光子及近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用.ppt

光子及近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,主要內(nèi)容,一. 光的基礎(chǔ)知識(shí) 二. 光合作用 三. 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) 四. 近紅外光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,一. 光的基礎(chǔ)知識(shí),1. 什么是光,粒子論,波動(dòng)論,愛因斯坦 光電效應(yīng) 光子 量子力學(xué) 波粒二象性,光是運(yùn)動(dòng)的能量,C(光速)(波長(zhǎng)) X(頻率) 紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62-0.76m 紫光的波長(zhǎng)范圍為0.38-0.46m 光能E=h(頻率)，即波的能量與頻率成正比，不同頻率的波具有不同的能量。,2.光子的產(chǎn)生 感知光子，才能看到周圍的景物 光子產(chǎn)生的途徑歸根結(jié)底遵循的都是光電子理論 電子躍遷產(chǎn)生光子。電子可通過向外輻射光子的形式降低自身能量，從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，而光子的能量正好等于兩個(gè)軌道能量之差,3.光的顏色,不同顏色光的疊加 吸收特定頻率的光,4.光的傳播 透射：電子激活能遠(yuǎn)高于或遠(yuǎn)低于光子能量，不吸收任何光子，光不受影響地穿過。單色光的獲得。 吸收：光波能量與材料電子激活能相近，吸收光子能量升高，并將部分能量傳給核，加劇核運(yùn)動(dòng)，使物體溫度上升。冬日穿深色服裝。 反射：電子吸收入射光子能量之后運(yùn)動(dòng)加劇，但不把能量傳遞給核，而是以與入射光相同頻率光子的形式反射出去。照鏡子。 折射：入射光的頻率接近電子的本征振動(dòng)頻率時(shí)，深入物體內(nèi)部，引起電子微小振動(dòng)，傳能量給核，核再使光波以原來頻率透出物體。由于速度不同，在界面處形成一個(gè)折點(diǎn)。雨后彩虹。,1.光合作用表達(dá)式,二. 光合作用,大家想想，這個(gè)氧是來自CO2還是H2O？,光合作用表達(dá)式,非孤立、封閉系統(tǒng)，有太陽(yáng)能的參與,這個(gè)反應(yīng)Gibbs自由能增加，熵減少,違反熱力學(xué)第二定律,不,b希爾反應(yīng),c.18O的研究,2.光反應(yīng)和暗反應(yīng),增大光強(qiáng)對(duì)光合作用的影響,閃光照射，光合效率是連續(xù)光的200%-400%,需光的光反應(yīng)不需光的暗反應(yīng)(碳同化反應(yīng)),不絕對(duì),3. 兩個(gè)光系統(tǒng),20世紀(jì)40年代，研究不同光質(zhì)的量子產(chǎn)額時(shí)，發(fā)現(xiàn)大于680nm的遠(yuǎn)紅光雖然仍被吸收，但量子產(chǎn)額急劇下降，稱為紅降現(xiàn)象。,1957年，愛默生觀察到遠(yuǎn)紅光照射時(shí)補(bǔ)加稍短波長(zhǎng)的光(如650nm的光)，則量子產(chǎn)額大增，比這兩種波長(zhǎng)的光單獨(dú)照射的總和還要高。這種現(xiàn)象被稱為雙光增益效應(yīng)，或愛默生增益效應(yīng)。,據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，希爾(1960)等人提出雙光系統(tǒng)的概念，把吸收長(zhǎng)波光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)(PS)，吸收短波長(zhǎng)光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)(PS)。,20世紀(jì)60年代以后，已能直接分離出PS和PS的色素蛋白復(fù)合體顆粒。,愛默生增益效應(yīng),4.光合色素,在光合作用的反應(yīng)中吸收光能的色素稱為光合色素。,葉綠素吸收光譜,光合色素吸收光譜,5. 光照因素對(duì)光合作用的影響,光強(qiáng)對(duì)光合作用的影響,光抑制-當(dāng)光合機(jī)構(gòu)接受的光能超過它所能利用的 量時(shí)，光會(huì)引起光合速率的降低,開始達(dá)到光合速率最大值時(shí)，稱為光飽和點(diǎn),植物在光照下有吸收氧氣，釋放CO2的反應(yīng)，僅在光下發(fā)生，需葉綠體參與，并與光合作用同時(shí)發(fā)生，故稱作為光呼吸。