高中物理 第四章光与组织相互作用

4.1 光在组织中的吸收
物质对光子的吸收是由物质中的原子周围 的电子态决定的，当入射光子的光子频率 与物质的电子态的跃迁频率相一致时，光 子将被这个跃迁的能级态所束缚，即这个 光子被吸收。被吸收的光子将转换成原子 系统内其它的能量（如热能等）。
Lanber-Bouguer 定律
光在纯吸收物质中的 光的吸收和物质的厚
组织中的水特性
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。
组织水可以分成三种类型： 1）强结合的水，普遍地存在于生物体表面，也就是说，细
胞膜的磷脂双分子层表面； 2）弱结合的水，氢基与强结合的分子结合； 3）自由水，氢基自己结合，与纯水的性质类似。 由于氢结合强度对分子振动的影响，有理由认为结合水的
Beer-Lambert 定律
在1852年Beer 给出了在吸收物质溶解在不 吸收的物质中的浓度c与吸收系数成线性的 关系
a c
在n中I 吸 收I0物e质c混l 合的溶液I 中I，01总0吸c收l 系数
为各个消光系数与距离l的总合
A K1 K2 Kn l 1c1 2c2 ncn l
第四章 光与组织相互作用
研究对象：光与混浊的生物组织相互作用而产生 的新学科组织光学，和在光在组织中传输一起作 为研究对象。
研究意义：光在混浊的生物组织中传输完全由生 物组织的吸收和散射特性决定。这些信息能应用 到不同的科学领域，在医学上，组织光学特性的 知识可以应用到癌症的诊断和治疗。组织光学特 性就是众所周知的吸收系数，散射系数，约化散 射系数和各项异性因子。吸收系数给出了组织中 各种生色团的浓度信息，散射特性和各向异性因 子给出了组织中不同散射成分的形状，大小和浓 度信息。


l2 Hb

l1 a
l1 l 2 Hb HbO
l 2 l1 Hb HbO
[HbT ] [Hb] [HbO] [HbO]
SO2 [HbT ]
700
750
800
850
900
wavelength (nm)
脂质吸收特性
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。
Scattering is Caused by Tissue Ultrastructure
结论：为哺乳动物细胞的散射大多数发生在细胞内， 它们在纤维原细胞中有很广泛的分布。波长相关系 数测量中发现对小粒子敏感，并被半径大小在0.2 的粒子的测量结果给出了证明，g值对分布中的较 大的粒子敏感。
- Deoxy-hemoglobin - Oxy-hemoglobin
l2 = 830nm
Hb

l 2 l1 HbO a
l1 l 2 HbO a
l1 l 2 Hb HbO
l 2 l1 Hb HbO
HbO

l1 l 2 Hb a
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23~47%到成人 的68~87%。
猪脂肪红外光谱区（800~1080nm）的吸 收光谱
其它生色团吸收特性
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。
一、瑞利散射
reyleigh散射：假设粒子间分离的足够大，或者粒 子的数量充分小，一般认为粒子的直径小于入射光 波的波长，这样由于光与粒子相互作用后不再与其 它粒子发生再次的作用，所以叫做单次散射理论。
I=f(λ)／λ4
解释分子散射现象：由于分子的热运动破坏了分子 间的相对位置，次波源的分布成为无序的，使分子 所发出的次波到达观察点没有稳定的光程差，不再 相干，因而产生了散射光。计算散射光强度时，直 接把每一个次波的强度叠加起来就可以了。
一个均匀介质中的散射光子遇到另一个散射中心
时，光子的传输方向发生改变，一般新的散射方
向不与原方向相同，这样给出的微分散射系数为，
其中为原方向向量，为散射后的新方向向量；所

