激光与生物体相互作用

设计：李波激光与物质相互作用朱海红武汉光电国家实验室激光部C204Tel:[phone]Email:[e-mail]-MatterInteraction设计：李波第六章:激光与生物组织相互作用1、[德]MarkolfH.Niemz著张镇西等译,激光与生物组织相互作用-原理及应用，Springer2、孙承伟，激光辐照效应，国防工业出版社，20023、朱林泉，现代激光工程应用技术，国防工业出版社，20084、陈家璧，激光原理及应用，电子工业出版社，2004设计：李波激光生物医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术激光手术刀、治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。激光多普勒流速计可以非接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的检查效果。激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。激光与生物组织相互作用—应用范围应用前景巨大设计：李波激光与生物组织相互作用—历史最初的临床应用为眼科—Ar离子激光凝结视网膜脱落—19611964年牙科应用—1964年近十年微创技术，激光占主角应用广泛，被认为是神奇的工具设计：李波激光与生物组织相互作用--参数第一参数：脉冲宽度—曝光时间第二参数：波长—穿透组织深度，即吸收和散射效率；第三参数：能量密度，特定效应的必要条件和程度；设计：李波皮肤严重损伤：高功率、高能量意外眼外伤：在视网膜上的辐照功率密度或能量密度将比激光辐照强度增加105倍以上。微焦耳级的超短脉冲激光就能击穿眼的多层组织，使眼底出血，灼伤视网膜，造成永久性的局部失明，而外观没有损伤。激光与生物组织相互作用—安全设计：李波激光与生物组织相互作用—医用激光器设计：李波激光与生物组织相互作用—医用激光器设计：李波内容提要§6.1生物体的光学特性§6.2激光与生物组织相互作用机理§6.3激光在临床医学中的应用举例设计：李波§6.1:生物组织的光学性质预测应用及效果很重要设计：李波生物组织的性能与特点光学性质：反射、透射、散射、吸收等；热学：比热容、热导率、热扩散等；机械：密度、弹性等；电学：阻抗、极化率等声学：声阻、声吸收等其他：水量、血流量、色素类型及含量等主成分是水，还含有蛋白质、脂肪、无机质等。软组织（softtissue，皮肤、肌肉、内脏)中含水约70％性能特点设计：李波衰减系数也称为消光系数。将光能转换成其他形式的能量过程称为吸收，侧向传播称为散射；衰减后的光束沿原方向继续传播称为透射激光在生物组织中的传输直透射光：沿入射方向传播的透射光（相干信息光、光程最短）折射光：皮肤组织复杂的层次结构形成的透射光（准相干信息光、光程较长）散射光：被皮肤组织散射后，透过皮肤形成的漫反射光（非相干信息光、光程最长）角膜这种透明介质中起重要作用；不透明介质中难以分辨设计：李波生物体与激光相互作用多重散射－－光扩散---近似各向同性散射强前散射光能被吸收后转换成热和激励生物分子感应出荧光和磷光设计：李波生物组织的光学性能—吸收生物软组织中含水量达60－80％，水对红外范围激光的吸收是生物组织光学吸收系数的主要决定因素之一。水对1.06m的Nd：YAG激光吸收很少，而对10.6m的CO2激光吸收很多。