=0時(shí) 表示各向

23、同性散射 各向異性系數(shù)g實(shí)際上代表散射角 的余弦的平均值生物組織： 0.7 g 0.99 8 45p( )dp( ) cos( )d44g 經(jīng)驗(yàn)函數(shù)p( )，也稱(chēng)為位相函數(shù)，經(jīng)常被歸一化為：一些已知理論的位相函數(shù)p( ) ：Henyey-Greenstein函數(shù)、 Rayleigh-Gans函數(shù)、 -Eddington函數(shù)和Reynolds函數(shù)。 Henyey-Greenstein函數(shù)和實(shí)驗(yàn)觀察符合得最好，它是由 Henyey和Greenstein給出得：p( )d 1414(1 g2 2g cos)3/ 21 g2p() 吸收1.基本概念（1）吸收：由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或者是吸收材料中分

24、子 的某種振動(dòng)。（2）透明與不透明：一個(gè)完全透明的介質(zhì)允許光通過(guò)而不吸收，即從這個(gè)介 質(zhì)中進(jìn)入的總輻射能量與出射的能量時(shí)相等的。（如：角膜 和晶狀體）使入射輻射幾乎降為零的介質(zhì)稱(chēng)為不透明的。透明和不透明是相對(duì)的，取決于波長(zhǎng) 。（4）呈現(xiàn)一般吸收：如果物質(zhì)對(duì)一定光譜范圍內(nèi)的所有波長(zhǎng)的強(qiáng)度衰減程度相 似，這個(gè)物質(zhì)就被稱(chēng)為呈現(xiàn)一般吸收。 可見(jiàn)光下，這種物質(zhì)在眼睛中呈現(xiàn)為灰色。（5）選擇性吸收：是對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收比對(duì)其它波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)。 顏色的存在實(shí)際上產(chǎn)生于選擇吸收。 通常，體色和表面顏色是有區(qū)別的。2. 吸收截面與吸收系數(shù)（1） 吸收截面收功率；Io 入射光波的強(qiáng)度其中：Pab吸s同散射近似：吸收截

25、面與入射光和吸收體的相對(duì)位置無(wú)關(guān)（2） 吸收系數(shù)包含同種吸收體且均勻分布的介質(zhì)用吸收系數(shù)來(lái)表征：a a其中： 吸收體密度3. Beer-Lambert定律和吸收長(zhǎng)度（1）Beer-Lambert定律描述厚度和濃度在吸收上的效應(yīng)用Lambert定律和Beer定 律，表示為：o PabsaI0其中： z 表示光軸；I(z) 是在距離z處的強(qiáng)度；0a 是介質(zhì)的吸收系數(shù)；c 是吸收劑的濃度(摩爾濃度)；k 摩爾消光系數(shù)，是入射光強(qiáng)；兩個(gè)定律描述吸收的同一特性，稱(chēng)為L(zhǎng)ambert-Beer定律。（2） 吸收長(zhǎng)度吸收系數(shù)的倒數(shù)稱(chēng)為吸收長(zhǎng)度（吸收平均自由路程）：即在距 離z處的強(qiáng)度I(z)降到入射強(qiáng)度的1/

26、e，表示一個(gè)光子未吸收前所 走的平均路程。Iz I eazIz I e kczal a10I圖11水、生物組織（動(dòng)脈、皮膚）、 組織成分（血液、黑色素體、上皮）的吸收譜混濁介質(zhì) 在前面討論吸收和散射時(shí)，假定散射或者吸收其中之一存在，而在大多數(shù)生物組織中，吸收和散射同時(shí)存在，這些 介質(zhì)被成為混濁介質(zhì)。 總衰減系數(shù)： 入射光子的平均自由光程 ： 光漫反照率a(optical albeo): a s 注：a=0時(shí)，衰減完全由吸收所致；a=1時(shí)，只有散射存在；a=1/2時(shí)，吸 收和散射系數(shù)相等?？傊?，組織吸收和散射都會(huì)以不同的比例存在。 光學(xué)深度d(optical depth)：t a ssatLt

27、11ta ssd 0 t dss組織的折射率介質(zhì)的折射率決定了光在介質(zhì)中的傳輸速率,折射率的變化,無(wú)論連續(xù)或 者突變(例如,邊界)會(huì)造成散射、折射和反射。絕大多數(shù)組織中含有相當(dāng)大量的水分，它的折射率為1.33，是液體和軟 組織成分所具有折射率的最小值。其他的軟組織成分中： 黑色素顆粒的折射率最大,為1.6，黑色素廣泛地存在于皮膚的表皮層 所有的組織包括部分腦組織、大動(dòng)脈、肺、胃、腎和膀胱，它們的折射 率在1.36和1.4之間 細(xì)胞外液和細(xì)胞質(zhì)的折射率為1.351.38 脂肪組織的折射率為1.45左右 細(xì)胞和亞細(xì)胞器膜主要組分是脂類(lèi),細(xì)胞質(zhì)和這些脂類(lèi)結(jié)構(gòu)折射率的不匹配 正是許多細(xì)胞組織散射的根本

28、原因?qū)τ谟步M織,牙齒琺瑯的折射率在可見(jiàn)光范圍內(nèi)測(cè)量值為1.62 而人體中各種骨頭所對(duì)應(yīng)的具體折射率的值很少見(jiàn)到報(bào)道。組織的散射特性在折射率有空間變化的地方,就會(huì)發(fā)生散射。折射率的空間變化既有連續(xù) 的，也有突變的（如散射粒子的局部分布）。在細(xì)胞組織中, 亞細(xì)胞器官 是很重要的散射體，它們的大小尺寸為100nm到6微米，涵蓋了治療窗 口（6001000nm）。線(xiàn)粒體大小一般在0.52微米之間。線(xiàn)粒體除了被包圍在脂質(zhì)膜以?xún)?nèi)， 內(nèi)部還含有脂質(zhì)的褶皺，這種結(jié)構(gòu)使得這些細(xì)胞器官與周?chē)?xì)胞質(zhì)能產(chǎn) 生高的光學(xué)對(duì)比度，并產(chǎn)生強(qiáng)散射效應(yīng)。最大的細(xì)胞器官是細(xì)胞核,其大小在46微米的范圍內(nèi)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基 體是次大的

29、細(xì)胞器官，另外還有容酶體等對(duì)不同的組織，細(xì)胞的形狀和大小也不同，一般為幾個(gè)微米或更大，單 個(gè)細(xì)胞是一個(gè)強(qiáng)散射體，但是在組織中，散射主要是由亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)引起 的。在皮膚中，黑色素組織散射很強(qiáng)，其大小在100nm到2微米之間，這 些組分包含黑色素顆粒，這些顆粒象珠子一樣串在一起。在血液中，紅血球是強(qiáng)散射體結(jié)締組織，由細(xì)胞和細(xì)胞外蛋白質(zhì)如彈性蛋白和膠原等組成，用于提供 支持和機(jī)械保護(hù)，這些組織的散射特性，在微觀上是由于組成的不均 勻，在宏觀上是由于它們所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的變化。從微觀上看，其特征大 小在亞波長(zhǎng)量級(jí)，散射屬于瑞利散射；比如，膠原原纖維呈可以產(chǎn)生瑞 利散射的帶狀結(jié)構(gòu)，其周期為70nm，比治療窗的

30、波長(zhǎng)小10倍。組織的吸收特性 組織的吸收是各個(gè)分子成分共同作用的結(jié)果。當(dāng)光子的能量 與分子的能級(jí)間隔匹配時(shí),分子吸收光子。在短波長(zhǎng)區(qū)(光子 能量大),這些躍遷是電子躍遷。紫外區(qū)的重要吸收體包括 DNA,芳香族氨基酸(色氨酸、酪氨酸),蛋白質(zhì),黑色素和卟啉（包括血紅蛋白、肌紅蛋白維生素B12以及細(xì)胞色素c)。 治療窗口：光穿透組織的能力取決與組織吸收光的強(qiáng)弱，在治療窗 口(或診斷窗口)的光譜范圍內(nèi),大部分組織是弱的吸收體, 能讓大部分光穿過(guò)。這個(gè)窗口從600nm到1300nm,從可見(jiàn)光的橙色段到近紅 外。在短波長(zhǎng)段, 以血紅蛋白的吸收為主(包括氧和血紅蛋 白和去氧血紅蛋白兩種)，在600nm附近

31、，當(dāng)波長(zhǎng)減小時(shí), 氧化血紅蛋白的吸收提高了大約兩倍；波長(zhǎng)更短時(shí),更多 其它的生物分子的吸收增強(qiáng),包括DNA和色氨酸和酪氨酸 等氨基酸。在治療窗口的紅外端,水的吸收限制了光的穿 透深度。在治療窗口中，散射超過(guò)吸收,因此導(dǎo)致傳輸光 漫射。光與組織的相互作用光與強(qiáng)散射組織體的相互作用光熱作用激光與組織相互作用機(jī)理折射率以及光與組織相互作用的控制熒光光與強(qiáng)散射組織體的相互作用1.連續(xù)波：反射、折射、散射、吸收發(fā)光等2 偏振光分為：線(xiàn)偏振光、橢圓偏振光、園偏振光、任意偏振光。光在組織中傳播一般情況下忽略組織的偏振效應(yīng)。但在某些 組織中（如透明組織、眼組織、單層細(xì)胞、黏液膜、皮膚表 層等），可以通過(guò)測(cè)量偏

