激光生物医学组织光学特性

第三章生物组织的光学特性本章将介绍各种生物组织，特别是易于暴露在光辐射下或感光的组织如皮肤和眼睛的各种光学特性。第一节皮肤的光学特性皮肤是人体的外墙，它覆盖了人体全部表面，是人体接触外界光线最为广泛的组织。在用光和激光治疗疾病时，也往往通过皮肤进行。因此，掌握皮肤的光学特性，尤其是对光的反射、透射和吸收规律，对于研究光的生物效应、光的治疗剂量和对皮肤的损伤阈值具有重要意义。太阳光组成：紫外线、可见光、红外线光物理学特性（一）紫外线分类长波紫外线UVA320-400nm中波紫外线UVB280-320nm短波紫外线UVC200-280nm（二）可见光分类（三）红外线770nm-1mm，热效应强，常作为热源。一、皮肤对光的反射皮肤对光的反射有两个特点：1.是漫反射不是镜面反射。其原因是皮肤角化层表面粗糙不平，使之表现如同磨砂玻璃。2.皮肤对激光的反射与波长有关√因为体表的部位不同，皮肤颜色的深浅不同，表面粗糙程度不一，以及组织中脂肪含量、含水量、血流状况、血红蛋白含量、色素多少等生物学方面的差异，所以不同皮肤对波长光辐射的反射也不同。图2各种皮肤反射率与光波长的关系从右图可以看出：1.皮肤对红色光和近红外光之间的波长反射率较大。2.各种肤色皮肤对波长短于300nm的紫外线和波长长于2um的远红外线的反射率都一样，而且反射很弱，仅为5%3.可见光400~760nm范围内白色皮肤的反射率比黑肤色皮肤的反射率大，故要在皮肤获得同等的生物效应，对黑色皮肤的辐照剂量可比白色皮肤小。4.白色皮肤对He-Ne激光（波长0.6328um）的反射率为CO2激光（波长10.6um）的10倍，因此要达到同样的生物效应，He-Ne激光的辐照剂量应为CO2激光的10倍。5.在可见光的范围内，不论白皮肤或黑皮肤对光的反射均随波长增加而增加。二.皮肤对光的吸收和透射皮肤的光学特性：√1）皮肤主要吸光物质：√血红蛋白含氧血红蛋白，（415540580nm）黑色素（广谱吸收）β-胡萝卜素胆红素水（红外线）一水二白三素√实线-反射光谱虚线-透射光谱（一）波长与生物学效应的关系可见光范围内波长越长，能量越小，穿透能力越强。每种分子只吸收特定能量的光子，这是光疗和激光治疗的理论基础。（二）光对皮肤的影响1、紫外线对皮肤的影响（1）UVA：能穿透玻璃，对皮肤可深达真皮，诱导即刻黑化和持续性黑化，参与光敏反应，导致皮肤晒黑、出现光老化。（2）UVB：可被玻璃阻挡，对皮肤作用于表皮，其损伤表现为在表皮内出现日晒伤细胞，临床出现日晒伤表现。2、可见光对皮肤的影响红光、蓝光等治疗痤疮。3、红外线对皮肤的影响穿透能力强，加热组织促进血液循环和新陈代谢可用于消炎和促进组织新生皮肤光生物类型根据皮肤经日光照射后产生红斑和（或）黑化的不同反应划分。皮肤的光生物类型不等于肤色。2）皮肤是不均匀的吸收体，所以吸收系数μ是一等效值。√3）皮肤对光的吸收遵从指数衰减规律√随着深度的增加，吸收指数衰减4）皮肤对激光的吸收与波长有关√5）对光的吸收系数越大，则光的透入深度越浅√但不能由此得出结论认为只要考虑吸收系数这一参数就够了。因为当入射光足够强时，也可以有相当的光到达组织深处，从而引起生物效应。所以在考虑激光对生物的作用时，生物组织对光的吸收系数和光的透射深度两个参数都要注意。此外，还可以利用光学的方法，把入射光束通过会聚的光学系统，使光束的焦点不在皮肤的表面，而深入到皮下某一处，从而使达到20-25mm深处的激光还有相当的强度，换言之在皮肤下3-4mm深处的激光强度有可能比在皮肤表面还要强，利用这种方法，可以直接使激光的焦点会聚在皮下的病灶上进行治疗，既不需切开皮肤，也不会对皮肤造成损伤。6）如同反射一样，光的吸收还因肤色不同而不同。第二节眼的光学特性眼是人体的感光器官，光在眼球从外到里经过4部分，分别为角膜、水状液、晶状体、玻璃体。光入射到眼内时，在这各层中发生反射、折射、散射、吸收与偏振，然后投射到视网膜上。一、眼的光学参数下表列出了眼球各部分介质的折射率，可见，尽管晶状体折射率的绝对值是最大的，但因为与前后介质的折射率差别比不上角膜与眼外空气的折射率差别，所以光在眼球上最大的折射发生在角膜与空气的界面上。水的折射率1.332-1.333，空气折射率1.0003眼介质折射率角膜1.376水状液1.336晶状体1.38（外）；1.41（内）玻璃体1.337眼各介质的吸收光谱1.角膜对波长短于0.28um的远紫外线吸收率接近于100%，角膜结膜炎。√墨镜的选择第一要素是滤除紫外线波长在1.4-1.9um的中红外线，基本被角膜和水样液吸收，对波长1.9um以上的中红外线和远红外线，角膜是唯一的吸收体，所以角膜易于受远红外线加热，使角膜烧伤。√2.晶状体对紫外线的吸收类似角膜。晶状体是近红外线0.78-1.4um的主要吸收体，晶状体吸收近红外线会使α和γ晶体蛋白首先分解为较小单位，然后在持续辐照后，使β晶体蛋白中分子量较小的亚单位消失，凝聚成分子量较大的不溶硬蛋白，硬蛋白的出现破坏了晶体中胶原纤维的超显微结构，因而散射增强。导致透明度的部分丧失，也就是白内障的产生。玻璃体对光波长没有特征吸收3.只有可见光和近红外线到达眼底，（因为紫外线以及远红外线被角膜及晶状体吸收完了），除一小部分为眼底反射外，大部分通过视网膜√√0.280.781.41.9μm角膜，晶状体角膜唯一角膜，水状液晶状体激光防护镜眼睛是人体对激光最敏感的器官，由于眼对光的聚焦作用可使视网膜上能量密度增高105倍，因此低剂量照射就可引起视网膜的严重损伤而导致视力下降直至失明。各国相应地制定了激光防护标准。早在1962年美国就提出了一些激光安全辐照限。从防护原理来看，目前激光防护材料可分为三大类：一是基于线性光学原理的激光防护，它包括吸收型、反射型和吸收/反射复合型；二是基于非线性光学原理的激光防护，它主要利用三阶非线性光学效应，包括非线性吸收、非线性折射、非线性散射和非线性反射；三是基于相变原理的激光防护。现在我国使用关于激光安全的强制标准有：CJB-2408-95激光防护眼镜防护性能测试方法GJB-1762-93激光防护眼镜生理卫生防护要求JB/T5524-91实验室激光安全规则激光防护镜有多种类型，所用材料不同，原理各异，应用场合也不同。因此，要提供对激光有效防护，必须按具体使用要求对激光防护镜进行合理的选择。选择防护镜时，首先根据所用激光器的最大输出功率（或能量）、光束直径、脉冲时间等参数确定激光输出最大辐照度或最大辐照量。而后，按相应波长和照射时间的最大允许辐照量（眼照射限值）确定眼镜所需最小光密度值，并据此选取合适防护镜。防护镜光密度值越大越好选择的具体条件主要有：1、最大辐照量Hmax(J/m2)或最大辐照度Emax(W/m2)；2、特定的防护波长；3、在相应防护波长的所需最小光密度值Dmin；4、防护镜片的非均匀性、非对称性、入射光角度效应等；5、抗激光辐射能力；6、可见光透过率；7、结构和外形。型号防护波段(nm)光密度可见光透过率认证镀膜颜色EC2190-3989000-110007+7+93%EN207无EC3190-3809000-110007+7+90%EN207无BD1190-4105+45%EN207无YLW190-450451-4606+5+50%EN207黄色ARG190-5327+48%EN207橙色ZSY190-4005325616+2+5+26%EN207红色ZS2190-4005325616+6+6+19%EN207红色TRC190-400575-5796+5+26%EN207紫色指标参数：TP2650-655685-690655-685770-785785-830830-8452+2+3+2+3+2+36%EN207浅绿色DIW190-400405-420585-625626-7105+3.5+2.5+3+15%EN207绿色ML3190-400630-660800-915660-670780-9205+3+3+2+2+16%EN207蓝色IRD2190-400785-830830-17005+2+3+23%EN207黄/绿色IRD190-450820-17205+3+19%EN207绿色IRD5190-480800-1790820-950950-14001400-17505+5+6+7+6+16%EN207绿色第三节其他生物组织的光学特性各种生物组织的光学性质可归结为如下的特性：1.光透过软组织比透过皮肤和硬组织容易一些，换言之软组织对光的吸收较弱。2.有色组织对光的吸收比无色组织大，这是因为有色组织含有较多色素3.有色组织对光的吸收具有波长选择性。就可见光来说，若光的颜色和组织色素的颜色互为补色，则组织对光的吸收最多。故用蓝色的Ar+激光照射血红蛋白易于被吸收而使之形成血液凝结（凝血），对无色肿瘤注入具有与激光颜色互补的药物，使之更易于吸收光能来破坏肿瘤细胞。（光动力疗法）图4-10比较了深部组织（皮下3mm以下与皮肤表层（0.4mm）以内）对不同光波的线性吸收系数。从紫外到1000nm波段的光，深部组织对光的吸收都比皮肤表层的小，这是因为皮肤表层有对光强烈吸收的黑色素层的缘故。而过了1000nm，两者对光的吸收便相同，这是因为在红外波段，光的吸收主要是因为水。右图是水的吸收光谱由于大部分生物组织含水量可高达60%-80%，所以组织对红外线的吸收光谱与图4-10所示相似此外，生物组织对光的吸收还与其含血量有关