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生物医学光子学BiomedicalPhotonics‹#›PPT课件1绪论‹#›PPT课件生物医学光子学(biomedicalphotonics)生物光子学(biologicalphotonics）医学光子学(medicalphotonics)组织光(t

issueoptics)Chapter1绪论生物医学光子学？‹#›PPT课件Chapter1绪论生物医学光子学NOT生物医学光学？波粒二象性波动理论量子力学‹#›PPT课件Chapter1绪论生物医学光子学的定义‹#›PPT课件Chapter1绪

论为什么学习生物医学光子学?现在和未来医学上的新需求:工工工工工工工Alarm!工工工工工工精精精精早期诊断无创伤日常监控‹#›PPT课件Chapter1绪论CT当前的成像技术‹#›PPT课件Chapter1绪论无创伤检测‹#›PPT课件Chapter1绪论Hitachi,200

4，无创血糖检测掌上型血氧仪（oximeter）,测量动脉血的含氧量手指血氧仪‹#›PPT课件Chapter1绪论激光诱导荧光检测器（LaserInducedFluorescenceDetector，LIF）‹#›PPT课件Chapter1绪论‹#›PPT课件Chapter1绪

论信息载体检测光源模型结果‹#›PPT课件Chapter1绪论纲要➢第一章绪论➢第二章光与生物组织体的相互作用➢第三章描述光在组织体中传播的数学模型➢第四章生物医学光子学中的测量技术➢第五章参数提取的定量数学方法➢第六章生物医学光子

学在人体成分浓度检测方面的应用➢第七章生物医学光子成像技术➢第八章生物医学光子学其它研究热点介绍‹#›PPT课件§2光与生物组织体的相互作用‹#›PPT课件§2光与生物组织体的相互作用2.1光与生物组织体相互作用的基本形式2.2组织体对光的吸收效应2.3组

织体对光的散射效应2.4组织体发光2.5光热效应和光声效应2.6光化学效应‹#›PPT课件§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式图2.1光与组织体的相互作用1.光与生物组织体相互作用的表现形式或现象‹#›PPT课件§2.1光与生物组织

体相互作用的基本形式◆吸收—光强随着光在组织体中的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。基本形式◆反射、折射和散射—组织体的宏观或微观的不均匀性导致光传播方向的改变◆偏振态及偏振效应◆光声效应◆光致发热◆光致发光◆光化学效应‹#›PPT课件§2.1光

与生物组织体相互作用的基本形式宏观现象是通过微观的物理变化产生的！‹#›PPT课件§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式光和组织相互作用过程的能级表示2.组织体内部的各种微观物理过程——不同能级之间的跃迁对应着

不同的物理过程‹#›PPT课件§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式◆光辐射入射到组织体，电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，或实现不同振动能级之间的跃迁——吸收过程、吸收光谱◆电子从高能级向低能级的衰变过程中可分别以无辐射跃迁的方式向周围发出热

而将多余的能量消耗掉——光热、光声、光电导等现象◆电子从最低激发态的最低振动能级开始的向下跃迁过程可能采取发出一个光子但不改变其自旋的过程——荧光产生、荧光光谱◆分子从受激虚态向下跃迁时回到电子基态中的其他振动能级时，产生和入射光同频率的光以及比入射光频率大或小的光——Raman散

射、Raman光谱‹#›PPT课件§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式◆研究光散射、反射和折射——经典麦克斯韦尔电磁理论◆研究光吸收、发光及接收——量子理论描述（组织光学）———光学特性参数：吸收系数、散射系数、折射率等‹#›PPT课件§2.1光与生物组织体相互作用的基本形式组

织光学（tissueoptics)——研究可见光和近红外光在生物组织体中的传播特点和规律的一门学问，其基本任务是确定在一定条件下光辐射能量在组织体内的分布，进而发展活体组织光学特性参数的测量方法。‹#›PPT课件§2光与生

物组织体的相互作用2.1光与生物组织体相互作用的基本形式2.2组织体对光的吸收效应2.3组织体对光的散射效应2.4组织体发光2.5光热效应和光声效应2.6光化学效应‹#›PPT课件2.2.1吸收效应和吸收系数2.2.2分子吸收种

类2.2.3生物组织中的吸收物质2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应光的吸收:光在通过生物组织体时由于部分光能转换成热运动或分

子的某种振动从而导致光强度的衰减。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应量绛为零不透明：使入射辐射能生物组织体对不同波段吸收不同真空透明：根据对光的吸收能力-------吸收允许许光通过而完全不人角膜和晶状体在可见光波段近似于透明体，但在红外波段却表现出强烈的

吸收。收比较强定波长的光有吸收或吸选择性吸收：对某些特的衰减程度相同或相似范围内的所有波长的光一般吸收：对一定光谱生物组织体‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应描述组织体吸收能力的光学参数:

