生物医学光子学第一章绪论-课件.ppt

1、生物医学光子学生物医学光子学Biomedical Photonics#PPT课件1 绪论#PPT课件生物医学光子学生物医学光子学(biomedical photonics)生物光子学生物光子学(biological photonics）医学光子学医学光子学(medical photonics)组织光组织光(tissue optics)Chapter 1 绪论绪论生物医学光子学？生物医学光子学？#PPT课件Chapter 1 绪论绪论生物医学光子学生物医学光子学 NOT生物医学光学？生物医学光学？波粒二象性波粒二象性波动理论波动理论量子力学量子力学#PPT课件Chapter 1 绪论绪论生物医学

2、光子学的定义生物医学光子学的定义#PPT课件Chapter 1 绪论绪论为什么学习生物医学光子学为什么学习生物医学光子学?现在和未来医学上的新需求现在和未来医学上的新需求:早期诊断无创伤日常监控#PPT课件Chapter 1 绪论绪论CT当前的成像技术当前的成像技术#PPT课件Chapter 1 绪论绪论无创伤检测无创伤检测#PPT课件Chapter 1 绪论绪论Hitachi,2004，无创血糖检测掌上型血氧仪（oximeter）,测量动脉血的含氧量手指血氧仪#PPT课件Chapter 1 绪论绪论激光诱导荧光检测器激光诱导荧光检测器（Laser Induced Fluorescence D

3、etector，LIF）#PPT课件Chapter 1 绪论绪论#PPT课件Chapter 1 绪论绪论信息载体信息载体检测检测光源光源模型结果#PPT课件Chapter 1 绪论绪论纲要纲要第一章绪论第一章绪论第二章光与生物组织体的相互作用第二章光与生物组织体的相互作用 第三章描述光在组织体中传播的数学模型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五章参数提取的定量数学方法第六章第六章 生物医学光子学在人体成分浓度检测生物医学光子学在人体成分浓度检测 方面的应用方面的应用第七章生物医学光子成像技术第七章生

4、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第八章生物医学光子学其它研究热点介绍#PPT课件2 光与生物组织体的相互作用#PPT课件 2 光与生物组织体的相互作用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组织体对光的吸收效应2.3 组织体对光的散射效应组织体对光的散射效应2.4 组织体发光组织体发光2.5 光热效应和光声效应光热效应和光声效应 2.6 光化学效应光化学效应#PPT课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体相互作用的基本形式图图2.1 光与组织体的相互作用光与组织体的相互

5、作用1.光与生物组织体相互作用的表现形式或现象光与生物组织体相互作用的表现形式或现象#PPT课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体相互作用的基本形式u吸收吸收光强随着光在组织体中的传播距离的增加而不断减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。基本形式小，未被吸收的光经组织体边界出射。基本形式u反射、折射和散射反射、折射和散射组织体的宏观或微观的不均匀性导致组织体的宏观或微观的不均匀性导致 光传播方向的改变光传播方向的改变u偏振态及偏振效应偏振态及偏振效应u光声效应光声效应u光致发热光致发热u光致发光光致发光u光化学效应光化学效应#PP

6、T课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体相互作用的基本形式宏观现象是通过宏观现象是通过微观的物理变化产生的！微观的物理变化产生的！#PPT课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式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不同能级之间的跃迁对应着不同的物理过程#PPT课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体相互作用的基本形式u光辐射入射到组织体，电子向上跃迁到不同电子激发态的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

7、级上，或实现不同振动能级之间的跃迁不同振动能级上，或实现不同振动能级之间的跃迁吸收吸收过程、吸收光谱过程、吸收光谱u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的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉光热、光声、光热、光声、光电导等现象光电导等现象u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、荧光产生、荧光光谱荧光光谱u分子从受激虚态向下跃迁时回到电子基态中的其他

8、振动能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光Raman Raman 散射、散射、RamanRaman光谱光谱#PPT课件2.1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体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 经典麦克斯韦尔电磁理论经典麦克斯韦尔电磁理论u研究光吸收、发光及接收研究光吸收、发光及接收 量子理论量子理论描述（组织光学）描述（组织光学）光学特性参数：光学特性参数：吸收系数、散射系数、折射率等吸收系数、散射系数、折射率等#PPT课件2.

