生物光子学3-02

Application: OCT (optical coherence tomography)
无法应用L-B Application： DOT (diffused optical tomography)
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3.4 光与生物组织的相互作用
3.4.3 生物组织与荧光
1.生物组织的荧光效应
2.荧光发光的表征
§3.4.2

组织对光的散射
散射效应 弹性散射 非弹性散射
组织体出射光子的分类和修正的朗伯－比尔定 理
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3.4 光与生物组织的相互作用
1、散射效应
反射、折射、漫反射和散射
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3.4 光与生物组织的相互作用
（1）反射遵守菲涅尔（Fresnel）定律，即入射角等于反射角且入射光线和 反射光线在同一个平面内。
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3.4 光与生物组织的相互作用
1）单个粒子的散射、散射截面 散射截面(scattering cross-section)
A
geometrical cross-section
s = Q s A
effective cross-section
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3.4 光与生物组织的相互作用
Pin I 0 A
I I 0 e t l1 l1 B l
为光学距离
modified Lambert-Beer’s law
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3.4 光与生物组织的相互作用

出射光子的分类

对于生物组织这样的混沌介质，如果以超短激光脉冲入 射，则出射的光可以按照其在组织体中传播的时间被分 为三类。
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3.4 光与生物组织的相互作用
发生在组织体内的弹性散射
瑞利散射和米散射均不能很好地描述光在生物组织体发生的散射过程， 此时需要定义一个用来度量散射各向异性的量或称为各向异性系数。 21
3.4 光与生物组织的相互作用
2）多个粒子的散射、散射系数 散射系数（scattering coefficient）
• 如果单位体积内具有ρ个散射粒子，每一个粒子的散射截面均为σS， 定义散射系数为
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3.4 光与生物组织的相互作用
思路：对路径进行修正
OD cBl G
Beer定理：
OD cl
G：代表背景引起的损耗 B：称为路径因子(differential pathlength factor, DPF)， 描述由散射引起的光传播路径的加长。 则Lamber-Beer 定理可以写成：
3.4 光与生物组织的相互作用
弹性散射的分类：
根据尺度参数的大小，弹性散射可分为三类：
following Fresnel & Snell Laws
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3.4 光与生物组织的相互作用

瑞利散射(x<<1)：

散射强度和观察方向的关系：散射光强度随观察方向变化，并且由 于瑞利散射和散射角余弦的平方有关，因此瑞利散射前后向对称。

散射强度与波长的四次方成反比，散射截面以及散射光强度随波长 增加而减小。
Q: 解释大气对太阳光的散射，晴天天空是蔚蓝的。正午的太阳基 本呈白色的？（因为在大气散射的太阳光中，短波长光占优势）
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3.4 光与生物组织的相互作用

米散射(0.1<x<50) ：


对波长的依赖性弱；
散射粒子的尺寸与光波长相近时，散射光强度的对称性被破坏； 散射具有强烈的前向趋势，且随着颗粒尺寸的增加，散射的前向 趋势也随之增大。
s s
• 在具有多种散射体的混合媒质情况下，总的散射系数由下式决定：
s ( ) s,i ( ) i s,i ( )
i i
• 经过距离 l 后没有被散射的光强可表示为：
I I0e sl
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3.4 光与生物组织的相互作用
3、非弹性散射：
在散射过程中入射光量子和被测分子之间进行能量交换， 即散射光波长和入射光波长不相等，这类散射称为非弹性 散射。 非弹性散射可能发生在两种情况下，一是当光被移动 着的微粒所散射，发生多普勒频移；另一种是发生拉曼散 射，即分子振动态的变化使散射光产生频移。
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内容回顾
4. 组织对光的传播产生吸收、散射、折射和反射；
在弱光照明（如普通照明灯或连续激光光源）下组织的光吸收为线 性吸收，可由朗伯- 比尔定律来描述，即薄层材料所吸收的辐射能 与总辐射能的比值，依赖于吸收物质的性质以及入射光波长和吸收 层的厚度；
组织吸收的表征：吸收截面、吸收系数； 近红外光测量和治疗的光学窗口（600-900nm，NIR window）；
描述组织对光的吸收程度随光波长变化的曲线即为吸收光谱，通常 以吸光度或吸收系数作为纵坐标，以波长或波数作为横坐标来表示。
4
3.4 光与生物组织的相互作用
3.4.1 组织对光的吸收 3.4.2 组织对光的散射
3.4.3 生物组织与荧光
3.4.4 光热效应和光声效应 3.4.5 光化学效应
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3.4 光与生物组织的相互作用
• 对于足够薄的媒质（光传播路径小于平均散射自由程），多次散射可以 被忽略，假设入射光强I0，可以得到经过厚度为l的组织体后的光强为：
I I0e al
• 光学厚层媒质，由于多次散射作用增加了光子在组织体中传输的路
径长度，因此也极大地增加了光子被吸收的可能性。 可以肯定的是：
I' I
修正的朗伯－比尔定 理(modified Lambert-Beer’s law, MLBL)
强散射性正是源于组织体折射率的半微观上的不均匀性！ 物质的粒子性
宏观尺度（macroscopical level)：如果组织体的不均匀尺度远大于波长 的数量级，例如处理组织体边界、组织体和探测器以及组织体之间的区 域时，我们称之为宏观尺寸—发生折射，反射，漫反射 11
3.4 光与生物组织的相互作用