•吸收系数---absorptioncoefficient•吸收截面----absorptioncross-sectionalarea‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应◆吸收截面吸收截面具有面积的单位‹#›PPT课件吸收的

定义abs§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应sa=QaA[cm2][-][cm2]QaA：geometricalarea：efficiencyas‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应◆吸收系数光子组织体内的吸收体‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸

收效应aas=吸收系数：单位:1/cm,1/mm吸收粒子密度吸收截面3−cm2cmTheabsorptioncoefficientisessentiallythecross-sectionalareaforabsorptionperunitvolum

eofmedium.单位程长上一个光子被吸收的概率吸收系数越大，代表组织体对该波长的光的吸收也越大‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应Absorptionlength（meanabsorptionfreepathlength）：aal1=Thereciproc

alrepresentstheaveragedistanceaphotontravelsbeforebeingpossiblyabsorbed.组织体的吸收平均自由程在一般在1cm-33cm之间‹#›PPT课件2.2.1吸收效应和吸收系数2.2.2分子吸收种类2.2.3

生物组织中的吸收物质2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应跃迁：粒子从低能级到高能级的转移过程跃迁的条件：吸收能量蛋白质分子图✓组织体的基本单元是细胞✓细胞又是由分子组成的，例

如控制细胞化学作用的DNA本身就是一个分子。✓分子由碳、氢、氧、氮、磷等这些原子组成的，各个原子之间以化学键相连而组成分子。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应1、自由原子（原子间的相互作用可以忽略）的跃迁跃迁的形式：原子外层电

子就会发生从基态到高能级的跃迁。跃迁的种类：Electronictransitions跃迁的条件：absorbUV,visible,NIRlightgroundstateS0ExcitedelectronicstateS101SSh−=‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收

效应2、分子的跃迁生物组织体原子并不是处于自由状态的，原子靠化学键聚在一起组成分子，而且组成的是大分子，很显然分子对电磁波的吸收与单个原子的吸收相比要复杂得多。分子的能级取决于分子的运动和状态nstransit

iorotational---nstransitioibrational---nstransitioelectronic---分子的转动原子核间的振动电子相对原子核的运动运动分子的v‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应（1）、电子相对原子核的运动及吸收σ键：原子轨道沿

键轴（核间连线）以“头碰头”方式进行重叠，重叠部分沿键轴呈圆柱形对称分布，形成σ共价键。π键：互相平行的py或pz轨道则以“肩并肩”方式进行重叠，重叠部分垂直于键轴并呈镜面反对称。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应σ键的轨道重叠程度

大，σ键比π键牢固‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应分子在吸收光辐射能量后可以产生电子态间的跃迁，此时电子由一个低能级的轨道（即成键轨道）跃迁到高能级轨道（称为反键轨道，用上标*表示）,分子也由基态变成为激发态。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应（2）、分子的振动及吸收：当分子

从一个振动态变化到另一个振动态移动时造成的能量的变化向运动：原子在垂直于价键方弯曲振动回运动：原子沿着价键方向来伸展振动振动分子的HHCHHC剪式摇摆面内变形引起振动跃迁的能量通

常对应在红外（infrared,IR）区域>高频区低频区‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应振动吸收峰的种类合频\差频吸收很弱‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应（3）、分子的转动及吸收

：转动能级代表分子处于不同转动状态时所具有的能量转动吸收所需要的能量低于实现振动能级跃迁所需要的能量，通常其吸收谱位于红外区。由于转动吸收是在振动吸收的基础上所产生的附加的精细结构,因此使光谱图更加复杂。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应转动能级跃迁需要的能量<振动能级跃迁需要的

能量<电子跃迁需要的能量‹#›PPT课件分子吸收总能量可以看成是电子、转动和振动能量的总和：E＝ES+EP+ER+EV（2.1）其中Es是电子的能量，平动能EP只是温度的函数，EV是由于原子间的振动（vibration）而具有的

能量，而ER是分子围绕其核心旋转（rotation）所具有的能量。§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件表2.1各光波段对应的跃迁§2.2组织体对光的吸收效应要把电子跃迁和分子振动、转动的跃迁完全分开是不可能的。由于转动、振动在电子态间形成了很多精细能级，因此可能发生

的跃迁是多种多样的，分子吸收光谱应该是带状光谱而非线状光谱。‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件2.2.1吸收效应和吸收系数2.2.2分子吸收种类2.2.3生物组织中的吸收物质2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体

对光的吸收效应‹#›PPT课件Water……………………74%ofbodymassMyoglobin（………）…….inmuscleMelanin（黑色素）…….inskinonlyaffectingreflecti

onLipid（脂类）……………..ineverycellCytochromecoxidase（细胞色素）…..ineverycellHemoglobin（血红蛋白）……………...inbloodGlucose（血糖）……………...inblood→→