因此Nd：YAG激光穿透很深，而CO2激光穿透很浅Er：YAG激光（2.9um)的穿透深度比CO2激光还要浅设计：李波生物组织的光学特性－－吸收水对红外光有着很强的吸收带－－软组织含水70％，若在软组织上照射红外光，可以高效地把光能转换成热量；血红蛋白－－600nm以下的波长带中的吸收增大；蛋白质－－紫外区域吸收很强软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系窗口：各种组织吸收系数比较小，光能到达组织的比较深处主要由水、蛋白质、色素等大分子决定设计：李波生物组织的光学特性－－吸收可见光范围，皮肤的吸收峰值比角膜高20倍以上主动脉壁与血红蛋白峰值类似四个峰值Kr离子激光：531nm,568nm，可用于血液及血管的凝结设计：李波生物组织的光学特性－－吸收提高吸收，可以减少对邻近组织的损伤可以加一些添加剂来提高吸收设计：李波生物组织的光学特性－－散射Rayleigh散射—弹性散射41SI考虑散射角，Rayleigh散射：42cos1SI设计：李波生物组织的光学特性－－散射Brillouin散射—非弹性散射：向着或者背离光源的方向；导致频率升高或降低只有在冲击波产生时才明显设计：李波生物组织的光学特性－－散射Mie散射前向散射多，散射角多，各向散射参数g5.04.0xIxS1、波长依赖性更弱；2、发生在前向上Wilson和Adam（1983）以及Jacques（1987）等发现：当散射粒子与波长相当，rayleigh散射不再适应：比Mie散射强g=0各向同性；g=+1纯向前散射；g=-1纯向后散射；一般g=0.7-0.99，对应的散射角为8-45°设计：李波stIX生物组织通常既有吸收又有散射—浑浊介质)()1()(0xIAxIt散射系数：吸收系数：衰减系数：原始光强反射系数::0stIA在入射深度x处，激光强度为（Lambert-Beer定律）：生物组织的光学特性－－衰减设计：李波光子的平均自由程L为：StL11生物组织的光学特性－－衰减吸收与散射有时一种占主要的，另外一种可以忽略光漫反照率a：光学深度d为：SStSastdsd0sdtt为常数：如果光程的总长度:s穿透深度设计：李波生物组织的光学特性－－穿透软组织与激光波长的关系在近红外附近较深，在3m以上的红外区域或300nm以下的紫外区域中较浅设计：李波生物组织的光学特性－－穿透光穿透深度对波长的依赖性与组织种类有关骨等硬组织中：蓝绿色波长的穿透深度深。眼睛：蓝光、绿光的穿透深度较深。皮肤等：Nd：YAG的穿透深度较深。设计：李波激光首先辐照皮肤或眼睛，然后才能到达皮下组织和内部器官，发生各种作用。生物组织的光学特性设计：李波皮肤•皮肤是由表皮、真皮、皮下组织三部分组成的设计：李波激光与皮肤的相互作用在任何一层内，都可能存在四种基本光学过程：反射：直接反射；散射：由分子、粒子、纤维、细胞器和细胞引起的散射；吸收：皮肤吸收光能引起的物理或化学变化，产生热量、荧光、磷光等；透射：光线通过皮肤层的透射设计：李波皮肤对激光的反射与皮肤粗糙度、厚度有关，还要考虑是无毛厚表皮（手掌、脚掌）还是有毛薄表皮当皮肤粗糙度小于激光波长，发生镜面发射，反射角等于入射角内部漫反射。内部散射光返回透出表面而形成漫反射。当皮肤粗糙度远大于激光波长，发生漫反射实际皮肤既非理想镜面，也非理想漫反射面，一般较粗糙，漫反射的比例多于镜面反射设计：李波皮肤对激光的反射与波长有关可见光和近红外光，特别是在600－1300nm波段的激光，皮肤内部漫反射的比例大于皮肤表面的镜面和漫反射之和。0.3m以下的紫外线和2m以上的红外线，皮肤的反射率约5％，与肤色无关。设计：李波皮肤对激光的反射肤色白黄黑反射峰值波长（m）0.70.721.05反射峰值％635545与肤色有关白色人种反射率最高黄色人种次之黑色人种最低红外区设计：李波皮肤组织的透射光谱近红外激光易穿透皮肤组织，损伤内部器官紫外和远红外激光的透射率低，易损伤表皮波长/um透过率％2mm厚皮肤对可见光和红外线的透射光谱波长/um透过率％人的皮肤包括5mm厚浅层组织的透射光谱？？