激光生物醫(yī)學(xué)組織光學(xué)特性課件

第三章

生物組織的光學(xué)特性1第三章

生物組織的光學(xué)特性1本章將介紹各種生物組織，特別是易于暴露在光輻射下或感光的組織如皮膚和眼睛的各種光學(xué)特性。2本章將介紹各種生物組織，特別是易于暴露在光輻射下或感光的組織第一節(jié)皮膚的光學(xué)特性皮膚是人體的外墻，它覆蓋了人體全部表面，是人體接觸外界光線最為廣泛的組織。在用光和激光治療疾病時，也往往通過皮膚進(jìn)行。因此，掌握皮膚的光學(xué)特性，尤其是對光的反射、透射和吸收規(guī)律，對于研究光的生物效應(yīng)、光的治療劑量和對皮膚的損傷閾值具有重要意義。3第一節(jié)皮膚的光學(xué)特性皮膚是人體的外墻，它覆蓋了人體全部表面太陽光組成：紫外線、可見光、紅外線光物理學(xué)特性4太陽光組成：紫外線、可見光、紅外線光物理學(xué)特性4（一）紫外線分類長波紫外線UVA320-400nm中波紫外線UVB280-320nm短波紫外線UVC200-280nm（二）可見光分類（三）紅外線770nm-1mm，熱效應(yīng)強(qiáng)，常作為熱源。5（一）紫外線分類（三）紅外線5一、皮膚對光的反射皮膚對光的反射有兩個特點(diǎn)：1.是漫反射不是鏡面反射。其原因是皮膚角化層表面粗糙不平，使之表現(xiàn)如同磨砂玻璃。6一、皮膚對光的反射皮膚對光的反射有兩個特點(diǎn)：62.皮膚對激光的反射與波長有關(guān)√因為體表的部位不同，皮膚顏色的深淺不同，表面粗糙程度不一，以及組織中脂肪含量、含水量、血流狀況、血紅蛋白含量、色素多少等生物學(xué)方面的差異，所以不同皮膚對波長光輻射的反射也不同。圖2各種皮膚反射率與光波長的關(guān)系72.皮膚對激光的反射與波長有關(guān)√因為體表的部位不同，皮膚顏色從右圖可以看出：1.皮膚對紅色光和近紅外光之間的波長反射率較大。2.各種膚色皮膚對波長短于300nm的紫外線和波長長于2um的遠(yuǎn)紅外線的反射率都一樣，而且反射很弱，僅為5%3.可見光400~760nm范圍內(nèi)白色皮膚的反射率比黑膚色皮膚的反射率大，故要在皮膚獲得同等的生物效應(yīng)，對黑色皮膚的輻照劑量可比白色皮膚小。4.白色皮膚對He-Ne激光（波長0.6328um）的反射率為CO2激光（波長10.6um）的10倍，因此要達(dá)到同樣的生物效應(yīng)，He-Ne激光的輻照劑量應(yīng)為CO2激光的10倍。5.在可見光的范圍內(nèi)，不論白皮膚或黑皮膚對光的反射均隨波長增加而增加。8從右圖可以看出：3.可見光400~760nm范圍內(nèi)白色皮膚的二.皮膚對光的吸收和透射皮膚的光學(xué)特性：√1）皮膚主要吸光物質(zhì)：