有立体角内总的散射给出为
散射相位函数是微分散射系数的归一化s 函 4数ds
s,
s
'
d
s
'
p s, s'
1各种生色团的吸收特性生物组织中一些成分的吸收光谱水黑色素血红蛋白水吸收特性组织中的水特性血红蛋白吸收特性含氧和去氧血红蛋白的吸收光谱innirregionhbandhboaremajorsensitiveabsorberextinctcoeffcm1molliterwavelengthnm6507007508008509005001000150020002500300035004000deoxyhemoglobinoxyhemoglobin1690nm2830nm11221hb2?hb21?hb1221hb2112hbohbhbohbhboaahbohbhboahboahbo??????2hbthbosohbohbhbt脂质吸收特性其它生色团吸收特性42生物组织的光散射421光散射理论一瑞利散射多次光散射理论mie理论光在组织中的散射scatteringiscausedbytissueultrastructure光的透射生物组织的光学特性光子漫射理论模型光的吸收特性和散射特性的分析理论光的吸收特性和散射特性的传输理论生物医学光子漫射场的分析方法随机游走模型光在生物组织中的随机行走模型蒙特卡罗模拟方法蒙特卡罗方法基本思想蒙特卡罗方法基本思想光传输的蒙特卡罗模拟整个过程几个步骤
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。
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
生物组织中一些成分的吸收光谱（水，黑色素， 血红蛋白）
4.2 生物组织的光散射
。对生物组织来说，生物组织是浑浊的介质，散 射特性尤为突出。我们只集中在细胞的散射特性。 特别是散射和细胞形态学之间的关系，和细胞的 那一部分对散射起了主要作用。
对光散射起源于细胞的基础理解和对癌症和一些 组织病理学的非侵入式诊断技术有关。例如，光 学x线断层摄影术、弹性散射光谱学和光子迁移技 术的发展都是因为非侵入式诊断在某种程度上与 光散射产生测量信号。
生物组织的光学特性
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。
Reflection Transmission Scatter Absorption
Interactions based on: • Laser (Wavelength, Spot Size, Pulse Duration, Fluence) • Tissue Characteristics
度之间的关系 I I 0e al
吸收系数μa可以理解 为光子被每单位长度 的物质吸收的可能性。 吸收系数的倒数理解 为吸收长度，就是吸 收e-1光子能量所需
要的距离。 I I 010 Kl
物质的吸收定义为入射与出射强度的10的 对数比。
A log I0 Kl I
瑞利散射定律 ：
光进入介质后，将使介质的电子受迫振动， 产生次波，这些次波向各方散射，每个次 波的振幅是和它的频率ω平方或波长平方 的倒数成正比。于是散射光强和波长的四 次方成反比，即
I∝ω4∝
1
l4
I=f(λ)／λ4
多次光散射理论—Mie理论
散射粒子的浓度增加时，光离开这个 系统前被多次散射，光可以以各种轨 道不同的路径长度出射，
4.2.1 光散射理论
光的散射：光线通过均匀的介质或两种折 射率不同的均匀介质的界面，产生光的直 射、折射或反射等现象。这仅限于给定的 一些方向上能看到光线，而其余方向看不 到的。当光线通过不均匀介质(例如空气中 含有尘埃)时，我们可以从侧面清晰地看到 光线的轨迹，这种现象称为光的散射。
光的散射理论分成两种类型：单次散射和 多次散射。
Beer-Lambert定律适用于条件：
入射到物质的光必须是单色光和极好准直 的光，物质也必须是纯的，均匀吸收的物 质。这样应用这个定律在实际光谱测量时 必然产生误差，即使激光也不是绝对单色 的。
4.1.1 各种生色团的吸收特性
光的吸收 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的
水吸收特性
水是人体中最丰富的化学物质，约占人体质量的 60~80%。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200~20000nm。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。
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
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。
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 40~45%。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。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）。
The following summarizes the analysis of what lasers
do to dentin and bone:

1
s
ds
s, s'
dps s, s' ds 1
4
散射角的平均余弦g即为散射的各项异性因子
g p cos ds&有角度p是 相等的，g将等于0。随着粒子尺寸的增加，在前 向方向上光子能量分布增加。
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(θ)；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(θ)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 为形态学特征对光学散射起什么样的重要作用提供了线索。
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。
光的透射
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。
Scattered and reflected
s

s’
Scattered and absorbed
al, sl, g
Scattered and transmitted
结合散射系数和各向异性因子给出传输散射系数，
也叫约化散射系数

' s

1
g s
传输衰减系数
t


' s
a
衰减系数的倒数就是传输平均自由程。
光在组织中的散射
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10～30之间，原子在3～10之间，线粒体的长度在1～ 4之间，直径在0.3～0.7之间。球形的溶酶体和过氧物酶体 直径大约在0.2～0.5之间。
含氧和去氧血红蛋白的吸收光谱
In NIR Region, Hb and HbO are Major Sensitive Absorber
extinct coeff (cm-1/mol/liter)
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
650
l1 = 690nm
在流动血细胞中，最小角度的散射来于细胞本身。 原子和线粒体的悬浮液测量表明小角度光散射主要 来于较大的粒子如原子的散射，较大角度散射主要 来于小的细胞器官和细胞器官的一部分结构。散射 光的角度和散射粒子大小有相互关系。
大多数散射发生在细胞内的器官意味着细胞形状对 组织的散射特性有很小影响。散射特性对细胞大小 的独立性不仅为借助光散射组织诊断建立科学基础 还是对设计光学测量仪器都有着重要的意义。