,機(jī)理與乙醇酸代謝有關(guān)。加氧酶自身不能區(qū)別CO2和O2，即CO2和O2競(jìng)爭(zhēng)加氧酶同一個(gè)活性部位。加氧酶是進(jìn)行羧化還是加氧，取決于外界CO2與O2濃度的比值。,奧托瓦爾堡（瓦伯格）發(fā)現(xiàn)O2對(duì)光合作用有抑制作用，這種現(xiàn)象被稱為瓦伯格效應(yīng)。實(shí)際上是氧促進(jìn)光呼吸的緣故。,6. 光呼吸,生理意義,光呼吸速率比暗呼吸高3-5倍，是一種浪費(fèi)。,(1)回收碳素。 (2)防止強(qiáng)光對(duì)光合機(jī)構(gòu)的破壞作用。 在強(qiáng)光下，光反應(yīng)中超氧陰離子自由基會(huì)對(duì)光合膜、光合器有傷害作用，而光呼吸卻可消耗高能電子，降低自由基形成，免除或減少?gòu)?qiáng)光對(duì)葉綠體的破壞。 (3)消除乙醇酸。 乙醇酸對(duì)細(xì)胞有毒害，光呼吸則能消除乙醇酸，使細(xì)胞免遭毒害。,三生物醫(yī)學(xué)光子學(xué),生物光子學(xué)主要是研究生物系統(tǒng)產(chǎn)生的光子及光子學(xué)在生物學(xué)研究方面的應(yīng)用。 醫(yī)學(xué)光子學(xué)主要包括組織光學(xué)，醫(yī)學(xué)光學(xué)診斷技術(shù)和治療技術(shù)。,醫(yī)學(xué)光子學(xué),生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，顧名思義，是關(guān)于光子在生物、醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的科學(xué)和技術(shù)。,光與生物組織的相互作用,具體到某種生物組織體，這三個(gè)過程具體以哪一個(gè)為主，取決于生物組織的類型和入射光的波長(zhǎng)。,基本過程 反射、折射和吸收,宏觀現(xiàn)象 吸收、反射、折射、散射、 投射、發(fā)光、光化學(xué)和光聲,微觀本質(zhì) 電子不同躍遷方式,1. 組織體對(duì)光的吸收效應(yīng),光的吸收是指光通過生物組織體時(shí)，由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或分子的某種振動(dòng)，從而導(dǎo)致光強(qiáng)度的衰減。,不透明 入射輻射能量降為0,透明 允許光通過而完全不被吸收,除了真空，沒有一種媒介對(duì)任何波長(zhǎng)的光是完全透明的，只能是對(duì)某些波長(zhǎng)范圍的光透明，即透明否是相對(duì)于某個(gè)光波長(zhǎng)而言的。,a. 生物組織中的吸收物質(zhì),這些物質(zhì)之所以有吸收是因?yàn)榫哂猩珗F(tuán)，生色團(tuán)被定義能在一個(gè)分子中導(dǎo)致在2001000nm的光譜區(qū)內(nèi)對(duì)光進(jìn)行有選擇性的吸收的化學(xué)基團(tuán)。紅綠光困難,血液中的血紅蛋白、血糖,水,皮膚中的色素,細(xì)胞色素。,肌肉中的肌紅蛋白,組織體從紫外到紅外光波段的吸收物質(zhì)主要包括,圖7 氧合血紅蛋白(Hb02)、非氧合血紅蛋白(Hb)及水的吸光率曲線,“紅綠光困難”現(xiàn)象,b. 朗伯-比爾定理,朗伯提出：設(shè)平行光在均勻媒質(zhì)中傳播，一薄層材料所吸收的輻射能或輻射強(qiáng)度之百分?jǐn)?shù)依賴于吸收物質(zhì)以及入射輻射的波長(zhǎng)和吸收層的厚度。 比爾的表述為：對(duì)溶解在非吸收媒質(zhì)中的吸收物質(zhì)，溶液或介質(zhì)所吸收或通過輻射的量，是溶液中吸收物質(zhì)的濃度和輻射通過樣品溶液的光程長(zhǎng)度的指數(shù)函數(shù)。,比色法和分光光度法的基本定律，也是測(cè)定混合物中各吸收物質(zhì)含量的定量方法的理論基礎(chǔ)。,2.組織對(duì)光的散射效應(yīng),散射是我們生活中常見的現(xiàn)象，如天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色是因?yàn)樗{(lán)光很容易被大氣中的微粒散射。 人體內(nèi)同樣也發(fā)生散射，其原因是組織體的密度、折射率、介電常數(shù)等在空間的雜亂分布。,半微觀尺度,微觀尺度,宏觀尺度,非彈性散射,彈性散射,a. 彈性散射,彈性散射是指散射光和入射光具有相同的波長(zhǎng)和波矢，即光量子和被測(cè)分子之間沒有能量的交換。,古斯塔夫.