1、光与组织的相互作用o 组织光学o 光的吸收、散射和透射o 生物组织的光学特性o 激光的生物学效应Outlineo What is Tissue Opticso Absorption in Tissuen Absorption Process and Parametersn Typical absorbers in TissueWhat is Tissue Optics?oDefinitions from dictionaryn Optics: a science that deals witho genesis and propagation of light o changes that i
2、t undergoes and produces n Tissue: an aggregate of cells whicho usually of a particular kind together with their intercellular substance that form one of the structural materials of a plant or an animal then,What is Tissue Optics?Tissue optics is combination of tissue and optics. Tissue is my subjec
3、t of interest and optics is my investigating principle.TissueOpticsInvestigating PrincipleSubject of Interest+=Tissue Optics Constituents of Tissue Optical Properties of Tissue Propagation of Light Interaction between Light and Tissue Diagnostic and Therapeutic ImplicationsWe are interested in Tissu
4、e OpticsOptical SignalTissueLight SourceOptical signal will be gained after light through tissue.Optical Signal from Tissueo Large number of Biological Moleculeso Functional and Structural informationo Noninvasiveo Near real timeoOptical signal from tissue can gain functional and structural informat
5、ion of large number of biological molecules with noninvasive and real time.Objectives of Tissue Optics oKey Question: How many photons per second will reach the tissue chromophore and be absorbed?nAbsorption is important because it transfers energy to tissue1.To find the light energy per unit area p
6、er unit time that reaches a target chromophore at some position2.To develop methods by the absorption and scattering properties of tissue can be measuredUltimate Goal of Tissue Optics will be that o Assess all optical properties noninvasive in living tissue (in vivo)o We must face Difficulties that
7、n Tissue is a complicated heterogeneous system and n Requires noninvasive in vivo information for meaningful diagnostic and therapeutic purposesABSORPTIONinTISSUEAbsorptionoExtraction of energy from light by a molecular speciesoApplications of absorption in tissue as follows oDiagnostic applications
8、: Transitions between two energy levels of a molecule that are well defined at specific wavelengths could serve as spectral fingerprint of the molecule nVarious types of Chromophores (light absorbers) in TissuenWavelength-dependent absorptionnTumor detection and other physiological assessments (e.g.
9、 pulse-oximetry)oTherapeutic applications: Absorption of energy is the primary mechanism that allows light form a source (laser) to produce physical effects on tissue for treatment purposenLasik (Laser Assisted in situ Keratomileusis) Eye Surgery, Tatoo Removal, PDT Mechanism of Absorption (resonanc
