激光与生物体相互作用ppt课件.ppt

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1、设计：李波设计：李波激光与物质相互作用激光与物质相互作用朱海红朱海红 武汉光电国家实验室激光部武汉光电国家实验室激光部C204Tel:027-87544774,13016467839Email: Laser- Matter Interaction 设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第六章第六章: :激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用1、德德Markolf H.Niemz著著 张镇西等译张镇西等译 ,激光与生物组织相互激光与生物组织相互作用作用-原理及应用，原理及应

2、用，Springer 2、孙承伟，激光辐照效应，国防工业出版社，、孙承伟，激光辐照效应，国防工业出版社，20023、朱林泉，现代激光工程应用技术，国防工业出版社，、朱林泉，现代激光工程应用技术，国防工业出版社，20084、陈家璧，激光原理及应用，电子工业出版社，、陈家璧，激光原理及应用，电子工业出版社，2004设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光生物医学激光生物医学临床治疗临床治疗医学测量和诊断医学测量和诊断显微外科手术显微外科手术 激光手术刀、治疗视网膜激光手术刀、治疗

3、视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血管堵塞物，激光结正，清除血管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。光美容等。 激光多普勒流速计可以非激光多普勒流速计可以非接触地法测量血流速度；激接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提定；激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度；激光高了分辨率、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的全息、激光透照等有独特的检查效果。检查效果。 激光聚焦照射并摧毁活细胞体内激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个

4、区域；激光诱导细胞融合；激光的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪裁剪DNA生物大分子等。生物大分子等。激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用应用范围应用范围应用前景巨大应用前景巨大设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用历史历史l 最初的临床应用为眼科最初的临床应用为眼科ArAr离子激光凝结视网膜脱落离子激光凝结视网膜脱落19611961 19641964年年l 牙科应用牙科应用19641964年年l 近十年微创技术，激光占主角

5、近十年微创技术，激光占主角l 应用广泛，被认为是神奇的工具应用广泛，被认为是神奇的工具设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用-参数参数l 第一参数：脉冲宽度第一参数：脉冲宽度曝光时间曝光时间l 第二参数：波长第二参数：波长穿透组织深度，即吸收和散射效率；穿透组织深度，即吸收和散射效率；l 第三参数：能量密度，特定效应的必要条件和程度；第三参数：能量密度，特定效应的必要条件和程度；设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东

6、西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物l 皮肤严重损伤：高功率、高能量皮肤严重损伤：高功率、高能量l 意外眼外伤：在视网膜上的辐照功率密度或能量意外眼外伤：在视网膜上的辐照功率密度或能量密度将比激光辐照强度增加密度将比激光辐照强度增加105倍以上。微焦耳级倍以上。微焦耳级的超短脉冲激光就能击穿眼的多层组织，使眼底的超短脉冲激光就能击穿眼的多层组织，使眼底出血，灼伤视网膜，造成永久性的局部失明，而出血，灼伤视网膜，造成永久性的局部失明，而外观没有损伤。外观没有损伤。激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用安全安全设计：李波设计：李

7、波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用医用激光器医用激光器设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物组织相互作用激光与生物组织相互作用医用激光器医用激光器设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物内容提要内容提要6.1

8、 6.1 生物体的光学特性生物体的光学特性6.2 6.2 激光与生物组织相互作用机理激光与生物组织相互作用机理 6.3 6.3 激光在临床医学中的应用举例激光在临床医学中的应用举例 设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物6.1:6.1:生物组织的光学性质生物组织的光学性质预测应用及效果预测应用及效果很重要很重要设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的性能

9、与特点生物组织的性能与特点l 光学性质：反射、透射、散射、吸收等；光学性质：反射、透射、散射、吸收等；l 热学：比热容、热导率、热扩散等；热学：比热容、热导率、热扩散等；l 机械：密度、弹性等；机械：密度、弹性等；l 电学：阻抗、极化率等电学：阻抗、极化率等l 声学：声阻、声吸收等声学：声阻、声吸收等l 其他：水量、血流量、色素类型及含量等其他：水量、血流量、色素类型及含量等l 主成分是水，还含有蛋白质、脂肪、无机质等。主成分是水，还含有蛋白质、脂肪、无机质等。l 软组织（软组织（soft tissue，皮肤、肌肉、内脏，皮肤、肌肉、内脏)中含水中含水约约70性能性能特点特点设计：李波设计：李