米發(fā)現(xiàn)散射程度依賴于散射粒子的尺寸和入射波長(zhǎng)的比以及散射粒子的折射率和背景媒質(zhì)的折射率之比，米把這兩個(gè)比值定義為尺寸參數(shù)x和相對(duì)折射率m,m=ns/n,米散射（又稱大顆粒散射),瑞利散射,實(shí)際中光子更可能前向散射，需要加系數(shù)進(jìn)行修正。,大尺度散射,b.非彈性散射,入射光量子和被測(cè)分子之間還可能存在能量交換，即散射電磁波的頻率和入射電磁波的頻率不相同，這類散射被稱為非彈性散射。,拉曼散射 分子振動(dòng)態(tài)的變化使散射光產(chǎn)生頻移 受激虛態(tài),多普勒頻移 光被移動(dòng)著的微粒所散射,c.各種波長(zhǎng)光在組織內(nèi)的散射,3. 組織體發(fā)光,激光的產(chǎn)生 將在泵浦源激發(fā)下處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，如圖所示。,光在諧振腔內(nèi)振蕩，抑制自發(fā)發(fā)射，增強(qiáng)受激發(fā)射，不斷獲得光放大，這時(shí)從諧振腔軸線方向透射出來的光就是激光。激光主要是受激發(fā)射產(chǎn)生的，所以是相干的。,以下圖片是美國(guó)攝影師伯特布爾特曼花費(fèi)10年心血 拍攝了令人驚異的植物通電照片。這些照片是電流 穿過金屬板，而金屬板頂部放置著植物，在這種條 件下拍攝植物通電的情景。,b. 熒光,熒光的原理是：電子從最低激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)開始向下躍遷的過程還可能發(fā)出一個(gè)光子但不改變其自旋的過程，該光子即為熒光。,外熒光 探劑,自體熒光,在外因誘導(dǎo)下，某些生物組織也能發(fā)光。如在光的作用下，常溫某些生物組織可以發(fā)出熒光，一定的條件下還能發(fā)出磷光。,4. 其他,光化學(xué)效應(yīng),光聲效應(yīng),光熱效應(yīng),光熱效應(yīng)引起組織體溫度升高，如激光手術(shù)等。 光聲效應(yīng)是當(dāng)組織體發(fā)熱后，周期性熱流使周圍的組織熱脹冷縮，產(chǎn)生熱彈效應(yīng)，從而激發(fā)超聲波的現(xiàn)象。通過檢測(cè)這種超聲波，可以進(jìn)行聲光成像。 光化學(xué)效應(yīng)是指在生物組織內(nèi)，由光所引起化學(xué)結(jié)構(gòu)改變的所有過程。,光化學(xué)反應(yīng)遵守三個(gè)定律。 第一定律：只有被反應(yīng)體系吸收輻射光才能產(chǎn)生有效的光化學(xué)反應(yīng)； 第二定律或愛因斯坦定律：在光化學(xué)反應(yīng)的初始階段，體系吸收一個(gè)光子就能或一般只能活化一個(gè)分子。在高功率密度激光的作用下，一個(gè)分子還有可能和兩個(gè)甚至多個(gè)光子進(jìn)行能量交換，而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)； 第三定律：反應(yīng)體吸收光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度之間遵循朗伯-比爾定律。,四近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,1. 弱激光生物刺激作用,弱激光照射生物組織時(shí)，對(duì)生物組織產(chǎn)生某種刺激效應(yīng)。目前認(rèn)為，弱激光照射的治療作用基礎(chǔ)不是溫?zé)嵝?yīng)，而是光的生物化學(xué)反應(yīng)。提出“弱激光生物刺激作用”的推理性假設(shè)。,弱激光應(yīng)用于臨床治療所用的激光器：,采用的波長(zhǎng)范圍：一般在630-890nm,照射方式：,血離體照射回輸,血管內(nèi)照射,穴位照射,體外局部照射,a. 弱激光刺激的效果,激光生物刺激引起的效應(yīng)與作為刺激源的激光參數(shù)有關(guān)，也與接受照射的組織的生物學(xué)特性有關(guān)，其關(guān)系都是非線性的。 較小劑量會(huì)引起興奮，較大劑量會(huì)引起抑制。 弱激光多次照射過程中可有累積效應(yīng)。 治療時(shí)要采取療程間隔，即治療一段時(shí)間后需間隔再治療。,b激光生物刺激的作用規(guī)律,c. 機(jī)理假說,偏振刺激假說,生物電場(chǎng)假說（或稱為共振效應(yīng)假說）,細(xì)胞膜受體假說,色素調(diào)節(jié)假說,類激素模型假說,生物信息模型和信息轉(zhuǎn)化模型,2. LED的作用,LED光與激光相比，相干性等物理參數(shù)方面更接近于一般的可見光。