设计：李波皮肤组织的穿透深度设计：李波皮肤对激光能量的吸收与波长有关：对紫外线的吸收最强对红外线的吸收次之对可见光的吸收则随波长增加而减弱设计：李波皮肤对激光能量的吸收与波长有关：波长范围300－1400nm的激光透入皮肤，绝大部分激光能量在最初的3.6mm厚度的组织中被吸收消光；波长范围180－280nm的真空紫外辐射基本上被角质层吸收波长范围280－315nm的远紫外辐射有很大部分被角质层吸收紫外线（315－400nm)、可见光（400－700nm)和近红外线（700－1400nm)均能穿过表皮被真皮内的组织所吸收。紫外区设计：李波皮肤对激光能量的吸收与肤色有关：色素越多，吸收越多。入射光颜色与肤色为互补时吸收最大；原色波长nm互补色波长nm红色653.2绿色492.1橙色607.2蓝绿489.7黄色585.3蓝绿485.4黄色573.9蓝绿482.1黄色567.1深蓝464.5黄色564.4深蓝461.8绿黄色563.6紫色433.07对互补色设计：李波皮肤的反射、透射和吸收的关系设计：李波皮肤的反射、透射和吸收的关系从反射和透射图看：反射率高的波段基本上是透射率高的范围激光波长nm反射率%透射率%吸收率%400.08.04.088.0441.612.011.077.0488.017.020.063.0514.519.024.057.0632.828.040.032.0694.332.046.022.0800.038.053.09.0皮肤（表皮+真皮）的反射、透射和吸收特性与波长的关系设计：李波眼睛的结构人体眼球近似为球形，从眼前到眼底依次为：角膜；房水；虹膜；瞳孔；晶状体玻璃体；视网膜脉络膜；巩膜人眼象一架高级照相机：镜头：角膜、房水、晶状体和玻璃体（屈光介质）光圈：瞳孔感光底板：视网膜设计：李波眼睛的光学特性－－反射角膜（折射率1.376）、房水（折射率1.336）、晶状体（折射率1.410）和玻璃体（折射率1.337）之间的界面的两侧，折射率相差很小，界面反射率很小，可以忽略不计激光正入射时，眼睛反射率约2％角膜无需考虑其表面和内部的漫反射角膜前的泪层类似增透膜，进一步降低对光的反射人眼反射率可以忽略设计：李波眼睛的光学特性－－吸收角膜对短于0.28m和长于1.90m的光辐射几乎全部吸收对于1.40－1.90m的激光部分吸收；对可见光－1.40m的近红外线则几乎不吸收房水对可见光几乎不吸收对0.34－0.40m和0.78－1.40m波长光少量吸收晶状体是0.78－1.40m波长的光的主要吸收体视网膜吸收大部分的可见光和5％左右的近红外线设计：李波眼睛的光学特性－－作用效率（T.A）谱AT.A视网膜吸收率＝屈光介质的总透过率）谱（激光对眼底的作用效率T入射光真正被视网膜吸收的比例人眼屈光介质的总透射率及T.A作用效率曲线视网膜的易损性与激光波长有关450－700nm最强，峰值550nm设计：李波眼睛的光学特性－－透射人眼屈光介质的总透射率及T.A作用效率曲线500－900nm光的透射率最高400－1400nm的光能通过屈光介质到达视网膜，且有累积效应，注意防护设计：李波眼睛的光学特性－－散射前向散射占总透射光的50％，后向散射几乎为零散射与入射波长有关。可见光范围内，波长愈短散射愈多。设计：李波眼睛的激光损伤致眩（眼花）：很低的激光能量即可导致视觉对比度的敏感性下降，持续数秒－几十秒闪光盲：视网膜中有一种光色素的物质，它吸收可见光并转换成视觉信号。入射激光相当强，是光色素收到损害，产生脱色效应，暂时丧失感受光线的能力损伤：视网膜局部烧伤和光致凝结破坏：视网膜或玻璃体出血，感光细胞烧伤和出血，造成永久失明设计：李波眼睛的激光损伤光线通过瞳孔（明视直径2－3mm），经屈光介质在视网膜上聚焦成一个直径为5－50m的实像。瞳孔面积是实像的10万倍，聚焦光功率密度增加10万倍激光经眼球聚焦后能量密度将为入射激光的10万倍左右弱激光也可损伤眼底设计：李波激光与生物组织相互作用－－分析方法分析理论基于Marxwell方程：最基本的方法，分析解太复杂传输理论：直接论述通