10、波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物l 衰减系数也称为消光系数。将光能转换成其他形衰减系数也称为消光系数。将光能转换成其他形式的能量过程称为吸收，侧向传播称为散射；衰式的能量过程称为吸收，侧向传播称为散射；衰减后的光束沿原方向继续传播称为透射减后的光束沿原方向继续传播称为透射激光在生物组织中的传输激光在生物组织中的传输l 直透射光：沿入射方向传播的透射光（相干信息直透射光：沿入射方向传播的透射光（相干信息光、光程最短）光、光程最短）l 折射光：皮肤组织复杂的层次结构形成的透射光折射光：皮肤组织

11、复杂的层次结构形成的透射光（准相干信息光、光程较长）（准相干信息光、光程较长）l 散射光：散射光： 被皮肤组织散射后，透过皮肤形成的漫被皮肤组织散射后，透过皮肤形成的漫反射光（非相干信息光、光程最长）反射光（非相干信息光、光程最长）角膜这种透明介质中起重要作用；角膜这种透明介质中起重要作用；不透明介质中难以分辨不透明介质中难以分辨设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物体与激光相互作用生物体与激光相互作用多重散射光扩散多重散射光扩散-近近似各向同性散射似各向同性散射强前散射强

12、前散射光能被吸收后转换成热和激励生物分子感应出荧光和磷光光能被吸收后转换成热和激励生物分子感应出荧光和磷光设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学性能生物组织的光学性能吸收吸收l 生物软组织中含水量达生物软组织中含水量达6080，水对红外范围激光，水对红外范围激光的吸收是生物组织光学吸收系数的主要决定因素之一。的吸收是生物组织光学吸收系数的主要决定因素之一。l 水对水对1.06 m的的Nd：YAG激光激光吸收很少，而对吸收很少，而对10.6 m的的CO2激光吸收很多

13、。因此激光吸收很多。因此Nd：YAG激光穿透很深，而激光穿透很深，而CO2激激光穿透很浅光穿透很浅l Er：YAG激光（激光（2.9um)的穿透的穿透深度比深度比CO2激光还要浅激光还要浅设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性吸收生物组织的光学特性吸收l 水对红外光有着很强的吸收水对红外光有着很强的吸收带软组织含水带软组织含水70，若，若在软组织上照射红外光，可在软组织上照射红外光，可以高效地把光能转换成热量；以高效地把光能转换成热量；l 血红蛋白血红蛋白60

14、0nm以下以下的波长带中的吸收增大；的波长带中的吸收增大；l 蛋白质紫外区域吸收蛋白质紫外区域吸收很强很强软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系窗口窗口：各种组织吸收系数：各种组织吸收系数比较小，光能到达组织比较小，光能到达组织的比较深处的比较深处主要由水、蛋白质、色主要由水、蛋白质、色素等大分子决定素等大分子决定设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性吸收生物组织的光学特性吸收可见光范围，皮肤的吸收可见光范围，皮肤的吸收峰

15、值比角膜高峰值比角膜高2020倍以上倍以上主动脉壁与血红蛋白峰值类似主动脉壁与血红蛋白峰值类似四个峰值四个峰值KrKr离子激光：离子激光：531nm,568nm531nm,568nm，可用于血液及血管的凝结可用于血液及血管的凝结设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性吸收生物组织的光学特性吸收l 提高吸收，可以减少对邻近组织的损伤提高吸收，可以减少对邻近组织的损伤l 可以加一些添加剂来提高吸收可以加一些添加剂来提高吸收设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑

16、恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性散射生物组织的光学特性散射Rayleigh散射散射弹性散射弹性散射41SI考虑散射角考虑散射角 ，Rayleigh散射：散射：42cos1SI设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性散射生物组织的光学特性散射Brillouin散射散射非弹性散射：非弹性散射：l 向着或者背离光源的方向；向着或者背离光源的方向；l 导致频率升高或降低导致

17、频率升高或降低l 只有在冲击波产生时才明显只有在冲击波产生时才明显设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性散射生物组织的光学特性散射Mie散射散射l 前向散射多，散射角多，各向散射参数前向散射多，散射角多，各向散射参数g g5 . 04 . 0 xIxS1 1、波长依赖性更弱；、波长依赖性更弱；2 2、发生在前向上、发生在前向上WilsonWilson和和AdamAdam（19831983）以及）以及JacquesJacques（19871987）等发现：）等发

18、现：l 当散射粒子与波长相当，当散射粒子与波长相当，rayleighrayleigh散射不再适应：散射不再适应：l 比比MieMie散射强散射强l g=0g=0各向同性；各向同性； g=+1g=+1纯向前散射；纯向前散射； g=-1g=-1纯向后散纯向后散射；一般射；一般g=0.7-0.99g=0.7-0.99，对应的散射角为，对应的散射角为8-458-45设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物stIX生物组织通常既有吸收又有散射生物组织通常既有吸收又有散射浑浊介质浑浊介质)(

19、)1 ()(0 xIAxIt散射系数：吸收系数：衰减系数：原始光强反射系数:0stIA在入射深度在入射深度x x处，激光强度为（处，激光强度为（Lambert-BeerLambert-Beer定律）：定律）：生物组织的光学特性衰减生物组织的光学特性衰减设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物光子的平均自由程光子的平均自由程L L为：为：StL11生物组织的光学特性衰减生物组织的光学特性衰减吸收与散射有时一种占主要的，另外一种可以忽吸收与散射有时一种占主要的，另外一种可以忽略略光漫

20、反照率光漫反照率a a：光学深度光学深度d d为：为：SStSastdsd0sdtt为常数：如果光程的总长度:s穿透深度穿透深度设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性穿透生物组织的光学特性穿透软组织与激光波长的关系软组织与激光波长的关系l 在近红外附近较深，在近红外附近较深，在在3 3 m m以上的红外区域以上的红外区域或或300nm300nm以下的紫外区以下的紫外区域中较浅域中较浅设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样

21、一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的光学特性穿透生物组织的光学特性穿透光穿透深度对波长的依赖性与组织种类有关光穿透深度对波长的依赖性与组织种类有关l 骨等硬组织中：蓝绿色波长的穿透深度深。骨等硬组织中：蓝绿色波长的穿透深度深。l 眼睛：蓝光、绿光的穿透深度较深。眼睛：蓝光、绿光的穿透深度较深。l 皮肤等：皮肤等：Nd：YAG的穿透深度较深。的穿透深度较深。设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物l激光首先辐照皮肤或眼睛，然后才能

22、到达皮下组织和内部器官，发生各种作用。生物组织的光学特性生物组织的光学特性设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤皮肤 皮肤是由表皮、真皮、皮下组织三部分组成的皮肤是由表皮、真皮、皮下组织三部分组成的 设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与皮肤的相互作用激光与皮肤的相互作用在任何一层内，都可能存在四种基本光学过程：在任何一层内，都可能存在四种基本光学过程

23、：l 反射反射：直接反射；：直接反射；l 散射散射：由分子、粒子、纤：由分子、粒子、纤维、细胞器和细胞引起的维、细胞器和细胞引起的散射；散射；l 吸收吸收：皮肤吸收光能引起：皮肤吸收光能引起的物理或化学变化，产生的物理或化学变化，产生热量、荧光、磷光等；热量、荧光、磷光等；l 透射透射：光线通过皮肤层：光线通过皮肤层的透射的透射设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤对激光的反射皮肤对激光的反射与皮肤粗糙度、厚度有关，还要考虑是无毛厚表皮与皮肤粗糙度、厚度有关，还要考虑是无毛