√血紅蛋白含氧血紅蛋白，（415540580nm）黑色素（廣譜吸收）β-胡蘿卜素膽紅素水（紅外線）一水二白三素√9二.皮膚對光的吸收和透射皮膚的光學(xué)特性：√9實線-反射光譜虛線-透射光譜10實線-反射光譜10（一）波長與生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系可見光范圍內(nèi)波長越長，能量越小，穿透能力越強(qiáng)。每種分子只吸收特定能量的光子，這是光療和激光治療的理論基礎(chǔ)。（二）光對皮膚的影響1、紫外線對皮膚的影響（1）UVA：能穿透玻璃，對皮膚可深達(dá)真皮，誘導(dǎo)即刻黑化和持續(xù)性黑化，參與光敏反應(yīng)，導(dǎo)致皮膚曬黑、出現(xiàn)光老化。11（一）波長與生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)系11（2）UVB：可被玻璃阻擋，對皮膚作用于表皮，其損傷表現(xiàn)為在表皮內(nèi)出現(xiàn)日曬傷細(xì)胞，臨床出現(xiàn)日曬傷表現(xiàn)。12（2）UVB：可被玻璃阻擋，對皮膚作用于表皮，其損傷表現(xiàn)為在2、可見光對皮膚的影響紅光、藍(lán)光等治療痤瘡。3、紅外線對皮膚的影響穿透能力強(qiáng)，加熱組織促進(jìn)血液循環(huán)和新陳代謝可用于消炎和促進(jìn)組織新生132、可見光對皮膚的影響13皮膚光生物類型根據(jù)皮膚經(jīng)日光照射后產(chǎn)生紅斑和（或）黑化的不同反應(yīng)劃分。皮膚的光生物類型不等于膚色。14皮膚光生物類型根據(jù)皮膚經(jīng)日光照射后產(chǎn)生紅斑和（或）黑化的不同2）皮膚是不均勻的吸收體，所以吸收系數(shù)μ是一等效值?！?）皮膚對光的吸收遵從指數(shù)衰減規(guī)律√隨著深度的增加，吸收指數(shù)衰減152）皮膚是不均勻的吸收體，所以吸收系數(shù)μ是一等效值?！?54）皮膚對激光的吸收與波長有關(guān)√164）皮膚對激光的吸收與波長有關(guān)√165）對光的吸收系數(shù)越大，則光的透入深度越淺√175）對光的吸收系數(shù)越大，則光的透入深度越淺√17但不能由此得出結(jié)論認(rèn)為只要考慮吸收系數(shù)這一參數(shù)就夠了。因為當(dāng)入射光足夠強(qiáng)時，也可以有相當(dāng)?shù)墓獾竭_(dá)組織深處，從而引起生物效應(yīng)。所以在考慮激光對生物的作用時，生物組織對光的吸收系數(shù)和光的透射深度兩個參數(shù)都要注意。18但不能由此得出結(jié)論認(rèn)為只要考慮吸收系數(shù)這一參數(shù)就夠了。因為當(dāng)此外，還可以利用光學(xué)的方法，把入射光束通過會聚的光學(xué)系統(tǒng)，使光束的焦點(diǎn)不在皮膚的表面，而深入到皮下某一處，從而使達(dá)到20-25mm深處的激光還有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，換言之在皮膚下3-4mm深處的激光強(qiáng)度有可能比在皮膚表面還要強(qiáng)，利用這種方法，可以直接使激光的焦點(diǎn)會聚在皮下的病灶上進(jìn)行治療，既不需切開皮膚，也不會對皮膚造成損傷。19此外，還可以利用光學(xué)的方法，把入射光束通過會聚的光學(xué)系統(tǒng)，使6）如同反射一樣，光的吸收還因膚色不同而不同。206）如同反射一樣，光的吸收還因膚色不同而不同。20第二節(jié)眼的光學(xué)特性眼是人體的感光器官，光在眼球從外到里經(jīng)過4部分，分別為角膜、水狀液、晶狀體、玻璃體。光入射到眼內(nèi)時，在這各層中發(fā)生反射、折射、散射、吸收與偏振，然后投射到視網(wǎng)膜上。21第二節(jié)眼的光學(xué)特性眼是人體的感光器官，光在眼球從外到里經(jīng)過一、眼的光學(xué)參數(shù)下表列出了眼球各部分介質(zhì)的折射率，可見，盡管晶狀體折射率的絕對值是最大的，但因為與前后介質(zhì)的折射率差別比不上角膜與眼外空氣的折射率差別，所以光在眼球上最大的折射發(fā)生在角膜與空氣的界面上。水的折射率1.332-1.333，空氣折射率1.0003眼介質(zhì)折射率角膜1.376水狀液1.336晶狀體1.38（外）；1.41（內(nèi)）玻璃體1.33722一、眼的光學(xué)參數(shù)下表列出了眼球各部分介質(zhì)的折射率，可見，盡管眼各介質(zhì)的吸收光譜

23眼各介質(zhì)的吸收光譜

231.角膜對波長短于0.28um的遠(yuǎn)紫外線吸收率接近于100%，角膜結(jié)膜炎。√墨鏡的選擇第一要素是濾除紫外線241.角膜對波長短于0.28um的遠(yuǎn)紫外線吸收率接近于100%波長在1.4-1.9um的中紅外線，基本被角膜和水樣液吸收，對波長1.9um以上的中紅外線和遠(yuǎn)紅外線，角膜是唯一的吸收體，所以角膜易于受遠(yuǎn)紅外線加熱，使角膜燒傷?！?.晶狀體對紫外線的吸收類似角膜。晶狀體是近紅外線0.78-1.4um的主要吸收體，晶狀體吸收近紅外線會使α和γ晶體蛋白首先分解為較小單位，然后在持續(xù)輻照后，使β晶體蛋白中分子量較小的亞單位消失，凝聚成分子量較大的不溶硬蛋白，硬蛋白的出現(xiàn)破壞了晶體中膠原纖維的超顯微結(jié)構(gòu)，因而散射增強(qiáng)。導(dǎo)致透明度的部分喪失，也就是白內(nèi)障的產(chǎn)生。25波長在1.4-1.9um的中紅外線，基本被角膜和水樣液吸收，玻璃體對光波長沒有特征吸收3.只有可見光和近紅外線到達(dá)眼底，（因為紫外線以及遠(yuǎn)紅外線被角膜及晶狀體吸收完了），除一小部分為眼底反射外，大部分通過視網(wǎng)膜√26玻璃體對光波長沒有特征吸收26√0.280.781.41.9μm角膜，晶狀體角膜唯一角膜，水狀液晶狀體27√0.280.781.41.9μm角膜，晶狀體角膜唯一角膜，激光防護(hù)鏡眼睛是人體對激光最敏感的器官，由于眼對光的聚焦作用可使視網(wǎng)膜上能量密度增高105倍，因此低劑量照射就可引起視網(wǎng)膜的嚴(yán)重?fù)p傷而導(dǎo)致視力下降直至失明。28激光防護(hù)鏡眼睛是人體對激光最敏感的器官，由于眼對光的聚焦作用各國相應(yīng)地制定了激光防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。早在1962年美國就提出了一些激光安全輻照限。從防護(hù)原理來看，目前激光防護(hù)材料可分為三大類：一是基于線性光學(xué)原理的激光防護(hù)，它包括吸收型、反射型和吸收/反射復(fù)合型；二是基于非線性光學(xué)原理的激光防護(hù)，它主要利用三階非線性光學(xué)效應(yīng)，包括非線性吸收、非線性折射、非線性散射和非線性反射；三是基于相變原理的激光防護(hù)。

