单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,第三章,,生物组织的光学特性,1,,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2,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3,太阳光组成：紫外线、可见光、红外线,,光物理学特性,4,（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5,一、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6,2.,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,7,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,CO,2,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,CO,2,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8,二,.,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，（,415 540 580nm,）,,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,√,9,,,实线,-,反射光谱,,虚线,-,透射光谱,10,,（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11,（,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12,2,、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,,13,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14,,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,15,,4,）皮肤对激光的吸收与波长有关,√,,16,5,）对光的吸收系数越大，则光的透入深度越浅,√,,17,,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,。
18,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19,,6,）如同反射一样，光的吸收还因肤色不同而不同20,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21,一、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,1.337,22,眼各介质的吸收光谱,,,23,,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,24,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25,,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,√,26,,√,0.28,0.78,1.4,1.9,μm,,,,,角膜，晶状体,角膜唯一,角膜，水状液,晶状体,27,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。
28,,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/T 5524-91,实验室激光安全规则,29,,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,30,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。
31,,型号,防护波段,(nm),光密度,可见光透过率,认证,镀膜颜色,EC2,190-398 9000-11000,7+ 7+,93%,EN207,无,EC3,190-380 9000-11000,7+ 7+,90%,EN207,无,BD1,190-410,5+,45%,EN207,无,YLW,190-450 451-460,6+ 5+,50%,EN207,黄色,ARG,190-532,7+,48%,EN207,橙色,ZSY,190-400 532 561,6+ 2+ 5+,26%,EN207,红色,ZS2,190-400 532 561,6+ 6+ 6+,19%,EN207,红色,TRC,190-400 575-579,6+ 5+,26%,EN207,紫色,指标参数：,,32,,TP2,650-685-690 655-685 770-830-845,2+ 2+ 3+ 2+ 3+ 2+,36%,EN207,浅绿色,DIW,190-400 405-420 585-625 626-710,5+ 3.5+ 2.5+ 3+,15%,EN207,绿色,ML3,190-400 630-660 800-915 660-670 780-920,5+ 3+ 3+ 2+ 2+,16%,EN207,蓝色,IRD2,190-400 785-830 830-1700,5+ 2+ 3+,23%,EN207,黄,/,绿色,IRD,190-450 820-1720,5+ 3+,19%,EN207,绿色,IRD5,190-480 800-1790 820-950 >950-1400 >1400-1750,5+ 5+ 6+ 7+ 6+,16%,EN207,绿色,33,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,34,,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）,35,,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36,,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,,37,,此外，生物组织对光的吸收还与其含血量有关,,38,。