试卷：生物医学光学剖析

《生物医学光学》工程硕士班考卷

任课教师：王成王殊轶

姓名学号专业生物医学工程

简答题：

1、简述组织光学的研究内容；

2、论述荧光的产生原理及其最新的应用进展。

3、光与组织相互作用的生物学效应有哪些？

4、细胞弹性散射研究现状及其进展。

5、简述激光共聚焦显微镜与OCT成像的基本原理。

6、什么是拉曼散射？其特点是什么？如何进行拉曼散射光谱

测量？当前的应用有哪些？

7、请针对一种光学仪器，介绍一下最新的发展动态与新趋势。

8、医疗器械可用性设计的参照的标准是什么？

9、结合自己的工作实际，谈谈人因工程设计是怎样开展的。

1.答：组织光学是研究生物组织光学特性的学科，它既是医学光子技术的理论基础，也是进一步发展光医学的前提。组织光学的首要任务是确定光辐射能量能在一定条件下在组织体内的分布，其次是发展活体组织光学特性的测量方法。组织光学主要研究以下几个方面：光在组织中的传输理论、组织光学特性参数的测定方法与技术、光计量学、光动力学、生物组织的实体光学模型、人体光学成像技术等。作为一门新的学科，组织光学随着生物医学光学的发展而萌芽发展，近年来也已经初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论远未成熟，有待进一步的研究实践。

2.答：吸收外来光子后被激发到激发态的分子，回到基态时，丢失的能量以光子发射的形式释放出来，则放出来的光就是荧光。也就是说，具有荧光性的分子吸收入射光的能量后，电子从基态跃迁至具有相同自旋多重度的激发态。处于各激发态的电子通过振动驰豫、内转换等无辐射跃迁过程回到第一电子激发单重态的最低振动能级，再由这个最低振动能级跃迁回到基态时，发出荧光。荧光的应用主要是以下几个方面：①物质定性。利用不同荧光物质有不同的激发光谱和发射光谱进行物质鉴别。②定量测定。较低的浓度下荧光强度与样品浓度成正比，且灵敏度高。利用这一特性可以对含荧光组分的样品，如氨基酸、蛋白质、核酸其中的荧光组分进行定量测定。③研究生物大分子的物理化学特性及其分子的结构和构象。由于荧光的激发光

谱、发射光谱、量子产率、荧光寿命等不仅和分子内荧光发色基团本身结构相关，还对其周围环境十分敏感，因而可以测定荧光参数的变化来研究荧光发色基团所处位置的微环境的状态及其变化。利用外源性荧光染料分子作为“荧光探针”来研究生物大分子的结构和变化。

④利用荧光寿命、量子产率等参数研究生物大分子中的能量转移现象，利用这些结果来研究分子之间的相互作用等。

3.答：光和生物组织体相互作用的几种表现形式或现象，包括吸收、反射、折射、散射、发光、光化学、光声等现象。吸收是光和生物组织体相互作用的一种基本形式，其结果光强随着光在组织中传播距离的增加而不断减小，未被吸收的光经组织体边界出射，就得到了透射光。而组织体的宏观或微观的不均匀性可导致光传播方向的改变，这一作用结果产生了反射、折射和散射现象。当具有合适能量的光入射到组织体上时，光吸收可能使电子向上跃迁到不同电子激发态的不同振动能级上，当然也有可能使分子实现不同的振动能级之间的跃迁；而电子从高能级到低能级的衰变过程中也可采用无辐射跃迁的方式向周围发出热而将多余的能量消耗掉，从而形成了光热、光声、光电导等现象。光可以作为诊断的工具，光也可以影响细胞或组织体，此时光就可以用来作为治疗的工具，光热效应就是光作为治疗工具的一种典型代表。光与组织相互作用的生物学效应有：组织体对光的吸收效应；组织体对光的散射效应；组织体发光效应；光热效应和光声效应；光化学效应。

4．答：研究组织的散射特性对于光学诊断和治疗都具有指导性的意义。光与生物组织相互作用的主要形式是吸收和散射。对细胞来说,由于内部各成分的含量较小，对光学特性的影响较弱，病理学家分析肿瘤特征的主要依据是细胞的形态,癌变细胞具有一些独特特征，如细胞核质比、细胞核形状、细胞边界等的差异，癌细胞形态变化使光在组织中的传输特性改变，影响到细胞的光散射特性。近年来，生物细胞的光学检测方法得到了长足发展，活体组织光学检测技术的发展主要是由于可见和近红外光对于活细胞和生物组织是比较好的选择，可以方便地检测细胞在自然生长状态的结构和功能,并进行活细胞病理研究和在体组织诊断。光散射光谱和弹性散射光谱被应用到生物研究和癌症检测技术中，最近已经发展到亚细胞量级的检测技术，目前正在为早期癌变组织的光检测提供必要的理论依据和实验基础。当前,在体、实时、细胞水平的组织成像已经有了广泛的实验研究，很多都是在细胞光散射特性的基础上获得细胞水平组织图像的一些实验手段，对于细胞散射的理论问题和细胞的散射技术与光谱技术结合形成细胞散射光谱分析研究较少。现主要给出了当前细胞光散射的理论方法：(1)同心椭球模型理论以细胞的结构特征出发建立起来，运用修正的瑞利-德拜-甘斯近似理论作为依据，最终得到包含形体、线度和折射率信息的形态因子来表征细胞对其散射光的影响。(2)细胞器共聚焦散射理论，采用标量波模型，米散射理论建立散射光强表达式，忽略了细胞壁的限制，直接检测单个细胞器的线度分布和形体特征对散射显微光谱的影响。(3)多细胞器的细胞散射理论，采用时

域有限差分法，依据Maxwell方程,得到远场散射函数、各向异性因子和散射截面函数，从而表征单个细胞中由于各细胞器不同，导致散射光的变化。细胞散射的光学检测手段中，弹性光散射光谱技术是传统的测量光散射方法与光谱仪测量相结合的技术，可以测量细胞溶液或单层细胞随着波长和散射角变化的散射光谱，检测细胞内部各细胞器的结构特征。共聚焦光吸收与散射光谱显微技术以细胞器共聚焦散射理论为理论基础，采用CLASS显微技术，能够实现点对点扫描，重建活体细胞内部各细胞器的图像。

5.答：激光共聚焦扫描显微技术是一种高分辨率的显微成像技术。普通的荧光光学显微镜在对较厚的标本（例如细胞）进行观察时，来自观察点邻近区域的荧光会对结构的分辨率形成较大的干扰。共聚焦显微技术每次只对空间上的一个点（焦点）进行成像，再通过计算机控制，一点一点的扫描形成标本的二维或者三维图象。在此过程中，来自焦点以外的光信号不会对图像形成干扰，从而大大提高了显微图象的清晰度和细节分辨能力。用于激发荧光的激光束透过入射小孔被二向色镜反射，通过显微物镜汇聚，入射到待观察的标本内部焦点处。激光照射所产生的荧光和少量反射激光一起，被物镜重新收集后送往二向色镜。其中携带图像信息的荧光由于波长比较长，直接通过二向色镜并透过出射小孔到达光电探测器，变成电信号后送入计算机。而由于二向色镜的分光作用，残余的激光则被二向色镜反射，不会被探测到。只有焦平面上的点所发出的光才能透过出射小孔；焦平面以外的点所发出的光线在出射小孔平面是离焦的，绝大部分无法通过中心

的小孔。因此，焦平面上的观察目标点呈现亮色，而非观察点则作为背景呈现黑色，反差增加，图像清晰。在成像过程中，出射小孔的位置始终与显微物镜的焦点是一一对应的关系,因而被称为共聚焦显微技术。共聚焦显微技术是由美国科学家马文?闵斯基发明的。八十年代后期，由于激光研究的长足进步，激光共聚焦扫描显微技术才成为一种成熟的技术。OCT原理类似于超声成像，不同的是光波代替了超声波。OCT利用测量光脉冲在样品内部被散射和传播延时，通过处理，形成高分辨率、深度的图像来分析活体内在的微观结构，无须物理接触。横向扫描可以快速获取非侵入性二维的和三维的清晰图像。由于光波波长很短，因而分辨率很高，OCT成像的分辨率是微米量级，而超声成像最好的分辨率是100微米级。但是由于光速远快于声速，接近于声速的100万倍，使得时间延时短至10-15秒，电子设备难以直接测量，这种差异造成了测量结构和距离的不同，因此，OCT只能利用光学干涉仪装置进行测量。