現(xiàn)在我國使用關(guān)于激光安全的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)有：

CJB-2408-95激光防護(hù)眼鏡防護(hù)性能測試方法

GJB-1762-93

激光防護(hù)眼鏡生理衛(wèi)生防護(hù)要求JB/T5524-91實驗室激光安全規(guī)則

29各國相應(yīng)地制定了激光防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。早在1962年美國就提出了激光防護(hù)鏡有多種類型，所用材料不同，原理各異，應(yīng)用場合也不同。因此，要提供對激光有效防護(hù)，必須按具體使用要求對激光防護(hù)鏡進(jìn)行合理的選擇。選擇防護(hù)鏡時，首先根據(jù)所用激光器的最大輸出功率（或能量）、光束直徑、脈沖時間等參數(shù)確定激光輸出最大

輻照度或最大輻照量。而后，按相應(yīng)波長和照射時間的最大允許輻照量（眼照射限值）確定眼鏡所需最小光密度值，并據(jù)此選取合適防護(hù)鏡。防護(hù)鏡光密度值越大越好30激光防護(hù)鏡有多種類型，所用材料不同，原理各異，應(yīng)用場合也不同選擇的具體條件主要有：

1、最大輻照量Hmax(J/m2)或最大輻照度Emax(W/m2)；

2、特定的防護(hù)波長；

3、在相應(yīng)防護(hù)波長的所需最小光密度值Dmin；

4、防護(hù)鏡片的非均勻性、非對稱性、入射光角度效應(yīng)等；

5、抗激光輻射能力；

6、可見光透過率；

7、結(jié)構(gòu)和外形。

31選擇的具體條件主要有：

1、最大輻照量Hmax(J/m2型號防護(hù)波段(nm)光密度可見光透過率認(rèn)證鍍膜顏色EC2190-398

9000-110007+

7+93%EN207無EC3190-380

9000-110007+

7+90%EN207無BD1190-4105+45%EN207無YLW190-450

451-4606+

5+50%EN207黃色ARG190-5327+48%EN207橙色ZSY190-400

532

5616+

2+

5+26%EN207紅色ZS2190-400

532

5616+

6+

6+19%EN207紅色TRC190-400

575-5796+

5+26%EN207紫色指標(biāo)參數(shù)：

32型號防護(hù)波段(nm)光密度可見光透過率認(rèn)證鍍膜顏色EC219TP2650-<655

>685-690

655-685

770-<785

785-830

>830-8452+

2+

3+

2+

3+

2+36%EN207淺綠色DIW190-400

405-420

585-625

626-7105+

3.5+

2.5+

3+15%EN207綠色ML3190-400

630-660

800-915

660-670

780-9205+

3+

3+

2+

2+16%EN207藍(lán)色I(xiàn)RD2190-400

785-830

830-17005+

2+

3+23%EN207黃/綠色I(xiàn)RD190-450

820-17205+

3+19%EN207綠色I(xiàn)RD5190-480

800-1790

820-950

>950-1400

>1400-17505+

5+

6+

7+

6+16%EN207綠色33TP2650-<655

>685-690

655-685

7第三節(jié)其他生物組織的光學(xué)特性

各種生物組織的光學(xué)性質(zhì)可歸結(jié)為如下的特性：1.光透過軟組織比透過皮膚和硬組織容易一些，換言之軟組織對光的吸收較弱。2.有色組織對光的吸收比無色組織大，這是因為有色組織含有較多色素3.有色組織對光的吸收具有波長選擇性。34第三節(jié)其他生物組織的光學(xué)特性

各種生物組織的光學(xué)性質(zhì)可歸結(jié)為就可見光來說，若光的顏色和組織色素的顏色互為補(bǔ)色，則組織對光的吸收最多。故用藍(lán)色的Ar+激光照射血紅蛋白易于被吸收而使之形成血液凝結(jié)（凝血），對無色腫瘤注入具有與激光顏色互補(bǔ)的藥物，使之更易于吸收光能來破壞腫瘤細(xì)胞。（光動力療法）35就可見光來說，若光的顏色和組織色素的顏色互為補(bǔ)色，則組織對光圖4-10比較了深部組織（皮下3mm以下與皮膚表層（0.4mm）以內(nèi)）對不同光波的線性吸收系數(shù)