32、振光經(jīng)組織后偏振度的改變以及偏 振態(tài)的變化，來(lái)獲得組織和細(xì)胞的結(jié)構(gòu)信息。利用較好保留偏振態(tài)的前向散射光子，進(jìn)行光學(xué)層析成像來(lái) 獲取組織的光學(xué)參數(shù)以及光譜參量。偏振成像有助于解釋皮膚表面下的紋理變化，并避免了組織 表面的鏡面反射，可以利用這種技術(shù)對(duì)皮膚的微血管成像。3超短光脈沖Least scatteredscatteredConfocal MicroscopyOptical Coherence TomographyIncident lightTissueObjectScattered lightImage-bearing ballistic light圖12 超短脈沖在組織中的散射表 1展寬的

33、光 脈沖種類(lèi)散射與入射光 的偏離診斷備注彈道光子未經(jīng)散射 少量散射不偏離難以利用蛇行光子經(jīng)少量的 幾次碰撞偏差很小攜帶組織 結(jié)構(gòu)信息漫 射 光 子 中 最 早 到 達(dá)的光子漫射光子大量散射各個(gè)方向攜帶組織 光學(xué)特性 信息測(cè)量方法： 透射光子和背向散射光子4擴(kuò)散光子密度波 當(dāng)用強(qiáng)度（按正弦）調(diào)制的光照射組織時(shí)，可以測(cè)量散射光強(qiáng) 度的調(diào)制深度以及散射光相對(duì)于入射光的相移，并且用于組織 光譜以及層析成像。 與用超短光脈沖作為光源相比，這種調(diào)制方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、 可靠以及受噪聲影響小。這是因?yàn)檫@種調(diào)制方法測(cè)量的峰值功 率低，上升時(shí)間短，需要的帶寬窄，可以利用外差測(cè)量技 術(shù)。光熱作用1.組織的溫度升高以

34、及損傷：組織吸收光子后會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致組織的溫度升高，溫度隨時(shí)間的變化與組織 的密度、熱傳導(dǎo)率、熱源（吸收）、組織的灌注率、動(dòng)脈溫度、靜脈溫度等因 素有關(guān)。在許多實(shí)際的光（激光）與組織相互作用場(chǎng)合，可以忽略對(duì)流、輻 射、汽化以及代謝產(chǎn)生熱的影響。生物熱方程組織暴露在高溫下一定時(shí)間會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷，當(dāng)光用于診斷目的時(shí)，必須保證組織 的溫度低于損傷溫度，也就是臨界溫度。當(dāng)用CW光源時(shí)，由于輻照區(qū)域和周?chē)M織的溫差增大，導(dǎo)致由輻照區(qū)相周?chē)M 織的熱量傳導(dǎo)。隨著光能量的不同，可能導(dǎo)致大塊的組織損傷或熱量的損失。 而如果用脈沖光源，熱量的損傷是很少的，因?yàn)楣獾奈者^(guò)程很快，而熱傳導(dǎo) 很慢，因此，脈沖激光照射提

35、供了一種更精確的組織損傷。當(dāng)組織的溫度超過(guò)臨界溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致以下幾種不可逆的組織損傷：凝結(jié)（細(xì)胞和組織蛋白的解性）組織粘結(jié)汽化（組織脫水和形成氣泡， T 1000C）組織的機(jī)械破壞高溫分解（T 3504500C）汽化、高溫分解導(dǎo)致組織的蝕除激光手術(shù)切除用CW光進(jìn)行熱蝕除的缺點(diǎn)是對(duì)周?chē)M織的損傷，而脈沖光由于作用時(shí)間短，因 此對(duì)周?chē)M織的熱損傷小。另外，為了獲得精確的組織切除，一般采用穿透深 度很小的激光，如準(zhǔn)分子ArF激光。2. 光熱和光聲效應(yīng) 光熱效應(yīng)：組織與脈沖或強(qiáng)度調(diào)制光輻射的相互作用，導(dǎo)致組 織中熱量的產(chǎn)生及其隨時(shí)間的變化。這種作用也導(dǎo)致了許多熱 彈性效應(yīng)，如聲波，對(duì)聲波的檢測(cè)是光聲技

36、術(shù)的基礎(chǔ)，可以測(cè) 量由于組織結(jié)構(gòu)所引起的熱、光以及聲學(xué)特性。 組織熱效應(yīng)的激發(fā)模式： 脈沖光激發(fā)樣品時(shí)域檢測(cè)； 強(qiáng)度調(diào)制光低頻換能器； 幾種光熱效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)：光聲、光熱輻射測(cè)量、光折射測(cè)量 技術(shù)。激光和組織的相互作用機(jī)理激光作用于生物組織時(shí)，由于特殊的組織特性以及多變的激光參數(shù)， 導(dǎo)致相互作用機(jī)理的變化是多種多樣的。在生物組織的特性中，最重 要的是：反射、吸收以及散射系數(shù)；另外，波長(zhǎng)、曝光時(shí)間、應(yīng)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參 數(shù)。在這些參數(shù)中，當(dāng)要選擇某種確定的相互作用類(lèi)型時(shí)，曝光時(shí)間 是一個(gè)決定性的參數(shù)。與激光醫(yī)學(xué)相關(guān)的總的能量密度范圍為從大約1J/cm2

