生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

BiomedicalPhotonics生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

BiomedicalPhotonics11緒論1緒論2生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(biomedicalphotonics)生物光子學(xué)(biologicalphotonics）醫(yī)學(xué)光子學(xué)(medicalphotonics)組織光

(tissueoptics)Chapter1緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)？生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(biomedicalphotonics)3Chapter1緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

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生物醫(yī)學(xué)光學(xué)？波粒二象性波動理論量子力學(xué)Chapter1緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)

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生物醫(yī)學(xué)4Chapter1緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的定義Chapter1緒論生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的定義5Chapter1緒論為什么學(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:早期診斷無創(chuàng)傷日常監(jiān)控Chapter1緒論為什么學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)?現(xiàn)在和未來6Chapter1緒論CT當(dāng)前的成像技術(shù)Chapter1緒論CT當(dāng)前的成像技術(shù)7Chapter1緒論無創(chuàng)傷檢測Chapter1緒論無創(chuàng)傷檢測8Chapter1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Chapter1緒論Hitachi,2004，無創(chuàng)血糖9Chapter1緒論激光誘導(dǎo)熒光檢測器（LaserInducedFluorescenceDetector，LIF）Chapter1緒論激光誘導(dǎo)熒光檢測器（LaserIn10Chapter1緒論Chapter1緒論11Chapter1緒論信息載體檢測光源模型結(jié)果Chapter1緒論信息載體檢測光源模型結(jié)果12Chapter1緒論綱要第一章緒論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)方法第六章生物醫(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Chapter1緒論綱要第一章緒論13§2

光與生物組織體的相互作用§2光與生物組織體的相互作用14§2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

2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2.3組織體對光的散射效應(yīng)2.4組織體發(fā)光2.5光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng)

2.6光化學(xué)效應(yīng)§2光與生物組織體的相互作用2.1光與生物組織體相15§2.1

光與生物組織體相互作用的基本形式圖2.1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§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式圖2.1光與組織16§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式吸收—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?；拘问椒瓷?、折射和散射—組織體的宏觀或微觀的不均勻性導(dǎo)致

光傳播方向的改變偏振態(tài)及偏振效應(yīng)光聲效應(yīng)光致發(fā)熱光致發(fā)光光化學(xué)效應(yīng)

§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式吸收—光強隨著光在17§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式宏觀現(xiàn)象是通過微觀的物理變化產(chǎn)生的！§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式宏觀現(xiàn)象是通過18§2.1

光與生物組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——

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和組織相互作用過19§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式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——吸收過程、吸收光譜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周圍發(fā)出熱而將多余的能量消耗掉——光熱、光聲、光電導(dǎo)等現(xiàn)象電子從最低激發(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——熒光產(chǎn)生、熒光光譜分子從受激虛態(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光——Raman散射、Raman光譜§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式光輻射入射到組織體20§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式研究光散射、反射和折射

——經(jīng)典麥克斯韋爾電磁理論研究光吸收、發(fā)光及接收

——量子理論描述（組織光學(xué)）———光學(xué)特性參數(shù)：

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研究光散射、反射和21§2.1光與生物組織體相互作用的基本形式組織光學(xué)（tissueoptics)——

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)是確定在一定條件下光輻射能量在組織體內(nèi)的分布，進(jìn)而發(fā)展活體組織光學(xué)特性參數(shù)的測量方法?！?.1光與生物組織體相互作用的基本形式組織光學(xué)（tiss22§2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

2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2.3組織體對光的散射效應(yīng)2.4組織體發(fā)光2.5光熱效應(yīng)和光聲效應(yīng)

2.6光化學(xué)效應(yīng)§2光與生物組織體的相互作用2.1光與生物組織體相232.2.1吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)

2.2.2分子吸收種類2.2.3生物組織中的吸收物質(zhì)2.2.4朗伯-比爾定理§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2.2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)§2.2組織體對24§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)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)光的吸收:光在通過生物組織體時25§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)人角膜和晶狀體在可見光波段近似于透明體，但在紅外波段卻表現(xiàn)出強烈的吸收。§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)人角膜和晶狀體在可見光波段近似26§2.2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)---absorptioncoefficient吸收截面----absorptioncross-sectionalarea§2.2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):27§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)吸收截面吸收截面具有面積的單位§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)吸收截面吸收截面具有面積的單位28吸收的定義abs§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)吸收的定義abs§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)29§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)

sa

=

Qa

A[cm2]

[-]

[cm2]QaA：geometricalarea：efficiency§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)sa=QaA[30§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)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)吸收系數(shù)光子31§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)吸收系數(shù)：單位:1/cm,1/mm吸收粒子密度吸收截面Theabsorptioncoefficientisessentiallythecross-sectionalareaforabsorptionperunitvolumeofmedium.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§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)吸收系數(shù)：吸收粒子密度吸收截面32§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)Absorptionlength（meanabsorptionfreepathlength）：Thereciprocalrepresentstheaveragedistanceaphotontravelsbeforebeingpossiblyabsorbed.組織體的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之間§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)Absorptionleng332.2.1吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)