那么LED能否代替目前在生物醫(yī)學(xué)中普遍使用的激光呢? Karu發(fā)現(xiàn)光刺激效應(yīng)主要與波長(zhǎng)、照射劑量和照射方式有關(guān)，而相干光的條件不是必須的。 即非相干性可見光同樣可以達(dá)到激光的生物刺激效果。,LED光力學(xué)治療癌癥,LED對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)增強(qiáng)作用,NASA LED用于傷口治愈,3. 瓦氏效應(yīng)與光,奧托海因里希瓦爾堡（德語(yǔ)Otto Heinrich Warburg，1883.10.81970.8.1）德國(guó)生理學(xué)家和醫(yī)生。1931年因“發(fā)現(xiàn)呼吸酶的性質(zhì)及作用方式”被授予諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,瓦爾堡另一個(gè)貢獻(xiàn)，是發(fā)現(xiàn)“瓦氏效應(yīng)”。 他認(rèn)為癌細(xì)胞的生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于正常細(xì)胞的原因來自于能量的來源差別。癌細(xì)胞會(huì)偏向使用糖酵解作用取代一般正常細(xì)胞的有氧循環(huán)，即使在氧氣充足的情況下也是如此，所以癌細(xì)胞使用線粒體的方式與正常細(xì)胞有所不同。這個(gè)現(xiàn)象后來被醫(yī)學(xué)界命名為“瓦氏效應(yīng)”（Warburg Effect）。,瓦氏效應(yīng),a. 有氧循環(huán)和糖酵解,糖在體內(nèi)主要的代謝途徑,糖的無氧氧化： 葡萄糖丙酮酸乳酸,糖的有氧氧化： 葡萄糖丙酮酸乙酰輔酶ACO2+H2O,生成糖原，包括肝糖原、肌糖原,代謝為脂肪，在體內(nèi)儲(chǔ)存,剛才講到癌細(xì)胞糖酵解，正常細(xì)胞有氧循環(huán)，那是否只有癌細(xì)胞才進(jìn)行糖酵解呢？答案是否定的。因?yàn)槿梭w的復(fù)雜性，不同組織結(jié)構(gòu)不同，供能不同。 即使在有氧時(shí)，體內(nèi)主要以糖酵解供能的組織還有視網(wǎng)膜、紅細(xì)胞、血小板、皮膚、腎乳頭、骨髓、白細(xì)胞、胚胎組織、惡性腫瘤。,線粒體是真核細(xì)胞的重要細(xì)胞器，是動(dòng)物細(xì)胞生成ATP的主要地點(diǎn)，線粒體是生命的“能量工廠”。 “細(xì)胞凋亡” 因?yàn)榧?xì)胞在不斷地新陳代謝，有機(jī)體需要有清理無用細(xì)胞的機(jī)制，其主要手段就是細(xì)胞凋亡，又叫做程序性死亡，即由基因主導(dǎo)的自我消滅方式。一個(gè)細(xì)胞一旦發(fā)生了某種有害變異，或者因?yàn)槔匣辉儆杏昧?，便?huì)啟動(dòng)“自殺”程序，自然解體，轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分供其他正常細(xì)胞使用。 有關(guān)癌癥方面的研究,線粒體與細(xì)胞凋亡,衡量血液性能的常用指標(biāo)就是血氧參數(shù)，包括總血紅蛋白濃度（THC）和血氧飽和度（Sa02）兩個(gè)基本參數(shù)。 THC通常定義為100ml血液中所含的血紅蛋白的分子量，基本單位是mol.L-1； Sa02通常定義為氧合血紅蛋白(Hb02)占全部血紅蛋白的百分比，計(jì)算公式為： SaO2= Hb02 /(Hb+ Hb02)*100%,4. 光學(xué)脈搏血氧測(cè)定法,Hb和Hb02的吸收系數(shù)在600900nm波段內(nèi)，比水的吸收系數(shù)大數(shù)十倍至數(shù)百倍，因此雖然在這個(gè)波段，生物組織是相對(duì)透明的。紅光、紅外光甚至能穿透頭皮、頭骨，深入到腦內(nèi)數(shù)厘米。因?yàn)榻M織中血紅蛋白的濃度遠(yuǎn)高于其它吸光物質(zhì)的濃度，普通組織的透射和反透射光譜強(qiáng)烈依賴于血紅蛋白的吸收光譜。 由于血液中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在波長(zhǎng)為600nm-1000nm的連續(xù)光譜中(即紅光和紅外光區(qū)域)的光吸收系數(shù)存在顯著的差異，所以可通過兩種特定波長(zhǎng)的光照射來求解。,當(dāng)用兩種特定波長(zhǎng)的恒定光1、2（兩種波長(zhǎng)選為660nm和940nm）照射手指時(shí)，可推出動(dòng)脈血氧飽和度的近似公式為： Sa02=a+bQ,謝謝大家！,請(qǐng)您指正！,