生物医学中的光学与激光

生物医学中的光学与激光本讲内容概要1.引言–学科背景–基本概念:BiomedicalOptics,BiomedicalPhotonics–本讲的主要内容概述2.生物组织的光学特性：−（组织对）光的吸收、反射和散射−组织的光学特性−光在组织中的传播规律－光学诊断学的基础3.光和组织的相互作用–光对组织的物理作用（治疗）–测量–应用（激光医学）4.光学检测及成像：–光学相干层析成像－OpticalCoherenceTomography(OCT)–其它的成像技术举例引言（1）•本讲涉及的内容属于生物医学光子学(BiomedicalPhotonics)的范畴•生物医学光子学与生物医学光学（BiomedicalOptics）区别（相同点与不同点）：–根据一般的定义，光学是指“可见光学”，它是电磁辐射中一种可被人眼感知的类型；另一方面，光子学领域，它包括光子，即所有电磁辐射谱内的量子，它的定义比光学的定义更广泛（图1）。–光子学包括与电磁辐射相关的光学技术与非光学技术，它是电场与磁场空间能量的传递。电磁谱是它的能量范围，从宇宙射线、γ射线、X射线到紫外、可见光、红外、微波和无线电频率。–因此，生物医学光子学可以定义为研究所有波长范围的电磁辐射在医学中的应用的科学与技术。这一领域包括对光或其它形式辐射能量（量子单元为光子）的产生与操纵，采用大量的方法和技术，例如激光和其它光源，光纤，电子-光学仪器，复杂的微电子机械系统，纳米系统等，研究光吸收、发射、传导、散射和放大现象在临床上的应用。生物医学光子学的研究范畴包括临床诊断、治疗和疾病的防护。•在人类的发展历史中，光学扮演着非常重要的角色：光的治疗作用•17世纪光学显微镜的发明对其后200年间的生物学以及生物医学的研究起到了非常重要的作用：–细胞理论：1830s–微生物学：1870s引言（2）•1895年，伦琴发现X射线－X射线在疾病诊断中的应用•其它许多科学发现和技术进步也极大地促进了生物医学光子学地发展，为生物分子地研究、组织的鉴别以及疾病的诊断提供了各种各样的工具•生物医学光子学的发展受到以下三个科学和技术革命的影响：–量子理论的革命（1900－1950s）–技术革命（1940s-1950s）–基因组学革命（1950s-2000）引言（3）•量子理论的革命：光的概念的演变–1687年，牛顿的经典理论：包含了许多光的现象，如光的折射、白光的本质、薄膜现象等，以及光学仪器，如显微镜，望远镜等–1865年，Maxwell的关于光传播的电磁波理论–随后的一系列关于光的本质的重大发现，对牛顿的经典理论提出了挑战，导致了20世纪量子物理的革命－爱因斯坦•光电效应：光的本质－Hertz•MaxPlanck：光的量子化•1905年，爱因斯坦对光电效应进行了详细的解释，开拓了量子力学领域–光既不是连续的波，也不是小的粒子，而是以称为光子的波的能量束形式存在，每一个光子的能量取决于光波的频率•卢瑟福和玻尔利用放射性辐射实验研究了原子的结构，进一步验证了量子理论－波粒二向性•从1926年到1933年，Heisenberg，Schrodinger和Dirac等人的理论工作，奠定了量子理论的坚实基础–基于量子理论，产生了诸如分子光谱技术和光子技术（比如激光、光学活检、光镊以及近场探针等），为疾病的非浸入诊断、在分子级别研究细胞的功能以及在基因级别治疗疾病提供了强大的工具，量子理论也正由于其电子、原子、分子以及光本身的深刻理解为分子生物学和遗传性奠定了基础－DNA结构、细胞的分子结构的发现，疾病的基因学，分子医学的基础。引言（4）•技术革命：–激光：•Laser:受激辐射光放大•提供了一种激发组织，疾病诊断以及组织切除了介入治疗的光源•爱因斯坦提出了光子Lhe受激发射的假设•ArthurSchawlow和CharlesTownes发表文章，提出了在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能•1960年Maiman发明了红宝石激光器•应用：疾病诊断中的光源以及手术中的激光刀。