10、e principle)nWhen a light wave with that same natural frequency impinges upon an atom, then the electrons of that atom will be set into vibrational motion. o Just like a tune fork(音叉）!nIf a light wave of a given frequency strikes a material with electrons having the same vibrational frequencies, the
11、n those electrons will absorb the energy of the light wave and transform it into vibrational motion. nDuring its vibrations, the electrons interacts with neighboring atoms in such a manner as to convert its vibrational energy into thermal energy. Subsequently, the light wave with that given frequenc
12、y is absorbed by the object, never again to be released in the form of light. o Similar to phonon in crystal lattice conduction of heat in insulators & production of sound in solidMetrics for Absorptiono Absorption Cross-section, s m2nConsider a chromophore idealized as a sphere with a particular ge
13、ometrical size. Consider that this sphere blocks incident light and casts a shadow, which constitutes absorption. n The size of absorption shadow = absorption cross-sectionQa: absorption efficiencyAQaasMetrics for AbsorptionPin =IoAIncident BeamPabs = IosaPout = Io(A-sa)Outgoing Beamarea = A - saAre
14、a = saPout = Io(A-sa)-=Area =AoabsaIPsMetrics for Absorptiono AssumptionsnCross section is independent of relative orientation of the impinging light and absorbern uniform distribution of identical absorbing particleso Absorption Coefficient, ma 1/mn Absorption cross-sectional area per unit volume o
15、f mediumo Absorption mean free path, la mnRepresents the average distance a photon travels before being absorbedaaaNsmaa1lmAbsorption FundamentalsoTransmission and Absorbance (macroscopic view)oTransmissionoAbsorbance (attenuation, or optical density)oIIT IITAolog)log(Connection between T/A and mao
16、Now, absorbing medium is characterized by ma, transmission, and absorbance. Are they related?o Lambert Beer Law: the linear relationship between absorbance and concentration of an absorbing species.Lambert-Beer Laws= absorption cross-sectional area = cm2IO = The intensity entering the sample at z =
17、0 w/cm2I = The intensity of light leaving the sampleIZ = The intensity entering the infinitesimal slab at ZdI = the intensity absorbed in the slabOabsaIPsLambert-Beer LawTotal opaque area on the slab due to absorbers dzANaasNumber of absorbers in the slab volume dzNIdIaasFraction of photonsabsorbedL
18、oss of intensitysb0aaIoIdzN)z( IdIbNIIlnaaosMinus denote loss of intensity.Lambert-Beer LawbNIIlnaaos litermolclitercm1000molec10 x023. 6mol1cmmolecN3233)xlog(303. 2) elog()xlog()xln(Sinceandbcbc303. 210 x023. 6IIloga20os , , Molar Extinction Coefficient cm-1M-1Measure of Absorbing Power of speciesA
19、bco1010IIT Lambert-Beer LawbbNbc303. 210lnIIlnaaabcoms baobc303.2oeIeIIm ma = 2.303c (1) By measuring Transmission or Absorbance for given M, we can obtain usually ex vivo(2) With knowledge of , if we can measure ma in vivo, we can quantify concentration of chromophores二、一般吸收和选择吸收 若某种介质对各种波长的光能几乎均匀吸
20、收，即吸收系数与波长无关，则称为一般吸收；若介质对某些波长的光的吸收特别显著，则称为选择吸收。 光的吸收o 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。o 三、吸收光谱 具有连续光谱的白光，通过吸收介质后，不同波长的光被介质吸收的程度是不同的。将透射光通过分光仪进行分析，形成某种介质的吸收光谱。 生物组织中各种生物组织中各种“靶组织靶组织” (色基）的吸收光谱色基）的吸收光谱Pure Scattering水吸收特性o
21、水是人体中最丰富的化学物质，约占人体质量的6080%。水含量与人体的组织类型、年龄和性别有关。例如：新生儿脑中水占脑质量的90%，而在成年人骨骼肌肉中只占74%。因为水在大多数生物组织中具有较高的浓度，水在生物组织光谱测量中被认为是最重要的生色团之一。水的吸收光谱曲线，波长范围是20020000nm。从图中可以看出，水对光的吸收主要集中在紫外和红外区域，尤其在红外区域吸收最为明显。而在可见和近红外区域吸收很少，可以认为是光学窗口。组织中的水特性o组织中的水不是以纯水的形式存在，而是以生物分子和离子与氢基结合的产物。o组织水可以分成三种类型：组织水可以分成三种类型：o1）强结合的水，普遍地存在于
22、生物体表面，也就是说，细胞膜的磷脂双分子层表面；o2）弱结合的水，氢基与强结合的分子结合；o3）自由水，氢基自己结合，与纯水的性质类似。o由于氢结合强度对分子振动的影响，有理由认为结合水的与自由水的光谱存在差别。在球蛋白水合研究中观察到一个中红外的吸收带不同于纯液态水中红外的光谱特性。因此认为水分子与蛋白是强结合的 血红蛋白吸收特性o人体中血液中的血红蛋白有两种，一种是携带氧的含氧血红蛋白和不含氧的去氧血红蛋白。o在组织中水的光学窗口中对可见近红外光最主要的吸收是血红蛋白。血红蛋白运送红血细胞或红血球，约为全血的4045%。它负责从肺携带氧气到身体各组织器官，并输送回废气，如二氧化碳，到肺呼出
23、。血红蛋白由球蛋白与四个血色素群组成。每个血色素群包含一个铁原子位于环形结构的中心。铁离子以亚铁的形式（Fe2+）物理地结合一个氧分子成为氧化的，相反失氧便形成化学结合。因此，带有四个铁离子的一个血红蛋白分子运送共四个氧分子，这种情况就称为100%饱和。这种氧化态的血红蛋白就是含氧血红蛋白（HbO2）。去氧血红蛋白的形式就是没有氧分子附着，定义为去氧血红蛋白（Hb）。含氧和去氧血红蛋白的吸收光谱 In NIR Region, Hb and HbO are Major Sensitive Absorberextinct coeff (cm-1/mol/liter)wavelength (nm)6
24、507007508008509005001000150020002500300035004000- Deoxy-hemoglobin- Oxy-hemoglobinl1 = 690nml2 = 830nm1221122112212112HbOHbllllllllllllllllmmmmHbOHbHbOHbaHbaHbHbOHbHbOHbaHbOaHbO2HbTHbOSOHbOHbHbT脂质吸收特性o 身体中的大多数脂质以甘油三酸脂存在，存在于皮下组织和内脏组织周围。磷脂，另一组脂质，细胞膜的主要成分，存在于人体中的每个器官中。o 脂质组成脑，包含类固醇脂质，随着年龄变化，由新生儿的2.6%变到
25、成人的11.6%。在动物组织中，脂质的浓度与年龄和性别有关。具体范围为新生儿的2347%到成人的6887%。猪脂肪红外光谱区（8001080nm）的吸收光谱 其它生色团吸收特性o 黑色素和肌血红素 黑色素存在于人体皮肤的表皮层，在极紫外区有很强的散射系数，保护皮肤免受太阳光中紫外辐射的伤害，在近红外光谱区有一明显的吸收系数。因此，尽管与组织氧化没有关系，但在体近红外光的衰减也必须要考虑。肌红素存在于骨骼肌肉的细胞中，与氧结合的红色素，与红血细胞的血红蛋白类似具有相同的吸收光谱。但是，肌红素没有血红蛋白那么容易被氧化。光的散射光的散射 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通
26、过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。o均匀介质 透射，反射和吸收o不均匀介质 散射，透射，反射和吸收 1 光的散射现象光的散射现象 小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生小障碍物使波发生散射，较大物体使波发生反射，边缘部分发生衍射。反射，边缘部分发生衍射。 按不均匀团块的性质、按不均匀团块的性质、散射可分为两大类：散射可分为两大类： （1）悬浮质点的散射：如胶体、乳浊液、含有烟、）悬浮质点的散射：如胶体、
27、乳浊液、含有烟、雾、灰尘的大气中的散射必于此类。雾、灰尘的大气中的散射必于此类。 （2）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也）分子散射：即使十分纯净的液体或气体，也能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成能产生比较微弱的散射，这是由于分子热运动造成密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，密度的局部涨落引起的，这种散射，称为分子散射，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，物质处临界点时密度张落很大，光线照射在其上，就会发生强烈的分子散射，这种现象叫做临界乳光。就会发生强烈的分子散射，这种现象叫做临界乳光。散射、反射和衍射 把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（R
28、ayleigh scattering）。 瑞利散射不改变原入射光的频率。3 瑞利散射 瑞利定律的适用条件是散射体的尺度比光的波长瑞利定律的适用条件是散射体的尺度比光的波长小，在这条件下作用在散射体上的电场可视为交变的小，在这条件下作用在散射体上的电场可视为交变的均匀场，散射体在这样的极化，只感生电偶极矩而无均匀场，散射体在这样的极化，只感生电偶极矩而无更高级的电矩。更高级的电矩。 较大颗粒对光的散射不遵从瑞利的较大颗粒对光的散射不遵从瑞利的的四次方反的四次方反比律。比律。20cosIIzyzxOC0IIy)cos1 (20 II 散射光的强度散射光的强度 按照介质不均匀结构的性质，散射可以分为
29、以下两大类：(1) 悬浮微粒的散射或廷德尔（J.Tyndall，1820-1893）散射，例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射。(2) 分子散射（molecular scattering），这是由于分子热运动造成的密度局部涨落而引起的光的散射。例如，即使是光学性质完全均匀的物质，当它处在临界点附近时，密度涨落很大，光照射在其上就会发生强烈的分子散射，这就是所谓临界乳光现象。6 两种散射两种散射海市蜃楼问：天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红的？云为什么是白的？答：答：首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气
30、，即使在白昼，人们仰观天空，光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个宇航员司空见惯了的。由于大气的散射，将阳光从各个方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定方向射向观察者，我们才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分律，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强作过测
31、量，发色。瑞利曾对天空中各种波长的相对光强作过测量，发现与反比律颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘现与反比律颇相吻合。大气的散射一部分来自悬浮的尘埃，大部分是密度涨落引起的分子埃，大部分是密度涨落引起的分子 散射，后者的尺度往散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。所以每往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明显。所以每当大雨初霁、玉宇、澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得当大雨初霁、玉宇、澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在这里格外美丽可爱，其道理就在这里.一天天空变化 由于白光中的短成分被更多地散射掉了，由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩
32、余较多的自然是长波成分在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经了。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。升时颜色显得特别殷红的原因。 白云是大气白云是大气中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可中的水滴组成的，因为这些水滴的半径与可见光的波长相比已不算太小了，瑞利定律不见光的波长相比已不算太小了，瑞利定律不再适用，按米再适用，按米-德拜的理论，这样大小的物质德拜的理论，这样大小的物质产生
33、的散射与波长的关系不大，这就是云雾产生的散射与波长的关系不大，这就是云雾呈白色的缘故。呈白色的缘故。 光在组织中的散射 o 生物组织中，散射的对象是哺乳动物的细胞、原子、其他的细胞器官以及器官的一些结构。哺乳动物的细胞直径大小在1030um之间，原子在310um之间，线粒体的长度在14um之间，直径在0.30.7um之间。球形的溶酶体和过氧物酶体直径大约在0.20.5um之间。o 经测量波长相关的约化散射系数；角度相关的平均散射角余弦系数P()；发现g对最大的粒子敏感，然而对一般或者更小的粒子更加敏感。由得到的的信息加上P()测量法来得到散射物大小分布的信息。这对于细胞结构的大小了解为形态学特
34、征对光学散射起什么样的重要作用提供了线索。 o 测量了独立于细胞的器官的有角度散射的范围。可以得出散射方向和散射物粒子大小的相互关系。 Scattering is Caused by Tissue Ultrastructure(http:/omlc.ogi.edu)光的透射o 透射也是光在介质中的折射的一中形式，均匀介质满足折射定律；不均匀介质光被吸收后，剩余的能量以散射透射和散射反射的形式传输。ssScattered and reflectedScattered and absorbed Scattered and transmitted m mal l, m msl l, g生物组织的光学
35、特性o 生物组织对激光的辐射作用的反应与激光波长的吸收过程有关。在近紫外、可见光和近红外光谱区，生物组织的颜色对激光具有选择性吸收的特性。Interactions based on: Laser (Wavelength, Spot Size, Pulse Duration, Fluence) Tissue CharacteristicsReflection Transmission Scatter Absorptiono The following summarizes the analysis of what lasers do to dentin and bone: oLASER MEDI
36、UM Transmission Absorbance Reflectance CO2 & Er:YAGless than 3 % 95 % less than 2 %Ho:YAG 20 % 50 % 30 %Nd:YAG 50 % 30 % 20 %Near-infrared 10 % 10 % 80 %Argon 35 % 5 % 60 %Excimer less than 4 % 95 % less than 1 %oThe following summarizes the analysis of what lasers do to carious tooth structure:LASE
37、R MEDIUM Transmission Absorbance Reflectance CO2 & Er:YAG less than 3 % 95 % less than 2 % Ho:YAG 15 % 75 % 10 % Nd:YAG 2 % 95 % 3 %Near-infrared 5 % 35 % 60 % Argon 10 % 20 % 70 %Excimer less than 3 % 95 % less than 2 % oThe following summarizes the analysis of what lasers do to soft tissue, exclus
38、ive of bleeding:LASER MEDIUM Transmission Absorbance Reflectance CO2 & Er:YAG less than 1 % 98 % less than 1% Ho:YAG 25 % 60 % 15 % Nd:YAG 35% 45 % 20 %Near-infrared 10% 25 % 65 % Argon 35% 55 % 10 %Excimer less than 1% 98 % less than 1 % oThe following summarizes the analysis of what lasers do to p
39、ulp（牙髓）/granulomatous(肉芽瘤） tissue: LASER MEDIUM Transmission Absorbance Reflectance CO2 & Er:YAG less than 3 % 95 % less than 2 %Ho:YAG 10 % 70 % 15 %Nd:YAG 20 % 60 % 20 %Near-infrared 25 % 35 % 40 %Argon less than 1 % 98 % less than 1 %Excimer 5 % 90 % 5 %光在组织中传输数学模拟方法o 蒙特卡罗方法- 又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学
40、的一个分支 o 基本原理及思想如下：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，它们可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。这就是蒙特卡罗方法的基本思想。o 蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模拟，即进行一种数字模拟实验。它是以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的过程，通过模拟实验的结果，作为问题的近似解。可以把蒙特卡罗解题归结为三个主要步骤：构造或描述概率过程；实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。 光在组织中传输数学模拟方法o 漫射近似模型 漫射理论的优点是在对于一定
41、厚度的、折射率匹配的组织情况下可以快速地给出解析解，但是其缺点就是不适用于研究光源附近或者生物组织边缘区域的光分布和传播。o 混合模型 这是一种结合了蒙特卡罗的精度优势和漫射模型的速度优势的模型。它的出现为理论上解决生物组织的光传输问题提供了新的方法。激光的生物效应 o 凡激光和生物组织相互作用后所引起的生物组织方面的任何改变，都称为激光的生物效应 。主要包括： 热效应 电磁场效应 压力和冲击效应 光化学效应热效应 组织在几毫秒时间内温度到达4550，并持续1分钟左右，这使蛋白质破坏，细胞损坏。产生的机理：产生的机理：激光与组织的作用时间（激光脉宽）大激光与组织的作用时间（激光脉宽）大于组织吸
42、收激光能量后的传导时间于组织吸收激光能量后的传导时间光热作用光热作用铥激光（铥激光（l l = 2m mm)对肾组织对肾组织 汽化、切除后对周边组织的影响汽化、切除后对周边组织的影响激光微创手术腔腹镜手术激光的生物刺激作用o 较高能量的激光会产生热效应和其它一些非热效应损伤组织，但在较低能量的激光辐照下能促进一些疾病的康复。o 在生物场理论分析中认为，机体是一个巨大的晶体，其由结构复杂的导电区，膜电导区中的代谢过程，能维持一定的自由电荷密度。激光的共振作用下将使生物等离子体恢复稳定，使之回到正常能层。这个理论尚无定论，但临床效果明显。光致化学作用o 是指生物组织吸收激光能量并将光能转变成化学能
43、所导致的化学反应。主要有四种类型：即光致分解、光致氧化、光致聚合和光致敏化。o 在眼科治疗中常见到的是光致分解和光致敏化。前者如用波长为193nm的ArF准分子激光作冷光刀来分解生物分子化学键,切割角膜。后者的典型例子是用光动力学疗法治疗视网膜母细胞瘤。电磁场作用o 光是变化着的电磁波,因生物组织与光波段内的电磁作用而导致的一系列生物效应过程称为光的电磁场作用.其中主要是强电场作用。o 对于普通光,由于光功率密度很低,所以注意不到其电场的生物作用。但激光使光能量在空间上高度集中,如采用Q开关、锁模等技术，又使它在时间上也高度集中，就能产生相当大的电场强度，从而引起明显的生物效应。光致压强作用o
44、 一定功率密度的激光,还可以产生光致压强作用,这种压强的产生可有多种原因,如激光辐射、热致汽化反冲、热致膨胀、膨胀致超声、场致散射、场致伸缩等引起。这种光致压强可作用于眼部产生生物效应。激光微创手术钬激光排石钬激光波长2.1m，脉冲式激光，是目前众多外科手术用激光中最新的一种。产生的能量可使光纤末端与结石之间的水汽化，形成微小的空泡，并将能量传至结石，使结石粉碎成粉末状。水吸收了大量的能量，减少了对周围组织的损伤。同时钬激光对人体组织的穿透深度很浅，仅为0.4mm。因此在碎石时可以做到对周围组织损伤最小，安全性极高。o 以前使用的激光缺点较多，如非脉冲式二氧化碳激光，是利用热效应汽化结石，由于温度高(20003000)，故热损伤大;脉冲式激光，如染料激光对不含色素的胱氨酸结石无效;钕激光则由于精确性较差，不能用于碎石治疗。 非线性效用典型的由飞秒激光单个脉冲造成的两个空腔效果，黑洞的典型的由飞秒激光单个脉冲造成的两个空腔效果，黑洞的形成是由于此处胶原纤维气化，不能产生二次谐波信号形成是由于此处胶原纤维气化，不能产生二次谐波信号。