37、到1000J/cm2。造 成相互作用機(jī)理多樣性的主要原因是曝光時(shí)間的不同。雖然以上這些參數(shù)的不同組合變化由可能導(dǎo)致不同的相互作用，但一 般情況下，激光和生物組織的相互作用主要分為以下5類(lèi)：光化學(xué)相互作用photochemical interactions，連續(xù)波或曝光時(shí)間大于1s 熱相互作用thermal interaction，曝光時(shí)間從1min降到1us 光蝕除photoablation，曝光時(shí)間1us-1ns 等離子體誘導(dǎo)蝕除plasma-induced ablation，1ns光致破裂photodisruption，1ns 后兩者的不同歸因于不同的能量密度。激光和組織的相互作用機(jī)理光化

38、學(xué)相互作用在大分子或生物組織內(nèi)光可以引起化學(xué)作用和化學(xué)反應(yīng)。在低功率密度（典型 的為1W/cm2)和長(zhǎng)曝光時(shí)間的時(shí)間范圍在秒和連續(xù)波之間，光化學(xué)相互作用就 會(huì)發(fā)生。 PDT：將合適的生色團(tuán)注射進(jìn)身體內(nèi)，單色光輻照有可能引起選擇性的光化學(xué)反 應(yīng)，結(jié)果就形成某種生物轉(zhuǎn)換作用，引起光誘導(dǎo)反應(yīng)，這種物質(zhì)被稱(chēng)為光致敏劑如 卟啉、ALA 等。 生物刺激：在極低的激發(fā)光功率下，已經(jīng)觀察到許多生物刺激效應(yīng)：頭發(fā)的生長(zhǎng)、 創(chuàng)傷的愈合、刺激膠原蛋白合成、抑制膠原蛋白合成、促進(jìn)生長(zhǎng)、抑制生長(zhǎng)、血管 形成、減輕疼痛等。光化學(xué)相互作用： 主要思想：用光致敏物質(zhì)充當(dāng)催化劑（僅在光動(dòng)力療法中）或低能激光輻照 觀察：沒(méi)有宏觀

39、性觀察 典型的激光：紅色染料激光、二極管激光 典型脈沖持續(xù)時(shí)間：1s連續(xù) 典型功率密度：0.01-50W/cm2 特殊應(yīng)用：光動(dòng)力療法，生物刺激激光和組織的相互作用機(jī)理熱相互作用 熱相互作用代表一大類(lèi)相互作用類(lèi)型，其中局部溫度的升 高是最重要的參數(shù)變化，熱效應(yīng)可以由連續(xù)波或脈沖激光 輻射產(chǎn)生。依靠組織所達(dá)到的溫度的持續(xù)時(shí)間和峰值 熱效應(yīng)可區(qū)分為：凝結(jié)（coagulation）、汽化（vaporization）、炭化(carbonization)和熔融(melting)等。 熱相互作用： 主要思想：達(dá)到某特定溫度，使其導(dǎo)致預(yù)期的熱效應(yīng) 觀察：凝結(jié)、汽化、碳化或熔融 典型的激光：CO2,Nd:YA

40、G,Er:YAG,Ho:YAG, 氬離子激光，二極管 激光 典型脈沖持續(xù)時(shí)間：1us1min 典型功率密度：10-106 W/cm2 特殊應(yīng)用：凝結(jié)，汽化，熔融，熱分解，治療視網(wǎng)膜脫落，激光誘 導(dǎo)間質(zhì)熱療法激光和組織的相互作用機(jī)理光蝕除作用光蝕除是一種非常干凈和精確地組織切除方法，它不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)或汽化等任何 一種熱損傷。光蝕除作用是蝕除的光分解，即當(dāng)某種材料在高強(qiáng)度的激光輻照曝光下，就會(huì) 產(chǎn)生分解。在激光脈寬為納秒級(jí)范圍內(nèi)，這種作用的典型閾值為107 - 108w/cm2。光蝕除作用的原理： 吸收高能量的紫外光子提高到互相排斥的激發(fā)太離解碎塊排除（無(wú)壞死） 蝕除光蝕除過(guò)程并不僅限于紫外光，也可

41、以用其它激光產(chǎn)生的高次諧波分量來(lái)達(dá)到 光蝕除效應(yīng)光蝕除作用： 主要思想：用高能量的紫外光子直接打破分子的價(jià)鍵。 觀察：非常整潔的蝕除，并伴有可聽(tīng)到的爆炸聲以及可見(jiàn)熒光 典型的激光：準(zhǔn)分子激光器，即ArF，KrF, XeCl, XeF 典型脈沖持續(xù)時(shí)間：10ns100ns 典型功率密度：107 -1010 W/cm2 特殊應(yīng)用：屈光性角膜手術(shù)激光和組織的相互作用機(jī)理等離子體誘導(dǎo)蝕除 當(dāng)固體和液體得到超過(guò)1011W/cm2的功率密度，和氣體中得 到1014W/cm2的功率密度時(shí)，就會(huì)發(fā)生所謂的光致?lián)舸┈F(xiàn) 象，產(chǎn)生等離子體。用誘導(dǎo)等離子蝕除法，當(dāng)選擇合適的 激光參數(shù)時(shí)，就可以得到光滑且輪廓清晰的組織

