试卷：生物医学光学

《生物医学光学》工程硕士班考卷

任课教师：王成王殊轶

姓名学号专业生物医学工程

简答题：

1、简述组织光学的研究内容；

2、论述荧光的产生原理及其最新的应用进展。

3、光与组织相互作用的生物学效应有哪些？

4、细胞弹性散射研究现状及其进展。

5、简述激光共聚焦显微镜与OCT成像的基本原理。

6、什么是拉曼散射？其特点是什么？如何进行拉曼散射光谱

测量？当前的应用有哪些？

7、请针对一种光学仪器，介绍一下最新的发展动态与新趋势。

8、医疗器械可用性设计的参照的标准是什么？

9、结合自己的工作实际，谈谈人因工程设计是怎样开展的。

1.答：组织光学是研究生物组织光学特性的学科，它既是医学光子技术的理论基础，也是进一步发展光医学的前提。组织光学的首要任务是确定光辐射能量能在一定条件下在组织体内的分布，其次是发展活体组织光学特性的测量方法。组织光学主要研究以下几个方面：光在组织中的传输理论、组织光学特性参数的测定方法与技术、光计量学、光动力学、生物组织的实体光学模型、人体光学成像技术等。作为一门新的学科，组织光学随着生物医学光学的发展而萌芽发展，近年来也已经初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论远未成熟，有待进一步的研究实践。

2.答：吸收外来光子后被激发到激发态的分子，回到基态时，丢失的能量以光子发射的形式释放出来，则放出来的光就是荧光。也就是说，具有荧光性的分子吸收入射光的能量后，电子从基态跃迁至具有相同自旋多重度的激发态。处于各激发态的电子通过振动驰豫、内转换等无辐射跃迁过程回到第一电子激发单重态的最低振动能级，再由这个最低振动能级跃迁回到基态时，发出荧光。荧光的应用主要是以下几个方面：①物质定性。利用不同荧光物质有不同的激发光谱和发射光谱进行物质鉴别。②定量测定。较低的浓度下荧光强度与样品浓度成正比，且灵敏度高。利用这一特性可以对含荧光组分的样品，如氨基酸、蛋白质、核酸其中的荧光组分进行定量测定。③研究生物大分子的物理化学特性及其分子的结构和构象。由于荧光的激发光

谱、发射光谱、量子产率、荧光寿命等不仅和分子内荧光发色基团本身结构相关，还对其周围环境十分敏感，因而可以测定荧光参数的变化来研究荧光发色基团所处位置的微环境的状态及其变化。利用外源性荧光染料分子作为“荧光探针”来研究生物大分子的结构和变化。

④利用荧光寿命、量子产率等参数研究生物大分子中的能量转移现象，利用这些结果来研究分子之间的相互作用等。

3.答：光和生物组织体相互作用的几种表现形式或现象，包括吸收、反射、折射、散射、发光、光化学、光声等现象。吸收是光和生物组织体相互作用的一种基本形式，其结果光强随着光在组织中传播距离的增加而不断减小，未被吸收的光经组织体边界出射，就得到了透射光。而组织体的宏观或微观的不均匀性可导致光传播方向的改变，这一作用结果产生了反射、折射和散射现象。当具有合适能量的光入射到组织体上时，光吸收可能使电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，当然也有可能使分子实现不同的振动能级之间的跃迁；而电子从高能级到低能级的衰变过程中也可采用无辐射跃迁的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉，从而形成了光热、光声、光电导等现象。光可以作为诊断的工具，光也可以影响细胞或组织体，此时光就可以用来作为治疗的工具，光热效应就是光作为治疗工具的一种典型代表。光与组织相互作用的生物学效应有：组织体对光的吸收效应；组织体对光的散射效应；组织体发光效应；光热效应和光声效应；光化学效应。

4．答：研究组织的散射特性对于光学诊断和治疗都具有指导性的意义。光与生物组织相互作用的主要形式是吸收和散射。对细胞来说,由于内部各成分的含量较小，对光学特性的影响较弱，病理学家分析肿瘤特征的主要依据是细胞的形态,癌变细胞具有一些独特特征，如细胞核质比、细胞核形状、细胞边界等的差异，癌细胞形态变化使光在组织中的传输特性改变，影响到细胞的光散射特性。近年来，生物细胞的光学检测方法得到了长足发展，活体组织光学检测技术的发展主要是由于可见和近红外光对于活细胞和生物组织是比较好的选择，可以方便地检测细胞在自然生长状态的结构和功能,并进行活细胞病理研究和在体组织诊断。光散射光谱和弹性散射光谱被应用到生物研究和癌症检测技术中，最近已经发展到亚细胞量级的检测技术，目前正在为早期癌变组织的光检测提供必要的理论依据和实验基础。当前,在体、实时、细胞水平的组织成像已经有了广泛的实验研究，很多都是在细胞光散射特性的基础上获得细胞水平组织图像的一些实验手段，对于细胞散射的理论问题和细胞的散射技术与光谱技术结合形成细胞散射光谱分析研究较少。现主要给出了当前细胞光散射的理论方法：(1)同心椭球模型理论以细胞的结构特征出发建立起来，运用修正的瑞利-德拜-甘斯近似理论作为依据，最终得到包含形体、线度和折射率信息的形态因子来表征细胞对其散射光的影响。(2)细胞器共聚焦散射理论，采用标量波模型，米散射理论建立散射光强表达式，忽略了细胞壁的限制，直接检测单个细胞器的线度分布和形体特征对散射显微光谱的影响。(3)多细胞器的细胞散射理论，采用时

域有限差分法，依据Maxwell方程,得到远场散射函数、各向异性因子和散射截面函数，从而表征单个细胞中由于各细胞器不同，导致散射光的变化。细胞散射的光学检测手段中，弹性光散射光谱技术是传统的测量光散射方法与光谱仪测量相结合的技术，可以测量细胞溶液或单层细胞随着波长和散射角变化的散射光谱，检测细胞内部各细胞器的结构特征。共聚焦光吸收与散射光谱显微技术以细胞器共聚焦散射理论为理论基础，采用CLASS显微技术，能够实现点对点扫描，重建活体细胞内部各细胞器的图像。

5.答：激光共聚焦扫描显微技术是一种高分辨率的显微成像技术。普通的荧光光学显微镜在对较厚的标本（例如细胞）进行观察时，来自观察点邻近区域的荧光会对结构的分辨率形成较大的干扰。共聚焦显微技术每次只对空间上的一个点（焦点）进行成像，再通过计算机控制，一点一点的扫描形成标本的二维或者三维图象。在此过程中，来自焦点以外的光信号不会对图像形成干扰，从而大大提高了显微图象的清晰度和细节分辨能力。用于激发荧光的激光束透过入射小孔被二向色镜反射，通过显微物镜汇聚，入射到待观察的标本内部焦点处。激光照射所产生的荧光和少量反射激光一起，被物镜重新收集后送往二向色镜。其中携带图像信息的荧光由于波长比较长，直接通过二向色镜并透过出射小孔到达光电探测器，变成电信号后送入计算机。而由于二向色镜的分光作用，残余的激光则被二向色镜反射，不会被探测到。只有焦平面上的点所发出的光才能透过出射小孔；焦平面以外的点所发出的光线在出射小孔平面是离焦的，绝大部分无法通过中心