9、1 光与生物组织体相互作用的基本形式光与生物组织体相互作用的基本形式组织光学（组织光学（tissue optics)研究可见光和近红外光在生物组织体中的传播特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。组织光学特性参数的测量方法。#PPT课件 2 光与生物组织体的相互作用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

10、组织体对光的吸收效应2.3 组织体对光的散射效应组织体对光的散射效应2.4 组织体发光组织体发光2.5 光热效应和光声效应光热效应和光声效应 2.6 光化学效应光化学效应#PPT课件 2.2.1 吸收效应和吸收系数吸收效应和吸收系数 2.2.2 分子分子吸收种类吸收种类 2.2.3 生物组织中的吸收物质生物组织中的吸收物质 2.2.4 朗伯朗伯-比尔定理比尔定理 2.2 组织体对光的吸收效应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对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应光的吸收光的吸收: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

11、从而导致光强度的衰减。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应量绛为零不透明：使入射辐射能生物组织体对不同波段吸收不同真空透明：根据对光的吸收能力-吸收允许许光通过而完全不人角膜和晶状体在可见光波段近似于透明体，但在红外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。波段却表现出强烈的吸收。收比较强定波长的光有吸收或吸选择性吸收：对某些特的衰减程度相同或相似范围内的所有波长的光一般吸收：对一定光谱生物组织体#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应描述组织体吸收能力的光学参数:吸收系数吸收系数-absorption coeffici

12、ent吸收截面吸收截面-absorption cross-sectional area#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应u吸收截面吸收截面0IPabsa吸收截面具有面积的单位吸收截面具有面积的单位#PPT课件 吸收的定义吸收的定义abs2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应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

13、 s-s se ec ct ti io on n =Q Q A Aa aa a a =Qa Acm2 -cm2QaA：geometrical area：efficiencya#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应u 吸收系数吸收系数光子组织体内的吸收体#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应aa吸收系数：吸收系数：单位单位: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 absorptio

14、n per unit volume of medium.p单位程长上一个光子被吸收的概率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吸收系数越大，代表组织体对该波长的光的吸收也越大#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应mean absorption free pathlength）aal1pThe reciprocal represents the average distance a photon travels before being possibly absorbed.组织体的吸收平均自由程在一般在组织体的吸收平均自由程在一般在1

15、cm-33cm之间之间#PPT课件 2.2.1 吸收效应和吸收系数吸收效应和吸收系数 2.2.2 分子分子吸收种类吸收种类 2.2.3 生物组织中的吸收物质生物组织中的吸收物质 2.2.4 朗伯朗伯-比尔定理比尔定理 2.2 组织体对光的吸收效应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对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应跃迁：跃迁：粒子从低能级到高能级的转移过程粒子从低能级到高能级的转移过程跃迁的条件：跃迁的条件：吸收能量吸收能量蛋白质分子图蛋白质分子图 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

16、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。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应1、自由原子（、自由原子（原子间的相互作用可以忽略）的跃迁的跃迁跃迁的形式：跃迁的形式：原子外层电子外层电子就会发生从基态到高能 级的跃迁。跃迁的种类：跃迁的种类：Electronic transitions 跃迁的条件：跃迁的条件：absorb UV,visible,NIR lightground state S0Excited electronic state S101SSh#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应2、分子的跃迁、

17、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分子的能级取决于分子的运动和状态ns transitiorotational-ns transitioibrational-ns transitioelectronic-分子的转动原子核间的振动电子相对原子核的运动运动分子的v#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应（1）、电子相对原子核的运动及吸收）、电子相对原子核的运动及吸收键：键：原子轨道沿键轴（核间连线）以原子轨道沿键轴（核间连线）以“

18、头头碰头碰头”方式进行重叠，重叠部分沿键轴呈方式进行重叠，重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，形成圆柱形对称分布，形成共价键。共价键。键：键：互相平行的互相平行的p py y或或p pz z轨道则以轨道则以“肩并肩肩并肩”方式进行重叠，重叠部分方式进行重叠，重叠部分垂直于键轴并呈镜面反对称。垂直于键轴并呈镜面反对称。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应键的轨道重叠程度大，键的轨道重叠程度大，键比键比键牢固键牢固#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应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

19、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，用上标反键轨道，用上标*表示）表示）,分子也由基态变成为激发态。分子也由基态变成为激发态。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应（2）、分子的振动及吸收：）、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向运动：原子在垂直于价键方弯曲振动回运动：原子沿着价键方向来伸展振动振动分子的 HHCHHC剪式摇摆面内变形引起振动跃迁的能量通常对应在引起振动跃迁的能量通常对应在红外（红外（infrared,IR）区域）区域 高频区低频区

20、#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应振动吸收峰的种类振动吸收峰的种类#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应（3）、分子的转动及吸收：）、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。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应转动能级跃迁需要的能量转动能级跃迁需要的能量 振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电子跃迁需要的能量#PPT课

21、件分子吸收总能量可以看成是电子、转动和振动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：的总和：E EE ES S+E+EP P+E+ER R+E+EV V （2.12.1）其中其中EsEs是电子的能量是电子的能量，平动能平动能E EP P只是温度的函数只是温度的函数，E EV V是由于原子间的振动是由于原子间的振动（vibrationvibration）而具有的能量而具有的能量，而而E ER R是分子围绕其核心旋转是分子围绕其核心旋转（rotationrotation）所具有的能量。所具有的能量。2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件表表2.1 2.1 各光波