42、去除，而 沒(méi)有任何熱損傷和機(jī)械損傷的跡象。 等離子體誘導(dǎo)蝕除： 主要思想：通過(guò)等離子體電離形成蝕除 觀察：很清晰的蝕除，同時(shí)帶有可聽(tīng)到的爆炸聲以及帶藍(lán)色的等離 子體火花 典型的激光：Nd:YAG, Nd: YLF, Ti: Sapphire 典型脈沖持續(xù)時(shí)間：100fs500ps 典型功率密度：1011 -1013 W/cm2 特殊應(yīng)用：屈光性角膜手術(shù)/禹齒治療激光和組織的相互作用機(jī)理光致破裂與光致?lián)舸┯嘘P(guān)的物理效應(yīng)有等離子體的形成以及沖擊波的產(chǎn)生。如 果擊穿發(fā)生在軟組織或流體中，會(huì)附加產(chǎn)生空化（氣泡的形成）和射 流（高速液體沖擊）。光致破裂被認(rèn)為是由光致?lián)舸┮鸬亩喾N的機(jī)械作用。其基本的機(jī)理

43、 是沖擊波的產(chǎn)生以及空化的形成。等離子體誘導(dǎo)蝕除和光致破裂都要依靠等離子體的產(chǎn)生，光致破裂被 認(rèn)為是由光致?lián)舸┮鸬臋C(jī)械作用。其基本的機(jī)理是沖擊波的產(chǎn)生以 及空化的形成。光致破例： 主要思想：通過(guò)機(jī)械作用分裂和切割組織 觀察：等離子體火花、產(chǎn)生沖擊波、空化的產(chǎn)生、射流的形成 典型的激光：固體激光，如Nd:YAG, Nd: YLF, Ti: Sapphire 典型脈沖持續(xù)時(shí)間：100fs100ps 典型功率密度：1011 -1016 W/cm2 特殊應(yīng)用：晶狀體的打碎，碎石術(shù)折射率以及光與組織相互作用的控制折射率的連續(xù)變化或者突變(例如,邊界)會(huì)造成散射、折射和 反射。對(duì)于同一種組織，離體和在體

44、測(cè)量的折射率一般差別也很大由于組織是由許多不同成分構(gòu)成的，因此需要知道各種組分的的折射率(例 如,計(jì)算散射),或者把組織看成一個(gè)整體時(shí)的平均折射率(例如,計(jì)算彈道光子 穿過(guò)組織所用的時(shí)間)，組織的有效折射率經(jīng)常被近似地當(dāng)作這種組織各成 分折射率的體積加權(quán)平均。在組織中注入某種化學(xué)試劑，有助于實(shí)現(xiàn)散射體和周?chē)橘|(zhì)的折射率匹 配，從而顯著減小散射效應(yīng)，提高光的穿透深度。應(yīng)用：眼睛的鞏膜、正 常和病變的皮膚及其組分（上皮、真皮）熒光熒光現(xiàn)象：光的吸收以及分子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的電子躍遷。對(duì)于薄的樣品，比如細(xì)胞單 層或活檢樣品（直徑為幾個(gè)微米），熒光強(qiáng)度正比于吸收分子（熒光團(tuán)）的濃度和熒光 的量子產(chǎn)額。在

45、散射介質(zhì)中，散射和非散射光子在樣品的光程不同，應(yīng)該加以區(qū)分，但 是對(duì)于均勻的薄樣品，熒光強(qiáng)度和濃度以及量子產(chǎn)額的線(xiàn)性仍然滿(mǎn)足。自體熒光： 核酸：熒光壽命ps量級(jí) 蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)的自體熒光來(lái)自色氨酸、賴(lài)氨酸以及苯基丙氨酸，其最大吸收峰分 別在280nm、275nm和257nm，最大發(fā)射峰在280nm(苯基丙氨酸)和350nm（色氨 酸），一般情況下，蛋白質(zhì)的自體熒光來(lái)主要自色氨酸 膠原和彈性蛋白：激發(fā)波長(zhǎng)一般在300到400nm,熒光發(fā)射譜比較寬，從400到600nm,發(fā) 射峰值在400nm、430nm和460nm。膠原和彈性蛋白的自體熒光可以用來(lái)區(qū)分不同種 類(lèi)的組織，如上皮組織和結(jié)締組織。 N