24、厚表皮（手掌、脚掌）还是有毛薄表皮（手掌、脚掌）还是有毛薄表皮l 当皮肤粗糙度小于激光波长，发生镜面发射，反射当皮肤粗糙度小于激光波长，发生镜面发射，反射角等于入射角角等于入射角l 内部漫反射。内部散射光返回透出表面而形成漫内部漫反射。内部散射光返回透出表面而形成漫反射。反射。l 当皮肤粗糙度远大于激光波长，发生漫反射当皮肤粗糙度远大于激光波长，发生漫反射l 实际皮肤既非理想镜面，也非理想漫反射面，一般实际皮肤既非理想镜面，也非理想漫反射面，一般较粗糙，漫反射的比例多于镜面反射较粗糙，漫反射的比例多于镜面反射设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽

25、的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤对激光的反射皮肤对激光的反射与波长有关与波长有关l 可见光和近红外光，特别是在可见光和近红外光，特别是在6001300nm波段的波段的激光，皮肤内部漫反射的比例大于皮肤表面的镜面和激光，皮肤内部漫反射的比例大于皮肤表面的镜面和漫反射之和。漫反射之和。l 0.3 m以下的紫外线和以下的紫外线和2 m以上的红外线，皮肤以上的红外线，皮肤的反射率约的反射率约5，与肤色无关。，与肤色无关。设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边

26、有一个活的生物皮肤对激光的反射皮肤对激光的反射肤色肤色白白黄黄黑黑反射峰值波长（反射峰值波长（ m）0.70.721.05反射峰值反射峰值635545与肤色有关与肤色有关白色人种反射率最高白色人种反射率最高黄色人种次之黄色人种次之黑色人种最低黑色人种最低红外区红外区设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤组织的透射光谱皮肤组织的透射光谱近红外激光易穿透皮肤组织，近红外激光易穿透皮肤组织，损伤内部器官损伤内部器官紫外和远红外激光的透紫外和远红外激光的透射率低，易损伤表皮射率低，

27、易损伤表皮波长波长/um/um透过率透过率2mm2mm厚皮肤对可见光和红外线的透射光谱厚皮肤对可见光和红外线的透射光谱波长波长/um/um透过率透过率人的皮肤包括人的皮肤包括5mm5mm厚浅层组织的透射光谱厚浅层组织的透射光谱？设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤组织的穿透深度皮肤组织的穿透深度设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤对激光能量的吸收皮肤

28、对激光能量的吸收与波长有关：与波长有关：l 对紫外线的吸收最强对紫外线的吸收最强l 对红外线的吸收次之对红外线的吸收次之l 对可见光的吸收则随波长增加而减弱对可见光的吸收则随波长增加而减弱设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤对激光能量的吸收皮肤对激光能量的吸收与波长有关：与波长有关： 波长范围波长范围3001400nm的激光透入皮肤，绝大部分激光能量的激光透入皮肤，绝大部分激光能量在最初的在最初的3.6mm厚度的组织中被吸收消光；厚度的组织中被吸收消光； 波长范围波长范围

29、180280nm的真空紫外辐射基本上被角质层吸收的真空紫外辐射基本上被角质层吸收 波长范围波长范围280315nm的远紫外辐射有很大部分被角质层吸收的远紫外辐射有很大部分被角质层吸收 紫外线（紫外线（315400nm)、可见光（、可见光（ 400700nm)和近红外线和近红外线（7001400nm)均能穿过表皮被真皮内的组织所吸收。均能穿过表皮被真皮内的组织所吸收。紫外区紫外区设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤对激光能量的吸收皮肤对激光能量的吸收与肤色有关：与肤色有关：

30、l 色素越多，吸收越多。入射光颜色与肤色为互补时吸色素越多，吸收越多。入射光颜色与肤色为互补时吸收最大；收最大；原色原色波长波长nm互补色互补色波长波长nm红色红色653.2绿色绿色492.1橙色橙色607.2蓝绿蓝绿489.7黄色黄色585.3蓝绿蓝绿485.4黄色黄色573.9蓝绿蓝绿482.1黄色黄色567.1深蓝深蓝464.5黄色黄色564.4深蓝深蓝461.8绿黄色绿黄色563.6紫色紫色433.07 7对互补色对互补色设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤的反射

