生物医学光子学-第1章.pdf
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Xi’an Jiaotong University 生物医学光子学 Biomedical Photonics 生物医学信息工程教育部重点实验室 张镇西 生命科学与技术学院 生物医学分析技术与仪器研究所 The Institute of Biomedical Analytical Technology & Instrumentation The School of Life Science & Technology Xi’an Jiaotong University 2012年8月30日 Xi’an Jiaotong University Xi’an Jiaotong University 第1章 生物组织光学特性 １.１光学特性基本原理 1.1.1 反射和折射 1.1.2 散射 1.1.3 吸收 １.２ 组织中的光传输 由于被散射的光子并不沿着确定的路程传输， 因此传输理论主要是处 理漫射辐射度的估计值问题。吸收和散射哪一个过程处于衰减过 程中的主要地位， 根据漫反射系数的值， 必须选择足够近似的统 计方法。这里介绍两种解决光传输问题的数值方法： 蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation） 和库贝尔卡蒙克理论 （Kubelka-Munk theory） 。 Xi’an Jiaotong University 第1章 生物组织光学特性 • 影响光在生物组织中传播的三个物理过程 – 反射和折射（reflection and refraction） – 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 Xi’an Jiaotong University 1.1.1散射 瑞利散射定律 Is I s ( ) ~ ~ 1 r 4 1 cos ( ) R 2 4 P Z 散射介质 入射光 L 图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 Xi’an Jiaotong University 第1章 生物组织光学特性 1.2 组织中的光传输 1.2.1 蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗方法实质上是用计算机模拟数量为N的光子的随机游动， 其实 它是一种统计方法。由于以统计理论为基础结果的精确性与N 成 比例， 所以就必须考虑到大量光子可以产生一个有价值的概率。 因此， 整个过程需要花费时间而且仅能在巨型计算机上进行有效 的实施。在许多学科上， 蒙特卡罗方法已经成为一个强有力的工 具。在此， 首先列出它的基本思想， 然后简单讨论模拟的每个步 骤。 教学基本要求 1．掌握生物医学光子学所涉及的基本概念、定律。 2．掌握生物医学光子学所涉及的应用、方法。 Xi’an Jiaotong University 第1章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗模拟的基本思想是： 应用吸收和散射现象来跟踪光 子通过混浊介质的光程。将光子的两次碰撞之间的距离设 置为对数分布，且用一个由计算机产生的随机数表示。通 过对每一光子给定一个权值（weight），并且在传播过程 此权值将持续地减少来说明吸收现象。如果发生散射，通 过给定相函数和另一个随机数就选定了一个新的传播方向。 只有光子从所考察的容积中逃逸或者它的权值达到一个预 定的截止阈值时，整个过程才算结束。根据Meier 等的观 点，吸收和散射的蒙特卡罗模拟主要由５个步骤组成： 源光子的产生（source photon generation）、轨迹的产生 （ pathway generation ） 、 吸 收 （ absorption ） 、 消 失 （elimination）及检测（detection） 。 Xi’an Jiaotong University 第1章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 （１） 源光子的产生。光子在所研究的介质表面产生。它们的空间和角 度分布与所给定的光源相符， 如高斯光束。 （２） 轨迹的产生。光子产生后， 第一个碰撞点的距离就被确定。吸 收和散射离子在混浊介质中的分布假设是随机的。