46、ADH輔酶的還原形式的激發(fā)波長(zhǎng)330370nm, 自體熒光的測(cè)量可用于對(duì)組織缺血和 癌變組織的監(jiān)測(cè)，自由狀態(tài)和結(jié)合蛋白質(zhì)的NADH對(duì)氧的濃度敏感 細(xì)胞內(nèi)源熒光團(tuán)：FMN， FAD，其激發(fā)最大波長(zhǎng)在380和450nm 卟啉分子，如原卟啉、糞卟啉、尿卟啉或血卟啉，在血色素、肌血球素以及細(xì)胞色 素的合成中產(chǎn)生，卟啉癥和某些容血類(lèi)疾病導(dǎo)致亞鐵血紅素合成的異常，從而顯著 增加組織中卟啉的水平。齲齒損傷中的細(xì)菌會(huì)積累大量的原卟啉，因此基于自體熒 光的檢測(cè)提供了一種有效的診斷方法外源熒光： 熒光染料：在人體中，熒光素和吲哚花青綠染料已經(jīng)被用于熒光血管造影術(shù)和血液量 的測(cè)量 量子點(diǎn) 納米小球熒光光譜可以給出關(guān)

47、于熒光分子、分子構(gòu)造、分子結(jié)合以及域細(xì)胞和組織相互 作用的信息，根據(jù)是對(duì)發(fā)射還是激發(fā)譜掃描的不同，可分為熒光發(fā)射光譜技術(shù) 和熒光吸收光譜技術(shù)，每一種熒光團(tuán)都對(duì)應(yīng)特定的發(fā)射譜，因此熒光光譜的測(cè) 量可用于熒光診斷技術(shù)中。熒光光譜儀：光源波長(zhǎng)的選擇光的傳導(dǎo)熒光的探測(cè)等技術(shù)：熒光光譜、偏振各向異性、時(shí)域法、頻域法、FRET、激光掃描共焦顯微 等多光子激發(fā)熒光： 雙光子激發(fā)熒光的優(yōu)點(diǎn)：深度、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)樣品的損傷小、激發(fā)發(fā)射光容易分 離 雙光子激發(fā)熒光顯微所用的光源：波長(zhǎng)范圍700960nm，脈沖寬度150fs，重復(fù)頻率7680MHz，平均功率 100 m，System bulky ，and expe

48、nsive光學(xué)層析成像（Optical coherence tomography ,OCT）技術(shù)提供了一種非侵 入的生物組織檢測(cè)方法，以安全、及時(shí)、 快捷、有效地發(fā)現(xiàn)、鑒別病變組織。 Resolution 10 mSystem small，adaptable to endoscope醫(yī)學(xué)成像技術(shù)背景Possible solution對(duì)生物組織的成像必須利用彈道光子和最小散射光子光在組織體中的散射導(dǎo)致空間信息的丟失散射介質(zhì)中的成像技術(shù)飛行時(shí)間法(只選擇彈道光子或最少散射光子成 像）OCT和共焦顯微技術(shù)（利用相干或空間門(mén)選擇最 少散射光子成像）擴(kuò)散光子 密度波Coherence gatingOCT

49、成像類(lèi)似于超聲成像，通過(guò)光束橫向掃描組織，采用超外差探測(cè)技術(shù)，測(cè)量背向散射或背向反 射回波的相位延遲和光強(qiáng)，對(duì)組織進(jìn)行橫斷面成像。由于背向散射回波的時(shí)間延遲不能被光電探測(cè) 器件直接測(cè)量，所以O(shè)CT系統(tǒng)建立在低相干測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上。OCT的工作原理探測(cè)器圖14OCT的工作原理低相干光源分束鏡參考鏡樣品圖15 相干光和低相干光干涉光強(qiáng)圖低相干測(cè)量技術(shù)的原理如圖14所示。低相干干涉儀采用寬帶光源，進(jìn) 入低相干干涉儀的光被分束器分為參考光束和測(cè)量光束，參考光束經(jīng) 參考鏡面反射，而測(cè)量光束從待測(cè)組織或材料背向反射。參考光束經(jīng) 過(guò)給定光程后與背向回波疊加，從而形成干涉圖像。由相干理論可 知，當(dāng)入射光束具有

50、很長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度時(shí)（窄帶光源），在相當(dāng)大的光 程差范圍內(nèi)，干涉儀輸出正弦干涉條紋，這樣干涉條紋的對(duì)比度與兩 束光光程差變化無(wú)關(guān)，因此無(wú)法找到等光程點(diǎn)，從而不能精確地對(duì)測(cè) 量光束定位。當(dāng)采用寬帶光源時(shí)，兩光程差只有在很短的相干長(zhǎng)度內(nèi) 才能產(chǎn)生干涉條紋對(duì)比度的變化包絡(luò)，而且，對(duì)比度最大的地方對(duì) 應(yīng)等光程點(diǎn)，隨光程差變化對(duì)比度銳減，因此具有很好的層析定位精 度，實(shí)現(xiàn)很高的成像分辨率（圖15）。故層析分辨率（縱向分辨率） 僅由光源的相干長(zhǎng)度決定，而橫向分辨率由聚焦光斑大小決定。當(dāng)光 源的平均波長(zhǎng)，光譜寬度為時(shí)，其縱向分辨率為：2 2 ln 2 lc光纖式OCT系統(tǒng)光纖式OCT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)： 緊湊性和可移植