31、、透射和吸收的关系皮肤的反射、透射和吸收的关系设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物皮肤的反射、透射和吸收的关系皮肤的反射、透射和吸收的关系从反射和透射图看：反射率高的波段从反射和透射图看：反射率高的波段基本上是透射率高的范围基本上是透射率高的范围激光波长nm反射率%透射率%吸收率%400.08.04.088.0441.612.011.077.0488.017.020.063.0514.519.024.057.0632.828.040.032.0694.332.046.022.

32、0800.038.053.09.0皮肤（表皮皮肤（表皮+ +真皮）的反射、透射和吸收特性与波长的关系真皮）的反射、透射和吸收特性与波长的关系设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的结构眼睛的结构人体眼球近似为球形，从眼前到眼底依次为：人体眼球近似为球形，从眼前到眼底依次为：角膜；房水；虹膜；瞳孔；晶状体角膜；房水；虹膜；瞳孔；晶状体玻璃体；玻璃体； 视网膜视网膜脉络膜；脉络膜； 巩膜巩膜人眼象一架高级照相机：人眼象一架高级照相机：l 镜头：角膜、房水、晶状体和镜头：角膜、房

33、水、晶状体和玻璃体（屈光介质）玻璃体（屈光介质）l 光圈：瞳孔光圈：瞳孔l 感光底板：视网膜感光底板：视网膜设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的光学特性反射眼睛的光学特性反射l 角膜（折射率角膜（折射率1.3761.376） 、房水（折射率、房水（折射率1.3361.336）、晶状体（折射率）、晶状体（折射率1.4101.410）和玻璃体）和玻璃体（折射率（折射率1.3371.337）之间的界面的两侧，折射率）之间的界面的两侧，折射率相差很小，界面反射率很小，可以忽略不

34、计相差很小，界面反射率很小，可以忽略不计l 激光正入射时，眼睛反射率约激光正入射时，眼睛反射率约2 2l 角膜无需考虑其表面和内部的漫反射角膜无需考虑其表面和内部的漫反射l 角膜前的泪层类似增透膜，进一步降低对光角膜前的泪层类似增透膜，进一步降低对光的反射的反射人眼反射率人眼反射率可以忽略可以忽略设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的光学特性吸收眼睛的光学特性吸收角膜角膜l 对短于对短于0.280.28 m m和长于和长于1.901.90 m m的光辐射几乎全部吸收的光辐

35、射几乎全部吸收l 对于对于1.401.401.901.90 m m的激光部分吸收；的激光部分吸收；l 对可见光对可见光1.401.40 m m的近红外线则几乎不吸收的近红外线则几乎不吸收房水房水l 对可见光几乎不吸收对可见光几乎不吸收l 对对0.340.340.400.40 m m和和0.780.781.401.40 m m波长光少量吸收波长光少量吸收晶状体晶状体l 是是0.780.781.401.40 m m波长的光的主要波长的光的主要吸收体吸收体视网膜视网膜l 吸收大部分的可吸收大部分的可见光和见光和5 5左右左右的近红外线的近红外线设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东

36、西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的光学特性作用效率（眼睛的光学特性作用效率（T.AT.A）谱）谱AT.A视网膜吸收率屈光介质的总透过率）谱（激光对眼底的作用效率T入射光真正被视网膜入射光真正被视网膜吸收的比例吸收的比例人眼屈光介质的总透射率及人眼屈光介质的总透射率及T.AT.A作用效率曲线作用效率曲线l 视网膜的易损性与视网膜的易损性与激光波长有关激光波长有关450450700nm700nm最强，峰最强，峰值值550nm550nm设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里

37、呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的光学特性透射眼睛的光学特性透射人眼屈光介质的总透射率及人眼屈光介质的总透射率及T.AT.A作用效率曲线作用效率曲线500500900nm900nm光的透射光的透射率最高率最高l 4004001400nm1400nm的光能通过屈光介的光能通过屈光介质到达视网膜，且有累积效应，质到达视网膜，且有累积效应，注意防护注意防护设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的光学特性散射眼睛的光学特性散射l 前向散射占总透射光

38、的前向散射占总透射光的5050，后向散射几乎为零，后向散射几乎为零l 散射与入射波长有关。可见光范围内，波长愈短散散射与入射波长有关。可见光范围内，波长愈短散射愈多。射愈多。设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的激光损伤眼睛的激光损伤l 致眩（眼花）：很低的激光能量即可导致视觉对比致眩（眼花）：很低的激光能量即可导致视觉对比度的敏感性下降，持续数秒几十秒度的敏感性下降，持续数秒几十秒l 闪光盲：视网膜中有一种光色素的物质，它吸收可闪光盲：视网膜中有一种光色素的物质，它吸收

39、可见光并转换成视觉信号。入射激光相当强，是光色见光并转换成视觉信号。入射激光相当强，是光色素收到损害，产生脱色效应，暂时丧失感受光线的素收到损害，产生脱色效应，暂时丧失感受光线的能力能力l 损伤：视网膜局部烧伤和光致凝结损伤：视网膜局部烧伤和光致凝结l 破坏：视网膜或玻璃体出血，感光细胞烧伤和出血，破坏：视网膜或玻璃体出血，感光细胞烧伤和出血，造成永久失明造成永久失明设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物眼睛的激光损伤眼睛的激光损伤l 光线通过瞳孔（明视直径光线通过瞳孔（明视直

40、径2 23mm3mm），经屈光介质在），经屈光介质在视网膜上聚焦成一个直径为视网膜上聚焦成一个直径为5 55050 m m的实像。的实像。l 瞳孔面积是实像的瞳孔面积是实像的1010万倍，聚焦光功率密度增加万倍，聚焦光功率密度增加1010万倍万倍激光经眼球聚焦后能激光经眼球聚焦后能量密度将为入射激量密度将为入射激光的光的1010万倍左右万倍左右l 弱激光也可损弱激光也可损伤眼底伤眼底设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物组织相互作用分析方法激光与生物组织相互作用分析方

41、法分析理论分析理论l 基于基于Marxwell方程：最基本的方法，分析解太复方程：最基本的方法，分析解太复杂杂l 传输理论：直接论述通过吸收介质和散射介质传输理论：直接论述通过吸收介质和散射介质中光子传播中光子传播逐渐试探逐渐试探-缺少分析理论的严格缺少分析理论的严格性性得到广泛应用，预测结果令人满意得到广泛应用，预测结果令人满意传输理论传输理论设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物6.2:6.2:激光与生物组织相互作用机理激光与生物组织相互作用机理设计：李波设计：李波我吓了一

42、跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物相互作用机理激光与生物相互作用机理l 光化学（光化学（photochemical interaction)photochemical interaction)l 热作用（热作用（thermal interaction)thermal interaction)l 光蚀除（光蚀除（photoablation)photoablation)l 等离子体诱导蚀除（等离子体诱导蚀除（plasma-induced ablation)plasma-induced ablat

43、ion)l 光致破裂（光致破裂（photodisruption)photodisruption)设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光与生物相互作用机理激光与生物相互作用机理曝光时间曝光时间很重要很重要1J/cm1J/cm2 2- -1000J/cm1000J/cm2 2通常难以严格区分通常难以严格区分设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 生物组织吸收激光

44、能量后，转化成热量使温度升生物组织吸收激光能量后，转化成热量使温度升高高, 高于正常值，从而使得生物细胞、组织发生变化。高于正常值，从而使得生物细胞、组织发生变化。 一般按损伤度可分为下列各级一般按损伤度可分为下列各级 :(1)释放生物反应释放生物反应, 无明显热度。无明显热度。(2)局部组织发热局部组织发热, 不损害其生命活力。不损害其生命活力。(3)损伤酶的作用。损伤酶的作用。(4)脱水与组织萎缩。脱水与组织萎缩。(5)超过一定温度以后出现不可逆的蛋白质凝结。超过一定温度以后出现不可逆的蛋白质凝结。(6)形成痂和薄薄的碳化层及碳化。形成痂和薄薄的碳化层及碳化。(7)组织的汽化、烤焦。组织的