这样，平均自由程 就为 １/ρσs 式中， ρ为离子的密度； σs为散射有效截面。 ０ ＜ ξ１ ＜ １ 这个随机数由计算机产生， 距离下一次碰撞点的距离L （ ξ１ ）由下式计算： L（ ξ１ ） ＝ ln ξ１/ ρσs 由于 ∫１０ ln ξ１ d ξ１ ＝ － １ Xi’an Jiaotong University 第１ 章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 L（ ξ１ ）的平均值实质上是１／ ρσs 。因此， 这样就得到了一个散射点。散射角由第二 个 符 合 某 种 相 函 数 分 布 的 随 机 数 ξ ２ 所 确 定 ， 如 亨 耶 格 林 斯 坦 相 函 数 （ HenyeyGreenstein phase function） 。其相应的方位角Φ选定为 Φ ＝ ２π ξ３ 式中， ξ３ 为属于０--１ 的又一个随机数。 （３） 吸收。为了解释吸收现象， 对每个光子都加一个相同的权值。当光子进入混浊介 质时， 所有光子的权值相同。由于吸收的存在——— 更精确地说是由于反射的存在， 光子的权值按照exp［ － μα L （ ξ１ ）］而减小， 其中μα 为吸收系数。由于权值发生变 化， 这就引出了第４ 个属于０ ～ １ 的随机数ξ４ 。这样， 修正在步骤（２） 中仅有散射发生的假设， 即只有当ξ４＜a 时， 散射发生， 其中a 为反照率。而当 ξ４＞ a 时， 光子就被吸收， 这就等同于步骤（４） 。 （４） 消失。如果给每个光子都有一个相同的权数时， 此步才能适用。当这个权数达到 某个截止阈值时， 光子就会消失。接着就发射出另一个新的光子， 程序又从步骤（１） 做起。 （５） 检测。对足够量的光子不断重复步骤（１）至步骤（４）后， 在计算机中就可得 到一幅轨迹图， 并且储存在其中。这样， 就可得到入射光子被介质吸收的百分比的统 计说明， 并且得到从介质中逃逸出来的光子的空间分布和角度分布。 W / cm2 Xi’an Jiaotong University §1.3 光与组织相互作用机理 在激光发明后的10年间，通过把各种激光系统应用于各种靶组织，人们 观察了多种潜在的光与组织的相互作用。虽然可以组合的实验参数是 无 限 的 ， 但是 现 在 我 们将 它 们 划 分为 五 种 主 要的 类 型 ： 光化 作 用 （photochemical interactions），热相互作用（thermal interaction）， 光 蚀 除 （ photoablation ） ， 等 离 子 体 诱 导 蚀 除 （ plasma-induced ablation），光致破裂（photodisruption）。 图1-5给出了从多次实验中得到的五种基本相互作用类型的双对数曲线图。 纵坐标表示的是所用功率密度或者辐照度，单位为W/cm2。横坐标表 示的是曝光时间，以秒为单位。两条斜线分别显示了在1与1000之间恒 定的能量通量。时间刻度大体可分为五个部分：连续波或曝光时间大 于1秒的脉冲照射对应于光化作用；曝光时间从1分钟到1s之间对应于 热相互作用；曝光时间从1s到1ns之间对应于光蚀除作用；曝光时间 小于1ns对应于等离子体诱导蚀除和光致破裂作用。 Xi’an Jiaotong University §1.3 光与组织相互作用机理 1015 光致破裂 2 109 光蚀除 等离子体 诱导蚀除 cm J/ 功率密度 (W/cm ) 1012 00 10 图1-5 激光与组织 相互 作用关 系图 ， 圆圈仅大致给出 有关的激光参数 1J /cm 106 103 2 2 热相互作用 100 光化作用 10 3 1015 1012 109 106 103 曝光时间(s) 100 103 Xi’an Jiaotong University §1.3 光与组织相互作用机理 1.3.1 光化作用 对一系列光化作用的了解缘于对实验的观察，即对在大分子或生物组织 内光可以引起化学作用和化学反应的观察。最普通的一个例子是生物 体自身的演化—由光合作用引起的能量释放。在激光医学物理学领域 的光动力学疗法（Photdodynamic Therapy, PDT）中，光化作用机理 起着很重要的作用。通常生物刺激也归因于光化作用，尽管这还不能 在科学上得到证实。 在低功率密度（典型为1）和长时间曝光下（秒以上或者连续波），光 化作用就会发生。对激光参数的选择可在散射占优势的组织中产生一 个辐射分布。在大多数实例都选用波长在可见光范围内的激光器（例 如，波长为630nm的若丹明染料激光器），是因为它们的高发光效率 和高的光穿透深度。