2.2.2分子吸收種類2.2.3生物組織中的吸收物質(zhì)2.2.4朗伯-比爾定理§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2.2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)§2.2組織體對34§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)躍遷：粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)移過程躍遷的條件：吸收能量蛋白質(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組織體對光的吸收效應(yīng)躍遷：粒子從低能級到高能級的轉(zhuǎn)35§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)1、自由原子（原子間的相互作用可以忽略）的躍遷躍遷的形式：原子外層電子就會發(fā)生從基態(tài)到高能級的躍遷。躍遷的種類：Electronictransitions躍遷的條件：absorbUV,visible,NIRlightgroundstateS0ExcitedelectronicstateS1§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)1、自由原子（原子間的相互作用36§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2、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)§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2、分子的躍遷37§2.2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σ鍵：原子軌道沿鍵軸（核間連線）以“頭碰頭”方式進(jìn)行重疊，重疊部分沿鍵軸呈圓柱形對稱分布，形成σ共價鍵。π鍵：互相平行的py或pz軌道則以“肩并肩”方式進(jìn)行重疊，重疊部分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)（1）、電子相對原子核的運動及38§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)σ鍵的軌道重疊程度大，σ鍵比π鍵牢固§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)σ鍵的軌道重疊程度大，σ鍵比π39§2.2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)*表示）,分子也由基態(tài)變成為激發(fā)態(tài)?！?.2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40§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)（2）、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引起振動躍遷的能量通常對應(yīng)在紅外（infrared,IR）區(qū)域§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)（2）、分子的振動及吸收：當(dāng)分41§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)振動吸收峰的種類合頻\差頻吸收很弱§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)振動吸收峰的種類合頻\差頻吸收42§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)（3）、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組織體對光的吸收效應(yīng)（3）、分子的轉(zhuǎn)動及吸收：轉(zhuǎn)動43§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)轉(zhuǎn)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§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)轉(zhuǎn)動能級躍遷需要的能量<振44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：E＝ES+EP+ER+EV

（2.1）其中Es是電子的能量，平動能EP只是溫度的函數(shù)，EV是由于原子間的振動（vibration）而具有的能量，而ER是分子圍繞其核心旋轉(zhuǎn)（rotation）所具有的能量?！?.2組織體對光的吸收效應(yīng)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：§2.245表2.1各光波段對應(yīng)的躍遷§2.2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。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)該是帶狀光譜而非線狀光譜。表2.1各光波段對應(yīng)的躍遷§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)要46§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)472.2.1吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)

2.2.2分子吸收種類2.2.3生物組織中的吸收物質(zhì)2.2.4朗伯-比爾定理§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)2.2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)§2.2組織體對48Water……74%ofbodymassMyoglobin（………）…….inmuscleMelanin（黑色素）…….inskinonlyaffectingreflectionLipid（脂類）……………..ineverycellCytochromecoxidase（細(xì)胞色素）…..ineverycellHemoglobin（血紅蛋白）……………...inbloodGlucose（血糖）……………...inbloodConstantconcentrationduringmeasuringperiodLowconcentration

肌紅蛋白§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)Water……74%ofbodymassC49§2.2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

100-10000nm處水、血紅蛋白等的吸收譜§2.2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50吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢在600～900nm的NIR波段，水的吸收系數(shù)約為0.001mm-1，因此可以講，水具有NIR觀測“窗口”特性?！?.2組織體對光的吸收效應(yīng)水的吸收光譜

吸收系數(shù)隨著波長的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢§2.2組織體對光的51在600～900nm的NIR波段，組織體中的主要吸收體為氧合血紅蛋白(Oxy-hemoglobin,HbO2）和還原血紅蛋白(deoxy-hemoglobin,Hb）§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)濃度通常用[]表示,例如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[Hb]在600～900nm的NIR波段，組織體中的主要吸收體為氧合521000-2500nm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)1000-2500nm處水、血糖、血紅蛋白的吸收譜§2.253§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)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AbsorberswithintherangeofUV—IR§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)咯吡卟啉血紅素細(xì)胞色素澡膽蛋白54§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)e.g.absorber—Bilirubin(膽紅素）300400500600Wavelength[nm]e

r=1nm.A=4.5x10-15cm2At460nm

=53,846[cm2/mol]§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)e.g.absorber—B55總結(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(tuán)對光的吸收信息實際上是淹沒在了水的吸收譜內(nèi)的?！?.2組織體對光的吸收效應(yīng)總結(jié)§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)56對策采用的光波長應(yīng)該盡量避開水的吸收峰，水在600-900nm的低吸收，（也被稱為近紅外光測量的光學(xué)窗口，NIRwindow），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(tuán)的吸收信息§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)對策§2.2組織體對光的吸收效應(yīng)572.2.1吸收效應(yīng)和吸收系數(shù)

2.2.2分子吸收種類2.2.3生物組織中的吸收物質(zhì)

2.2.4