51、性；成本低；便攜。低相干光源可使用超輻射二極管（Superluminescent Diode, SLD）或固體超快激光器。干 涉儀的樣品臂集成一個(gè)可聚焦掃描測(cè)量光束并收集背向回波的探針系統(tǒng)，而其參考臂為 可以縱向掃描的參考鏡。當(dāng)只有在參考臂和測(cè)量臂或樣品臂的光程長(zhǎng)度相匹配, 在光的 相干長(zhǎng)度內(nèi)才可觀察到干涉。通過(guò)檢測(cè)和解調(diào)干涉圖像，OCT可得到組織結(jié)構(gòu)背向散射 光的光強(qiáng)和延遲時(shí)間。因此，低相干測(cè)量技術(shù)具有飛秒級(jí)的時(shí)間分辨率和微米級(jí)的測(cè)量 距離。當(dāng)改變參考鏡縱向相對(duì)位置時(shí)，所得的干涉信號(hào)即對(duì)應(yīng)出樣品組織不同縱向位置的信 息，所以，參考鏡進(jìn)行軸向掃描（類(lèi)似于超聲測(cè)量中的A-Scan）時(shí)就相當(dāng)于對(duì)樣

52、品軸向 掃描。如果同時(shí)橫向掃描（B-Scan）入射光束，就可以得到二維橫斷面圖像。這些圖像 經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波圖像處理后可得到二維的灰度或偽彩色圖像。OCT的應(yīng)用光學(xué)活檢生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用領(lǐng)域OCT被首先應(yīng)用于眼科學(xué)，這是OCT最成功最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。OCT能夠準(zhǔn)確 地診斷和監(jiān)視后室的病理學(xué)變化，包括：黃斑裂孔、黃斑水腫、黃斑變性(中 年以上者視力減退的一個(gè)主要原因)、視神經(jīng)疾病、早期青光眼。OCT可以在 體對(duì)視網(wǎng)膜成像，這是其它技術(shù)所不能的，并且OCT可以容易地區(qū)分視網(wǎng)膜分 離和視網(wǎng)膜分裂。OCT可對(duì)前室實(shí)時(shí)觀測(cè)以對(duì)青光眼做出評(píng)估，監(jiān)測(cè)白內(nèi)障， 也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)角膜的屈光度校正手術(shù)。另外，OCT可以定

53、量測(cè)量視網(wǎng)膜腫 脹，從而診斷糖尿病病情。癌癥是威脅人類(lèi)健康的主要疾病，OCT技術(shù)另一重要應(yīng)用是探測(cè)軟組織的早期 癌變，這可廣泛應(yīng)用于多種癌癥檢測(cè)。通常，上皮組織癌變具有廣泛的代表 性，而上皮細(xì)胞在皮膚、腸胃、泌尿系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)均有分布。 盡管OCT探測(cè)深度有限，但通過(guò)光纖OCT技術(shù)和內(nèi)窺鏡的結(jié)合使用，OCT可以 通過(guò)檢查上皮細(xì)胞層來(lái)監(jiān)測(cè)早期癌變和確診癌癥。然而，為了準(zhǔn)確完全地診斷 癌癥，對(duì)組織的深層探測(cè)是有必要的，有研究表明通過(guò)光清除技術(shù)降低光在組 織中的散射、提高探測(cè)深度是可能的。OCT技術(shù)也可監(jiān)測(cè)癌癥切除手術(shù)，通過(guò) 實(shí)時(shí)成像保證癌變組織被完全切除。OCT結(jié)合顯微鏡、手持探針、內(nèi)

54、窺鏡、醫(yī)用導(dǎo)管、腹腔鏡等在其他臨床應(yīng)用還 有：皮膚病、心血管、腸胃、呼吸道、神經(jīng)、關(guān)節(jié)炎、牙齒和腦成像以及發(fā)育 學(xué)研究等方面。OCT成像技術(shù)在癌癥診斷中的應(yīng)用背景： 癌癥是嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康和生命的一類(lèi)疾病。據(jù)國(guó)際癌癥研究中心（The International Agency for Research on Cancer, IARC）Parkin等人統(tǒng)計(jì)，1990年全球癌癥新發(fā)病例數(shù)男性為429.35萬(wàn)，女性為 378.98萬(wàn)；而1996年的統(tǒng)計(jì)表明，全世界每年癌癥新病例有1000萬(wàn)，死亡約700萬(wàn)，在3554歲年齡組 癌癥是第一位人口死亡原因，在5574歲組亦僅次于心血管病而居第二位；到了20