出射光子的分类

通常三类出射光子中漫散射光占大多数； 弹道光和蛇形光又被统称为早期到达光。
。
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3.4 光与生物组织的相互作用
（1）弹道光的特点 光子具有相同的且最短的光子飞行时间。 在光的入射方向出射。 保持了入射光的相干性。 （2）蛇形光的特点 飞行时间略长于弹道光。 出射方向分布在入射光方向周围较小的立体角内。 基本保持了入射光的相干性。 （3）漫射光的特点 经过不同的路径到达表面，在组织内传播所经历 的飞行时间差异很大。 组织体的表面的出射光强是一个时间分布曲线 （temporal profile），分布曲线的形状不但和组织体 厚度有关而且和组织体的光学参数有关。 出射方向几乎是任意的。 不再保持相干性。 共性 可应用L-B 穿透深度小
Psca I0 s
Pout I0 ( A s )
散射的定义
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3.4 光与生物组织的相互作用
散射截面表示了入射光强度和散射功率之间的比例关系。（A）入射光束到达散 射体之前，其功率是均匀的，Pin=I0A，其中I0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传播方向，光束的强度不再均 17 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。
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3.4 光与生物组织的相互作用
多普勒频移
多普勒效应是为纪念克里斯琴· 多普勒· 约翰（Doppler, Christian Johann）而命名的，他于1842年首先提出了这一 理论。 主要内容：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动 而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较 短，频率变得较高 （蓝移 blue shift）；当运动在波源后面 时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低 （红移red shift）。 例如，火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从 近而远时汽笛声变弱，音调变低。 24


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3.4 光与生物组织的相互作用

拉曼散射

拉曼散射的应用：
（a）肺癌组织和（b）正常组织的拉曼光谱
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3.4 光与生物组织的相互作用
4、组织体出射光子的分类和修正的朗伯－比尔定理 • 定义结合了吸收和散射之后的新参数 浑浊介质（turbid medium）:同时存在吸收和散射的介质。 总衰减系数(total attenuation coefficient)：
主讲人：刘立新
lxliu@xidian.edu.cn 西安电子科技大学
第3章
光与生物体的相互作用
内容回顾
1. 光与生物体的相互作用：吸收、反射、折射、散射、发光、 光化学、光声等多种表现形式或现象；
2. 光与分子的相互作用，是光与生物体相互作用的基础；
3. 光与细胞的相互作用会引发一系列连锁反应，并产生物理、 热力学、机械或化学上的各种变化，但这些大部分是由光 的线性吸收引发的；
（2）折射遵守斯涅尔（Snell）定律，即n1sinθ1=n2sinθ2；在激光医学的应用 中，只有当光照射到角膜这样的透明介质时折射才起重要作用。
组织体的折射率在红光及近红外波段一般取为1.4。 水为 1.33， 脂肪组织约为1.45， 牙等硬组织为1.62， 其它组织为 1.36-1.40
3.生物组织的自体荧光与外荧光
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3.4 光与生物组织的相互作用 Fireflies
A Firefly at night with its abdomen lit up.
Fireflies at night, exposure time 30 seconds
Bioluminescence!
Glow sticks

散射的类型（根据光量子和被作用分子是否有能量交换）
瑞利散射 寸） 弹性散射（根据粒子尺 散射 米散射 非弹性散射- -拉曼散射
频率高的光子表现出的粒子性强， 频率低的光子表现出的波动性强。
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组织中光散射分类
3.4 光与生物组织的相互作用
2、弹性散射
所谓的弹性散射是指散射光和入射光具有相同的波矢 和波长，即光量子和被作用分子间没有能量的交换。
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3.4 光与生物组织的相互作用

光在组织体中的散射被认为是由于组织体的密度、折射率、 介电常数等的空间杂乱分布引起的，散射改变了光子的传播 方向。 10
3.4 光与生物组织的相互作用
散射与组织体的均匀性相关联！
如果尺度达到可见光波长数量级的组织小块间存在折射率的较大差异， 光线除了按照几何光学规律传播发生反射和折射外，还会发生散射。
入射光方向
入射光方向
散射粒子尺寸变大
Mie散射的散射光强随着粒子尺寸的变大具有更强烈的前向趋势 Q: 解释白云为什么是白色的？（因为其中的小水滴的尺寸接近于可见 光波长，可见光在小水滴上产生米散射，又由于散射光强和光波长的 20 关系不大，所以云雾看起来是白色的。）
3.4 光与生物组织的相互作用

t a s t
总衰减截面(total attenuation cross section) ：
t a s
平均自由程(mean free path):
a
lt
s
1
t
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光漫反照率(optical albedo):
a s
3.4 光与生物组织的相互作用
光在组织体中的传播速度约为0.21mm/ps （3）对于生物组织来说由于其表面的粗燥度大于辐射的波长，因此会出 现漫反射，此时被反射的许多光束向不同的方向无规则地反射，反射光线 并不一定处于同一平面。 8
3.4 光与生物组织的相互作用

当光垂直照射某些介质时，在光的传播方向之外，甚至在 媒质的侧面也会看到光束的轨迹，这种现象无法用反射或 折射现象来解释。
3.4 光与生物组织的相互作用
拉曼散射
弹性碰撞：瑞利散射 非弹性碰撞：拉曼散射
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3.4 光与生物组织的相互作用
• 关于拉曼散射的讨论：
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3.4 光与生物组织的相互作用

拉曼散射

拉曼散射与入射光的波长无关，只与物质本身的分子结 构和振动有关。
可被用于研究物质化学组成和分子结构，尤其是介质中 分子的振动能级。 当入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能 量和光子能量相叠加，因此利用拉曼光谱可以把处于红 外区的分子能谱转移到可见光区来观测。
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3.4 光与生物组织的相互作用
1、生物组织的荧光效应 • Fluorescent cells: Bovine pulmonary arthery endothelial cells
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3.4 光与生物组织的相互作用
ห้องสมุดไป่ตู้荧光是如何产生的？
动力学过程: