Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第1章 生物组织光学特性 １.１光学特性基本原理 1.1.1 反射和折射 1.1.2 散射 1.1.3 吸收 １.２ 组织中的光传输 由于被散射的光子并不沿着确定的路程传输， 因此传输理论主要是处 理漫射辐射度的估计值问题。吸收和散射哪一个过程处于衰减过 程中的主要地位， 根据漫反射系数的值， 必须选择足够近似的统 计方法。这里介绍两种解决光传输问题的数值方法： 蒙特卡罗模拟（Monte Carlo simulation） 和库贝尔卡蒙克理论 （Kubelka-Munk theory）
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第1章 生物组织光学特性 • 影响光在生物组织中传播的三个物理过程 – 反射和折射（reflection and refraction） – 散射（scattering） – 吸收（absorption） • 这三个过程分别用以下参数来描述： – 折射率 – 散射系数 – 吸收系数 – 各向异性 • 在反射、吸收或散射中，哪一种损耗为主，取决于生物组织的类型以及入 射光的波长。波长是非常重要的参数，它决定了折射和吸收以及散射系 数。 • 图3所示是光在两种介质的界面所发生的反射、折射、吸收及散射的几何关 系
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 1.1.1散射 图所示是光在两种介质的界面所发生的 反射、折射、吸收及散射的几何关系 L 入射光 散射介质 r R Z P 4 2 1 cos ( ) ( ) ~ s I 4 1 ~s I 瑞利散射定律
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第1章 生物组织光学特性 1.2 组织中的光传输 1.2.1 蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗方法实质上是用计算机模拟数量为N的光子的随机游动， 其实 它是一种统计方法。由于以统计理论为基础结果的精确性与N 成 比例， 所以就必须考虑到大量光子可以产生一个有价值的概率。 因此， 整个过程需要花费时间而且仅能在巨型计算机上进行有效 的实施。在许多学科上， 蒙特卡罗方法已经成为一个强有力的工 具。在此， 首先列出它的基本思想， 然后简单讨论模拟的每个步 骤。 教学基本要求 1．掌握生物医学光子学所涉及的基本概念、定律。 2．掌握生物医学光子学所涉及的应用、方法
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第1章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 蒙特卡罗模拟的基本思想是： 应用吸收和散射现象来跟踪光 子通过混浊介质的光程。将光子的两次碰撞之间的距离设 置为对数分布，且用一个由计算机产生的随机数表示。通 过对每一光子给定一个权值（weight），并且在传播过程 此权值将持续地减少来说明吸收现象。如果发生散射，通 过给定相函数和另一个随机数就选定了一个新的传播方向。 只有光子从所考察的容积中逃逸或者它的权值达到一个预 定的截止阈值时，整个过程才算结束。根据Meier 等的观 点，吸收和散射的蒙特卡罗模拟主要由５个步骤组成： 源光子的产生（source photon generation）、轨迹的产生 （ pathway generation ） 、 吸 收 （ absorption ） 、 消 失 （elimination）及检测（detection）
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第1章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 （１） 源光子的产生。光子在所研究的介质表面产生。它们的空间和角 度分布与所给定的光源相符， 如高斯光束。 （２） 轨迹的产生。光子产生后， 第一个碰撞点的距离就被确定。吸 收和散射离子在混浊介质中的分布假设是随机的。这样，平均自由程 就为 １/ρσs 式中， ρ为离子的密度； σs为散射有效截面。 ０ ＜ ξ１ ＜ １ 这个随机数由计算机产生， 距离下一次碰撞点的距离L （ ξ１ ）由下式计算： L（ ξ１ ） ＝ ln ξ１/ ρσs 由于 ∫１ ０ ln ξ１ d ξ１ ＝ － １
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University 第１ 章 生物组织光学特性 1.2.1 蒙特卡罗模拟 L（ ξ１ ）的平均值实质上是１／ ρσs 。因此， 这样就得到了一个散射点。散射角由第二 个符合某种相函数分布的随机数ξ２ 所确定， 如亨耶格林斯坦相函数（HenyeyGreenstein phase function） 。其相应的方位角Φ选定为 Φ ＝ ２π ξ３ 式中， ξ３ 为属于０-１ 的又一个随机数。 （３） 吸收。为了解释吸收现象， 对每个光子都加一个相同的权值。当光子进入混浊介 质时， 所有光子的权值相同。由于吸收的存在——— 更精确地说是由于反射的存在， 光子的权值按照exp［ － μα L （ ξ１ ）］而减小， 其中μα 为吸收系数。由于权值发生变 化， 这就引出了第４ 个属于０ ～ １ 的随机数ξ４ 。这样， 修正在步骤（２） 中仅有散射发生的假设， 即只有当ξ４＜a 时， 散射发生， 其中a 为反照率。而当 ξ４＞ a 时， 光子就被吸收， 这就等同于步骤（４） 。 （４） 消失。如果给每个光子都有一个相同的权数时， 此步才能适用。当这个权数达到 某个截止阈值时， 光子就会消失。接着就发射出另一个新的光子， 程序又从步骤（１） 做起。 （５） 检测。对足够量的光子不断重复步骤（１）至步骤（４）后， 在计算机中就可得 到一幅轨迹图， 并且储存在其中。这样， 就可得到入射光子被介质吸收的百分比的统 计说明， 并且得到从介质中逃逸出来的光子的空间分布和角度分布
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University §1.3 光与组织相互作用机理 在激光发明后的10年间，通过把各种激光系统应用于各种靶组织，人们 观察了多种潜在的光与组织的相互作用。虽然可以组合的实验参数是 无限的，但是现在我们将它们划分为五种主要的类型：光化作用 （photochemical interactions），热相互作用（thermal interaction）， 光 蚀 除 （ photoablation ） ， 等 离 子 体 诱 导 蚀 除 （ plasma-induced ablation），光致破裂（photodisruption）。 图1-5给出了从多次实验中得到的五种基本相互作用类型的双对数曲线图。 纵坐标表示的是所用功率密度或者辐照度，单位为W/cm2 。横坐标表 示的是曝光时间，以秒为单位。两条斜线分别显示了在1与1000之间恒 定的能量通量。时间刻度大体可分为五个部分：连续波或曝光时间大 于1秒的脉冲照射对应于光化作用；曝光时间从1分钟到1s之间对应于 热相互作用；曝光时间从1s到1ns之间对应于光蚀除作用；曝光时间 小于1ns对应于等离子体诱导蚀除和光致破裂作用。 2 W cm/ 2 W cm/ 2 W cm/
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University §1.3 光与组织相互作用机理 图1-5 激光与组织 相互作用关系图， 圆圈仅大致给出 有关的激光参数 光致破裂 光蚀除 等离子体 诱导蚀除 热相互作用 光化作用 曝光时间(s) 功率密度 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 0 10 3 10 15 1012 10 9 106 103 100 10 3 10 2 1000 J/cm 2 1 J/cm 2 (W/cm )
Xi’an Jiaotong Jiaotong Jiaotong University University University §1.3 光与组织相互作用机理 1.3.1 光化作用 对一系列光化作用的了解缘于对实验的观察，即对在大分子或生物组织 内光可以引起化学作用和化学反应的观察。最普通的一个例子是生物 体自身的演化—由光合作用引起的能量释放。在激光医学物理学领域 的光动力学疗法（Photdodynamic Therapy, PDT）中，光化作用机理 起着很重要的作用。通常生物刺激也归因于光化作用，尽管这还不能 在科学上得到证实。 在低功率密度（典型为1）和长时间曝光下（秒以上或者连续波），光 化作用就会发生。对激光参数的选择可在散射占优势的组织中产生一 个辐射分布。在大多数实例都选用波长在可见光范围内的激光器（例 如，波长为630nm的若丹明染料激光器），是因为它们的高发光效率 和高的光穿透深度。如果要达到较深的组织结构，第二个性质就很重 要了