如果要达到较深的组织结构，第二个性质就很重 要了。 Xi’an Jiaotong University §1.3 光与组织相互作用机理 1.3.1 光化作用 1.光动力学疗法 激发单态光敏剂 PDT期间，将合适的光敏剂注入 身体中，激光辐照共振激发后， 激发三重态光敏剂 光敏剂发生几种同步或者连续衰 变，形成了分子内部跃迁反应。 最后，这些不同的反应释放出有 荧光 高度细胞毒性的反应物，从而导 致细胞本质结构不可逆的氧化作 用。大多数光致敏物质都属有机 染料系列，它们的电子状态表现 光 出单态（总电子自旋角动量s=0） 基态光敏剂 和三重态（s=1）。而每种电子 状态又被细分为一系列的振动态。 3 单态氧（ O2） 1 氧分子（ O2） Xi’an Jiaotong University 1.3.1 光化作用 1.光动力学疗法 光敏剂的动力学反应列。这些反应类型分别由激发、衰变、类型I与类型 II反应，以及由类胡萝卜素的保护来表征。 激发 单态吸收 衰变 辐射性单态衰变 非辐射性单态衰变 系统间交叉 辐射性三重态衰变 非辐射性三重态衰变 类型 I 反应 氢转移 电子转移 二氧化氢的形成 过氧化物的负离子形成 类型 II 反应 分子内部交换 . 细胞氧化 类胡萝卜素保护 单态氧消失 去活化 S hv1S * 1 S 1S hv （荧光） 1 * 1 S * 1S S 3S * 1 * S 1S hv '' （光敏作用） 3 * S 1S 3 * 3 S * RH SH R 3 S * RH S RH SH 3O2 1S HO2 S 3O2 1S O2 S 3O2 1S 1O2* 3 * O2* Cell Cell OX 1 O2 1CAR 3O2 3CAR * 1 CAR* 1CAR 热 3 1.3.1 光化作用 1.光动力学疗法 Xi’an Jiaotong University 在吸收激光光子后，光敏剂首先转变为受激发的单态。 出现三种可能的衰变途径：非辐射性的和辐射性的单态衰变 为单态基态，系统间交叉衰变为受激的三重态。最后，系 统间交叉又可以通过非辐射性的或辐射性的三重态衰变到 单态基态。辐射性的单态和三重态衰变分别被称为荧光现 象或磷光现象。荧光现象典型的寿命为纳秒数量级，而磷 光现象可持续到数毫秒或秒。这两种选择性反应机理的存 在归因于被称作类型I与II反应的被激发三重态的衰变。它 们可以由自由原子团生成（类型I）或激发能量转移给氧分 子（类型II）来表征。 3 * S 3 1 1 * O2 S O2 1.3.1 光化作用 1.光动力学疗法 Xi’an Jiaotong University 在类型I反应期间，三重态与非氧的靶分子反应，释放出自由中性或离子 化的原子团。与三重态氧进一步反应可以导致二氧化氢或者过氧化负 离子的形成。在类型II反应中，光致敏物质的三重态直接与三重态氧 分子相互作用，转化为受激发的单态。在这个反应期间，电子自旋转 变取向由下面的方式决定：3S* + 3O2 1S 1 SS + O2 受激发的单态氧活性很高，它能使细胞氧化和坏死。例如，Weishaupt 等人实验证明在肿瘤细胞的光敏化作用中单态氧为有毒媒介。为了避 免健康细胞被氧化，在激光曝光后注射进胡萝卜素，这样就将有毒的 单态氧转化为无害的三重态氧。通常类型I和II反应同时发生。到底哪 种机理占优势，主要取决于可得到的三重态氧的浓度以及合适的靶分 子。 1.3.1 光化作用 1.光动力学疗法 Xi’an Jiaotong University 光动力学疗法的实施如下：首先，某种光致敏物质，例如血 卟啉衍生物（hematopor- phyrin derivative，HpD）注射 进病人的静脉。在以后的几个小时内，HpD分布在除脑以 外的所有软组织中。光致敏物质的基本特性是，在没有辐 照时，它没有活性。4872小时后，健康组织中的大部分 HpD已被清除。然而在710天之后的一段时间内，肿瘤细 胞中的HpD的浓度并没有大幅度减少。虽然注射后HpD在 肿瘤细胞中并不立即积累，但这些细胞对HpD显示出很大 的存储能力（亲合力）。肿瘤中HpD的最初浓度与健康细 胞中的相同，但大约三天后，肿瘤细胞中HpD的浓度大约 是健康细胞中的30倍。 Xi’an Jiaotong University 图1-7 光动力学疗法的治疗示意图 Xi’an Jiaotong University §1.3 光与组织相互作用机理 1.3.1 光化作用 2.生物刺激 极低的辐照度，也可以使生物刺激发生，它属于光化作用的范畴。 尽管大量研究能客观测量到激光的热作用、化学作用、压强作用和电 磁场作用，但是难以测量到生物刺激作用的客观指标。因此虽然激光 生物刺激的治病作用已经得到国内外公认，但对于其机理国内外专家 至今仍众说纷纭，莫衷一是。有一种假设认为，弱激光与生物机体相 互作用时，激光是一种刺激源，而生物体内有专门感受各种刺激的感 受器。在生物体内外感受器接受刺激后，引起冲动，传入末梢神经， 到达反应器发生反应。应答性反应是兴奋还是抑制，取决于所用激光 的相对剂量。适当剂量的激光能量作用于生物体一定的部位后作为对 这种适当刺激量的回答性反应，在分子水平上是调整蛋白质和核酸的 合成，影响DNA的复制，调节酶的功能，在细胞水平上是动员代偿、 营养、修复、免疫和其它防御机制来消除病理过程。 1.3.2 热相互作用 Xi’an Jiaotong University 热相互作用代表了一大类相互作用类型，其中局部 温度的升高是最重要的参数变化。激光的热作用 主要是蛋白质或酶的变性和失活，热变化主要是 形态的而不是机能的。光热作用主要是组织吸收 激光能量后把它转化成热能，而导致组织温度升 高。根据组织的不同反应，光热作用又可分为凝 结（coagulation），汽化（vaporization），碳化 （carbonization）和熔融（melting）。 A* + M(E kin ) A + M(E kin + E kin ) 1.3.2 热相互作用 Xi’an Jiaotong University 从微观角度来看，热效应开始时，分子在振动-旋转带内吸收 大量能量，接着分子发生非辐射的衰变。靶分子参加的反应可 被认为分两个阶段。首先，它吸收了能量为的光子使分子处于 受激状态；接着它与周围环境中的部分介质M发生非弹性碰撞， 这样就导致了失活，同时增加了的动能。从微观来看温度的升 高是由于光能转化为动能，这两个过程可以表示为 吸收： A h A* A + M(E kin ) A + M(E kin + E kin ) * 失活： 1.3.2 热相互作用 Xi’an Jiaotong University 这两个过程的效率如何呢？ 两个过程: 第一步，吸收变得容易是因为大多数生命分子以大 量的振动态存在。 第二步，获得失活和热衰变的途径也很多，这是因 为典型激光光子的能量（Er:YAG，Nd:YAG激光： 1.2eV；ArF激光：6.4eV）大大超过了一个分子在 室温下大约仅为0.025eV的动能。这样，只要选择 适当的曝光时间，两个过程效率都会很高。 Xi’an Jiaotong University 1.3.2 热相互作用 组织损伤的程度及空间的广度，主要取决于能量幅 值，曝光时间和生物组织内存储热量的部位。然 而，激光能量的存储，并不仅仅是波长、功率密 度、曝光时间、光斑尺寸以及重复率等激光参数 的函数，在很大程度上它也依赖于吸收和散射系 数等组织光学性质。为了描述热能的存储和传递， 组织热特性如热容量（heat capacity），导热率 （heat conductivity）等都是首要参数。 Xi’an Jiaotong University 1.3.2 热相互作用 图1-8 水对不同波长光的吸收 Xi’an Jiaotong University 1.3.2 热相互作用 表1-2 在不同波长处水的吸收系数和吸收长度L 表 1-2 在不同波长处水的吸收系数和吸收长度 L（引自文献[6]） 波长（nm） 193 248 308 351 514 633 694 800 1053 1064 2120 2940 10600 激光器类型 ArF KrF XeCl XeF 氩离子 氦氖 红宝石 二极管 Nd:YLF Nd:YAG Ho:YAG Er:YAG 二氧化碳 （cm-1） 0.1 0.018 0.0058 0.0023 0.00029 0.0029 0.0056 0.020 0.57 0.61 36 12000 860 L（cm） 10 55 170 430 3400 340 180 50 1.7 1.6 0.028 0.00008 0.001 思考题： Xi’an Jiaotong University 5.组织中的光传输是由什么原因造成的？传输理论主要是处 理什么的估计值问题？ 6.蒙特卡罗模拟的基本思想是什么，其步骤有那5个？ 7.光与组织的相互作用主要有哪5中，其原理及它们的明显区 别是什么？ 8.光动力学疗法的实施过程，光致敏物质起到什么作用？ 9.光热作用又可细分为哪4种？