45、汽化、烤焦。热敷、红斑、灼热敷、红斑、灼伤、气化、切伤、气化、切开、热凝和热开、热凝和热伤等伤等是医学应用的基础是医学应用的基础Thermal actionThermal action激光的生物学效应热作用激光的生物学效应热作用设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物生物组织的热学性质生物组织的热学性质 生物组织的热学性质：比热容、热容量、热导率和热扩散率。角质层 生发层真皮层脂肪肌肉血液水2093293131822177360138524187含水量越高、比热容越大，含水量越高

46、、比热容越大，越不容易升温越不容易升温生物组织的比热容生物组织的比热容(Jkg-1K-1)水是世界上比热容水是世界上比热容最高的物质最高的物质设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 生物组织的热导率（10-1W/mK)生物组织的热导率随含生物组织的热导率随含水量增加而增加水量增加而增加生物组织的热学性质生物组织的热学性质设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 生

47、物组织的热扩散率（室温，m2/s)主动脉 心肌脂肪脑血浆肺肝1.271.481.311.381.241.311.14生物组织的热扩散率与温生物组织的热扩散率与温度有关，差别不大度有关，差别不大生物组织的热学性质生物组织的热学性质设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物激光的生物学效应热作用机制激光的生物学效应热作用机制l 低能量光子可使生物组织直接加热。如低能量光子可使生物组织直接加热。如CO2激光，激光，Ho：YAG激光，光子能量较小，被生物组织吸收激光，光子能量较小，被生物组

48、织吸收后转变为生物分子的振动能和转动能，随后转化后转变为生物分子的振动能和转动能，随后转化为平动能，达到热平衡，即热能。为平动能，达到热平衡，即热能。l 高能量光子则往往需要经过中间转换过程间高能量光子则往往需要经过中间转换过程间接生热。如可见和紫外的光子能量大，被生物分接生热。如可见和紫外的光子能量大，被生物分子吸收后可使得电子从基态跃迁到激发态。受激子吸收后可使得电子从基态跃迁到激发态。受激分子可能通过释放光子再从电子激发态到基态，分子可能通过释放光子再从电子激发态到基态，也可能与周围分子碰撞，把激发态能量转换成分也可能与周围分子碰撞，把激发态能量转换成分子的平均运动能量，即热能。子的平均

49、运动能量，即热能。设计：李波设计：李波我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物组织表面的加热速度：组织表面的加热速度：)/(2cmWAIV l 若加热速度远远高于蒸发组织所需的速度，则组织若加热速度远远高于蒸发组织所需的速度，则组织被很快消融汽化（被很快消融汽化（ablation)ArF准分子激光器（准分子激光器（193nm)和和Er:YAG激光激光(2.94 m)照射辐，照射辐，其加热速度能引起组织的充分消融，光穿透深度其加热速度能引起组织的充分消融，光穿透深度1 m左左右的组织层迅速被汽化右的组

50、织层迅速被汽化对亚微米的精密组织对亚微米的精密组织的切除成为可能的切除成为可能为得到深度消融，则应选择光穿透深度比较深的波长，如为得到深度消融，则应选择光穿透深度比较深的波长，如CO2激光，穿透深度激光，穿透深度20 m。YAG激光不适合于软组织的气化，因吸收系数过小，穿透深激光不适合于软组织的气化，因吸收系数过小，穿透深度过大，光能空间分散度过大，光能空间分散;大多用于凝固，因为蛋白质在较大多用于凝固，因为蛋白质在较低温度（低温度（6070 C)下受热凝固下受热凝固对组织进行切除和消融对组织进行切除和消融激光的生物学效应热作用机制激光的生物学效应热作用机制：激光强度吸收系数IA:设计：李波设