55、00年，全世界每年 癌癥新病例已經(jīng)超過(guò)了1000萬(wàn)。據(jù)估計(jì)，到2020年全球癌癥的發(fā)病數(shù)及死亡數(shù)將分別達(dá)到2000萬(wàn)及 1200萬(wàn)，且絕大多數(shù)發(fā)生在發(fā)展中國(guó)家。 在美國(guó)每年的新增癌癥患者是一百萬(wàn)，23的死亡率是由癌癥引起，僅次于心臟病。 癌癥的早期診斷可有效提高病人的預(yù)后存活率 由于傳統(tǒng)活組織檢查以及成像技術(shù)的限制，對(duì)癌癥不容易定量診斷檢測(cè)癌癥診斷的標(biāo)準(zhǔn)是活組織切片檢查發(fā)生腫瘤的表現(xiàn)： 上皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，基底膜損壞 增生 細(xì)胞的多態(tài)性 (變化或變異的程度） 核與細(xì)胞質(zhì)比率(N/C)高目前臨床上常用的成像手段如MRI，CT超聲等無(wú)法區(qū)分這些變化OCT提供了一種高靈敏度、高空間分辨的光學(xué)活檢手

56、段，并且具有便攜、價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大、便 于與其它成像手段結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。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其它的相干成像技術(shù)光學(xué)相干顯微成像：光學(xué)相干顯微成像（Optical Coherence Microscopy, OCM）是在OCT結(jié)合共焦光學(xué)顯 微成像的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于OCM結(jié)合了相干門(mén)、 外差探測(cè)和高橫向分辨率共焦顯微技術(shù)，相干門(mén)和共焦 技術(shù)的結(jié)合可以消除雜散光對(duì)圖像的影響、增強(qiáng)對(duì)比 度，因此，OCM具有OCT高

58、靈敏度和穿透深度以及非侵 入式在體成像的特點(diǎn)，又具有共焦顯微成像大數(shù)值孔徑 和亞細(xì)胞分辨率的特點(diǎn)。目前，OCM技術(shù)的探測(cè)深度可 以達(dá)到12mm，空間分辨率可達(dá)46m。超高分辨OCT：UltraHigh resolution OCT功能OCT(Functional OCT)通常生物組織在產(chǎn)生病變?cè)缙谏踔廉a(chǎn)生病變之前其功能參數(shù)就開(kāi)始發(fā) 生變化，因此，功能參數(shù)對(duì)疾病早期診斷是非常有用的。這些功 能參數(shù)通常包含血流速度、組織含水量、含氧壓、組織結(jié)構(gòu)變 化、雙折射性質(zhì)等，功能型OCT通過(guò)探測(cè)這些變化進(jìn)行功能成像 提供更多信息。近年來(lái)得到快速發(fā)展的功能型的OCT技術(shù)包括:多 普勒OCT、偏振敏感OCT和分

59、光光譜型OCT。分光光譜型OCT:分光光譜型OCT（SOCT）采用并行外差探測(cè)技術(shù)來(lái)測(cè)量混濁介質(zhì)， 信號(hào)光和參考光經(jīng)分束鏡被同時(shí)分為兩束進(jìn)行相干，一束如傳統(tǒng) 光譜OCT一樣被單個(gè)探測(cè)器探測(cè)，另一束經(jīng)衍射光柵分光后被一 線(xiàn)陣探測(cè)器件接收，兩者探測(cè)信號(hào)一起被送給并行信號(hào)處理器， 這樣就在不同波長(zhǎng)同時(shí)得到多個(gè)OCT圖像。傳統(tǒng)OCT通過(guò)測(cè)量背 向反射或散射回波的解調(diào)干涉信號(hào)的包絡(luò)成像，包絡(luò)僅含有回波 的強(qiáng)度信息。SOCT不僅分析回波的強(qiáng)度信息而且分析光譜信息， 因此，SOCT可以通過(guò)光譜性質(zhì)區(qū)分不同組織從而提高成像的對(duì)比 度，又可以確定其各個(gè)深度組織的吸收光譜。多普勒OCT(Doppler OCT)多普勒OCT是激光多普勒流速計(jì)與OCT技術(shù)的結(jié)合，可以同時(shí)獲得生物組織 內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及流體的流速分布圖，如確定皮膚表層的血流速度，亞 表層中微血管直徑，血流速度分布等。其原理是，光照明樣品時(shí)，運(yùn)動(dòng) 粒子（如血流）散射的光頻率產(chǎn)生多普勒頻移，從而在被測(cè)干涉信號(hào)中 存在多普勒頻移，通過(guò)測(cè)量多普勒頻移可得到空間各點(diǎn)的流速，測(cè)量干 涉條紋的振幅和頻率可得到結(jié)構(gòu)圖像。偏振敏感型OCT偏振敏感型OCT是提取具有光偏振特性樣品的背向散