光子及近紅外光的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用.ppt

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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 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,1. 什么是光,粒子論,波動論,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)動的能量,C(光速)＝λ(波長) Xν(頻率) 紅光的波長范圍為0.62-0.76μm 紫光的波長范圍為0.38-0.46μm 光能E=hυ(υ—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，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頻率時，深入物體內(nèi)部，引起電子微小振動，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)，有太陽能的參與,這個反應(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,3. 兩個光系統(tǒng),20世紀(jì)40年代，研究不同光質(zhì)的量子產(chǎn)額時，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)紅光照射時補(bǔ)加稍短波長的光(如650nm的光)，則量子產(chǎn)額大增，比這兩種波長的光單獨(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，把吸收長波光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)，吸收短波長光的系統(tǒng)稱為光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)。,20世紀(jì)60年代以后，已能直接分離出PSⅠ和PSⅡ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. 光照因素對光合作用的影響,光強(qiáng)對光合作用的影響,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，光會引起光合速率的降低,?開始達(dá)到光合速率最大值時，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競爭加氧酶同一個活性部位。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對光合膜、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，免除或減少強(qiáng)光對葉綠體的破壞。 (3)消除乙醇酸。 乙醇酸對細(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，這三個過程具體以哪一個為主，取決于生物組織的類型和入射光的波長。,?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. 組織體對光的吸收效應(yīng),光的吸收是指光通過生物組織體時，由于部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動或分子的某種振動，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，沒有一種媒介對任何波長的光是完全透明的，只能是對某些波長范圍的光透明，即透明否是相對于某個光波長而言的。,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)被定義能在一個分子中導(dǎo)致在200~1000nm的光譜區(qū)內(nèi)對光進(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和吸收層的厚度。 比爾的表述為：對溶解在非吸收媒質(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和波矢，即光量子和被測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，米把這兩個比值定義為尺寸參數(shù)x和相對折射率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 光被移動著的微粒所散射,,c.各種波長光在組織內(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)的最低振動能級開始向下躍遷的過程還可能發(fā)出一個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，體系吸收一個光子就能或一般只能活化一個分子。在高功率密度激光的作用下，一個分子還有可能和兩個甚至多個光子進(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，對生物組織產(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。 較小劑量會引起興奮，較大劑量會引起抑制。 弱激光多次照射過程中可有累積效應(yīng)。 治療時要采取療程間隔，即治療一段時間后需間隔再治療。,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,⑥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、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對細(xì)胞生長增強(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Otto Heinrich Warburg，1883.10.8－1970.8.1）德國生理學(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。,瓦爾堡另一個貢獻(xiàn)，是發(fā)現(xiàn)“瓦氏效應(yīng)”。 他認(rèn)為癌細(xì)胞的生長速度遠(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A→CO2+H2O,,?生成糖原，包括肝糖原、肌糖原,?代謝為脂肪，在體內(nèi)儲存,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，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?，便會啟動“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)脈搏血氧測定法,Hb和Hb02的吸收系數(shù)在600~900nm波段內(nèi)，比水的吸收系數(shù)大數(shù)十倍至數(shù)百倍，因此雖然在這個波段，生物組織是相對透明的。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的光照射來求解。,當(dāng)用兩種特定波長的恒定光λ1、λ2（兩種波長選為660nm和940nm）照射手指時，可推出動脈血氧飽和度的近似公式為： Sa02=a+bQ,謝謝大家！,請您指正！,