22、段对应的跃迁各光波段对应的跃迁2.2 组织体对光的吸收效应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。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。非线状光谱。#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件 2.2.1 吸收效应和吸收系数吸收效应和吸收系数 2.2.2 分子分子吸收种类吸收种类 2.2.3 生物组织

23、中的吸收物质生物组织中的吸收物质 2.2.4 朗伯朗伯-比尔定理比尔定理 2.2 组织体对光的吸收效应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对光的吸收效应#PPT课件only affecting reflection1%cells blood WhiteplateletNIR n toabsorptrio no 55%RbC)suspendingfor salt and water of(solution Plasmalungin HB-oxyhemoglobin-Deoxycapillaryin HB-deoxyhemoglobin-Oxy44%(RbC)cells bloo

24、d RedBloodConstant concentration during measuring periodLow concentration 肌红蛋白肌红蛋白2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应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处水、血红蛋白等的吸收谱#PPT课件吸收系数随着波长的增加呈现出增大的趋势吸收系数随着波长的增加呈现出增大的趋势在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，水的吸收系数约为波段，水的吸收系数约为0.

25、001mm0.001mm-1-1，因此可以讲，因此可以讲，水具有水具有NIRNIR观测观测“窗口窗口”特性。特性。2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应水的吸收光谱水的吸收光谱#PPT课件在在600600900nm900nm的的NIRNIR波段，组织体中的主要吸收体为氧合血红蛋白波段，组织体中的主要吸收体为氧合血红蛋白(Oxy-(Oxy-hemoglobin,hemoglobin,HbO2）和还原血红蛋白）和还原血红蛋白(deoxydeoxy-hemoglobin,-hemoglobin,Hb）2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应浓度通常用浓度通常用 表示表示,例如例如氧

26、合血红蛋白的浓度表示为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还原血红蛋白的浓度表示为 Hb#PPT课件1000-2500nm处水、血糖、血红蛋白的吸收谱处水、血糖、血红蛋白的吸收谱2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应NNNNpyrrolesporphyrinsheme(chlorophyll)cytochromesphycobiliproteinscarotenoidsferredoxinsflavinsmelaninNONNNONOOOOO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Absor

27、bers within the range of UVIR#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应e.g.absorberBilirubin(胆红素）胆红素）300 400 500 600Wavelength nme e r=1 nm.A=4.5x10-15 cm2At 460 nme=53,846 cm2/mol#PPT课件总总 结结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组织体对光的吸收效应#PPT课件对对 策

28、策采用的光波长应该尽量避开水的吸收峰，水在600-900 nm 的低吸收，（也被称为近红外光测量的光学窗口，NIR window），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组织体对光的吸收效应#PPT课件 2.2.1 吸收效应和吸收系数吸收效应和吸收系数 2.2.2 分子分子吸收种类吸收种类 2.2.3 生物组织中的吸收物质生物组织中的吸收物质 2.2.4 朗伯朗伯-比尔定理比尔定理 2.2 组织体对光的吸收效应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对

29、光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应纯吸收或弱纯吸收或弱散射媒质散射媒质光的传播规律：光的传播规律：p 衰减衰减p 距离越长衰减越大距离越长衰减越大#PPT课件laeII02.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应Lamberts law:Beers law:clIIOD)lg(0为波长的函数，称为比消光系数（specific extinction coefficient)l为光程OD为光密度(optical density);C 为物质浓度Lambert-Beers lawee303.2)lg(303.2)ln(00clIIIIeeca为消光系数#P

30、PT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应对于有n种吸收体：niiiac1e22HbOHbHbOHbaee例如血液中在600-900nm波段内,主要吸收体为氧合血红蛋白和还原血红蛋白：#PPT课件 CFA CdIIOD0lgIIA0ln回归配制不同浓度的样品消光系数，从消光系数，从而判定物质而判定物质根据已知光谱浓度浓度消光比2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应朗伯朗伯-比尔定理的应用：比尔定理的应用：#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应#PPT课件2.2 组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应例例2 已知血红蛋白的消光系数计算其浓度已知血红蛋白的消光系数计算其浓度22HbOHbHbOHbaeeA#PPT课件2.2组织体对光的吸收效应组织体对光的吸收效应 222HbOHbHbOSOOxygenation SaturationHemoglobin Concentrations and Oxygenation Saturationeeeeeeeeeeee21212212212121222121222HbHbOHbHbOaHbaHbHbHbOHbHbOaHbOaHbOHbOHbHemoglobin Concentrations#PPT课件