1%cellsbloodWhiteplateletNIRntoabsorptriono55%RbC)suspendingforsaltandwaterof(solutionPlasmalunginHB-oxyhemoglobin-DeoxycapillaryinH

B-deoxyhemoglobin-Oxy44%(RbC)cellsbloodRedBloodConstantconcentrationduringmeasuringperiodLowconcentration肌红蛋白§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件

§2.2组织体对光的吸收效应组织体中的几种主要吸收物质的吸收谱100-10000nm处水、血红蛋白等的吸收谱‹#›PPT课件吸收系数随着波长的增加呈现出增大的趋势在600～900nm的NIR波段，水的吸收系数约为0.001mm-1，因此可以讲，水具有NIR观测“窗口”特性

。§2.2组织体对光的吸收效应水的吸收光谱‹#›PPT课件在600～900nm的NIR波段，组织体中的主要吸收体为氧合血红蛋白(Oxy-hemoglobin,HbO2）和还原血红蛋白(deoxy-hemoglobin,Hb）§2.2组织体

对光的吸收效应浓度通常用[]表示,例如氧合血红蛋白的浓度表示为[HbO2]还原血红蛋白的浓度表示为[Hb]‹#›PPT课件1000-2500nm处水、血糖、血红蛋白的吸收谱§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应

NNNNpyrrolesporphyrinsheme(chlorophyll)cytochromesphycobiliproteinscarotenoidsferredoxinsflavinsmelaninNONNNONOOOOO咯吡卟啉血红素细胞色素澡胆蛋白类胡萝卜素黄素黑色素Absor

berswithintherangeofUV—IR‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应e.g.absorber—Bilirubin(胆红素）300400500600Wavelength[nm]er=1nm.A=4.5x10-15cm2At460nme=53,846[cm2/mol]‹#›P

PT课件总结➢600nm-900nm（近红外）区，水的吸收很小。➢近红外的一些区域和红外区，水成为生物组织体中占主导地位的吸收物，因此其它生色团对光的吸收信息实际上是淹没在了水的吸收谱内的。§2.2组织

体对光的吸收效应‹#›PPT课件对策➢采用的光波长应该尽量避开水的吸收峰，水在600-900nm的低吸收，（也被称为近红外光测量的光学窗口，NIRwindow），从而使得在此波段的光有可能穿过几厘米深的组织体，实现深层组织

的探测。➢要采取灵敏的检测技术和方法从水吸收的背景内提取出所需要的生色团的吸收信息§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件2.2.1吸收效应和吸收系数2.2.2分子吸收种类2.2.3生物组织中的吸收物质2.2.4朗伯-比尔定理§2.2组织体对光的吸收效应2.2组织体对光的吸收效应‹#›P

PT课件§2.2组织体对光的吸收效应纯吸收或弱散射媒质光的传播规律：衰减距离越长衰减越大‹#›PPT课件laeII−=0§2.2组织体对光的吸收效应Lambert’slaw:Beer’slaw:clIIOD==)lg

(0为波长的函数，称为比消光系数（specificextinctioncoefficient)l为光程OD为光密度(opticaldensity);C为物质浓度Lambert-Beer’slawee303.2)lg(303.2)ln(00===clIIIIeeca=为消光系数‹#›P

PT课件§2.2组织体对光的吸收效应对于有n种吸收体：==niiiac1e22HbOHbHbOHbaee+=例如血液中在600-900nm波段内,主要吸收体为氧合血红蛋白和还原血红蛋白：‹#›PPT课件00.10.20.30.4

0.50.60.70.80.91360460560660760波长/nmA()CFA=CdIIOD==0lg()IIA0ln=回归配制不同浓度的样品消光系数，从而判定物质根据已知光谱浓度消光比

§2.2组织体对光的吸收效应朗伯-比尔定理的应用：‹#›PPT课件blackinkabsorbanceatdifferentconcentration-10001002003004005001228455682909113613631590181

72044wavelength(nm)extinctivecoefficent(/mm)0.06%0.08%0.10%0.15%blackinkabsorption-10123411743475206938661039121213851558173119042077225024

23wavelengthabsorption0.50%1%3%例1黑墨水的消光系数的测量§2.2组织体对光的吸收效应‹#›PPT课件§2.2组织体对光的吸收效应例2已知血红蛋白的消光系数计算其浓度22HbOHbHbOHbaee+=A‹#›PPT课件§2

.2组织体对光的吸收效应222HbOHbHbOSO+=OxygenationSaturationHemoglobinConcentrationsandOxygenationSaturationee−eee−e=ee−eee−

e=2121221221212122212122][][2HbHbOHbHbOaHbaHbHbHbOHbHbOaHbOaHbOHbOHbHemoglobinConcentrations‹#›PPT课件