•优点：单色性；高强度；光纤；内窥成像；精度高；感染和失血少；可用计算机控制激光的强度和方向，减少人为失误；在激光医学中的广泛应用：除皱，消除文身，胎记，肿瘤，眼科中的校正，糖尿病性青光眼的治疗等，心脏，前列腺，食道…–微芯片:•激光提供了一种新的激发手段，然而传感器、探测器及其附属电路的小型化以及批量生产从根本上改变了对分子、组织和器官在活体和离体状态下的探测和成像方式；•微芯片技术基于大规模集成电路的发展和广泛应用，微芯片技术使保证了可以低成本地制作微电子电路和光子探测器如PDA、CCD相机以及CMOS等，具有广阔的场，使得这些器件在生物医学光谱以及分子成像等领域获得了广泛的应用•Moore定律：芯片的尺寸继续减小，而实现每个功能的成本呈负指数下降•影响了生物医学光子学的众多领域：MRI，CT，核医学，超声成像等–纳米技术•对1－100nm尺度的材料进行研究和开发的技术•纳米技术对生物医学中的许多重要领域产生了革命性的变化，尤其是在分子和细胞水平上的诊断和治疗，将分子纳米技术和光子学结合，可以利用纳米器件对原子和分子进行操纵，在细胞水平上具有非常广泛的生物医学应用•纳米探针、纳米机器人、纳米激光、纳米诊断和治疗…•光镊•微纳操作引言（5）•基因组学革命：–1953年，Watson和Crick在Nature上发表有关DNA螺旋结构的文章，是基因组学革命的开端–而2000年人类基因组排序的完成是分子遗传学领域的又一重大成就–重大事件：•DNA结构的发现－1953•Sanger方法•DNA荧光排序法•DOE宣布HGI－1986•DOE和NIH联合HGP－1990•E.Coli基因组•Yeast基因组•Worm基因组•FruitFly基因组•人类基因组（90％）－2000•…•基因药物•个性化医学图1利用不同波长的”光”进行人体信息的提取－诊断•生物医学光子学的研究内容非常广泛。本讲的重点是介绍生物组织的光学特性，这些特性影响着光在组织中的传输，因此是医学光谱和成像诊断的基础。•这里所讲到的“光”，是指电磁波中，真空中波长为100nm-1000nm的部分，包括：近红外光（NIR）、可见光以及紫外光（UV）的A、B、C段，涵盖了在生物医学光子学中非常重要的治疗（或诊断）窗（600-1300nm）。生物组织的光学特性：•物理现象一般可用经典或量子理论来解释(图2)经典理论认为：光是能量连续的振荡电磁波（EM）量子理论认为：光由光子构成，每一个光子的能量正比于电磁波的频率。光和物质以光子的方式交换能量，E=hν=hc/λ,h是Planck常数。•研究光在组织中的传播时，结合以上两种观点：经典理论：在数学上建立光传输的模型（比如，计算散射界面）量子理论：吸收、发光以及拉曼散射。•光于物质的作用：散射（拉曼、米氏）；吸收（荧光、光化学、光电、光热、光电离）图2orthogonalharmonicE-andB-fieldsforaplanepolarizedwaveλ=c/ν光和组织的相互作用：•生物组织分两类：强散射介质（不透明的）弱散射介质（透明的）•辐照方式有两种：连续光辐照作用－辐照光的强度不变－静态辐射传输理论时间分辨作用—非静态的辐射传输理论，分为：时域法和频域（相位）法•激光与生物组织的作用机理：激光医学的基础光学检测及成像：根据光在组织中传播的特性以及光与组织相互作用的性质，选择合适的物理方法，提取出（用于诊断的）有用信息。•散射介质传播：利用光的相干特性(相干门）来选择弹道光子或最小散射光子，进行成像，OCT；或利用偏振特性来对特定的光子进行选择测量或成像，比如：PS-OCT•激光诱导荧光：自体荧光、标记荧光、时间分辨荧光（荧光寿命）、激光扫描共焦成像、多光子激发荧光等•光热作用：光热光谱技术、光声技术、组织的温度升高及损伤（凝结、汽化、热解、蚀除等）。组织的光学特性•反射和折射•散射•吸收•混浊介质•影响光在生物组织中传播的三个物理过程–反射和折射（reflectionandrefraction）–散射（scattering）–吸收（absorption）•这三个过程分别用以下参数来描述：–折射率–散射系数–吸收系数–各向异性•在反射、吸收或散射中，哪一种损耗为主，取决于生物组织的类型以及入射光的波长。波长是非常重要的参数，它决定了折射和吸收以及散射系数。•图3所示是光在两种介质的界面所发生的反射、折射、吸收及散射的几何关系图3反射、折射、吸收及散射的几何关系反射和折射1.反射和折射定律：•反射（Fresnel定律）：反射表面是折射率不同的两种材料的边界如空气和组织的交界。简单的反射定律要求入射和反射光束的波法线与反射表面的法线处在同一平面（入射面）内，反射角等于入射角。这个表面被认为是光滑的，其表面不平整度与辐射度波长相比很小，这种情况就是所谓的镜面反射。相反，当反射表面的粗糙度较大或大于辐射的波长时，就出现漫反射。这样，被反射的许多光束并不一定处于同一入射平面，表征反射定律的公式不再适用。漫反射是所有生物组织的一个共同现象，因为它们没有一个象光学反射镜的表面那样抛光的表面。唯一的特殊情况是在潮湿组织表面镜面反射可能超过漫反射。折射：折射通常出现在具有两种不同折射率的介质的反射表面分界处。它是由光波速度的变化引起的。决定折射的简单数学关系式是Snell定律，即：2.全内反射：临界角：当光在组织中传播时，正好发生全内反射的角度。图4反射和折射3.反射系数和透射系数、反射比和透射比（1）反射系数和透射系数：其中：A1，A1′，A2分别是入射、反射和折射光的光矢量的振幅。rs，ts分别为s波的振幅反射系数、振幅的透射系数；rp，tp分别成为p波的振幅反射系数、振幅的透射系数。（2）反射比和透射比：其中：Rs，Ts分别为s波的反射比、透射比；Rp，Tp分别成为p波的反射比、透射比。)sin()sin(212111'θθθθ+−−==sssAAr)tan()tan(21211'1θθθθ+−==pppAAr)sin(cossin2211212θθθθ+==sssAAt)cos()sin(cossin221211212θθθθθθ−+==pppAAt2ssrR=2sstT=2pprR=2pptT=（3）Brewster角：注：当入射光是自然光时，入射角满足时，有即反射光中没有p波，只有垂直于入射面振动的s波，发生全偏振现象。当光垂直入射时，通过近似有：12tannnB=θ222212212211coscoscoscos⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−≈⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−≈=nnnnRRspθθθθ221πθθ=+0=pR散射1.概述（1）碰撞过程（如图5）光入射到组织内一具有限尺寸的折射率不同的粒子上时，部分入射光被散射，如图5所示。比如，生物组织中的一种散射源是由于细胞内的细胞器和周围细胞质的折射率的不同而引起的。（2）弹性散射：入射与散射光子的能量相同（没有能量的交换）。非弹性散射：散射光子与入射光子的能量不同。准弹性散射：当光子被运动粒子如血细胞散射时，由于多普勒效应，对发生微小的能量变化。（3）在生物医学光子学中，散射现象对诊断和治疗都具有重要的作用：•诊断：散射取决于组织中各成分（如脂质膜、核、胶原纤维）的大小、形貌以及结构，由疾病造成的这些成分的变化会影响散射特性,因此,提供了一种疾病诊断的方法，尤其在成像方面有重要的应用。•治疗：散射信号能用来确定最佳的光剂量(特别是激光治疗),在治疗时提供有用的反馈信息.图5散射碰撞过程2.散射截面、散射系数（1）散射截面其中：表示散射功率(能量/时间)；Io为入射光波的强度(单位面积的功率)；是平面波相对与散射体的传播方向。说明：a入射光束到达散射体之前，其功率是均匀的，其中Io是光波的强度，A是截面积b和散射体作用后，部分能量由于散射而偏离原来的光束，光束的强度不再均匀c散射的功率等于入射光束中某一面元σs的功率，σs正是散射截面。()0ˆIPsscatts=σscattps)AIpin0=图6