6.答：“拉曼散射”是拉曼于1928年在研究光散射中发现的特殊效应。是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出较低频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是惟一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出组成物质的分子的种类。其特点是：（1）、属于非弹性散射。（2）、每一种物质(分子)有自己的特征拉曼光谱，可用拉曼光谱表征物质，即是每种物质都有其“指纹谱”。（3）、每一物质的

拉曼频率位移与入射光的频率无关。（4）、拉曼散射是瞬时的，入射光消失后10-11~10-12s内散射光消失。（5）、拉曼谱线的宽度比较窄，且成对出现，即具有数值相同的正负频率差，比入射光波长短的为反斯托克斯线，波长长的为斯托克斯线。（6）、分子做拉曼散射的同时，也有强度很大的瑞利散射。

拉曼光谱的测量：当用波长比试样粒径小得多的频率为υ的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。散射光中除了存在入射光频率υ外，还观察到频率为υ±△υ的新成分，这种频率发生改变的现象就被称为拉曼效应。υ即为瑞利散射，频率υ+△υ称为拉曼散射的斯托克斯线，频率为υ-△υ的称为反斯托克斯线。

拉曼光谱应用：可以利用拉曼频率结合分子模型计算得到生物系统异型分子的结构；显微拉曼分析技术可以用于测试物质的主要成分和其中的微量杂质等。由于每一种物质的“指纹谱”都是不一样的，因而可以利用拉曼技术对物质活体内部结构及生长环境变化作出研究。

7．答：光谱仪是对物质的成分等进行分析的主要仪器之一，具有分析精度高、测量范围广、速度快等优点。由于微电子机械系统（MEMS）、光纤、固态光检测阵列(CCD/CID)及其他相关技术的发展使得光谱仪的微型化得以实现。微型光谱仪在结构上和传统光谱仪有很大的不同，应用MEMS技术可以在一片硅片上制作完整的微型

光谱仪，虽然其波长分辨率等指标尚不及传统光谱仪，但是其具有的体积小、重量轻、成本低廉、集化程度高等优点，是传统光谱仪所不具备的。美国专利2001年公布了Daly等人开发的手持式单片红外微光谱仪可用电池供电无需配备冷却装置，可用于红外光谱段；2004年美国专利公布了Russell等人研制的微型光谱仪可用作医学上的气体分析器，它可以稳定有效地测量呼吸气体及麻醉气体的浓度和分压强。MEMS的易于批量生产特性将使微型光谱仪的成本大幅度下降，使之可以进入人们的日常生活等更加广阔的应用领域，如食品质量快速鉴别、疾病诊断毒气报警等。微型光谱仪与微流控芯片相结合可制成微全分析系统（TAS）可用于生化武器污染物、环境污染物的监测，在医学领域可用于监控胎儿的健康状况，用于药物的输送以提高化疗的安全性。

8.答：美国FDA在《通过设计来完成-医疗器械人为因素介绍-附录，术语和参考资料》里提出了若干医疗器械设计环节过程中的考虑要点，并给出了不同器械的术语定义和相关标准、要求、参考文献的列表。FDA的质量体系法规820(21CFR第820.30部分)规定，制造商开发的用户界面应能满足用户需要，符合已确立的人为因素设计原则。为此，制造商必须开展产品可用性分析和评估活动(包括总结式可用性测试)，确认他们产品的使用安全和可用性。医疗器械的可用性主要有国际的两个参照标准，一个是IEC/CD 62366《医疗器械-可用性工程在医疗器械中的应用》，另一个是IEC60601-1-6：2006《基本安全和可用性通用要求》。国际标准IEC 60601-1-6和IEC

62366:2007亦纳入人因工程规定。IEC60601-1-6中可以发现医疗器械所得可用性涉及面非常广泛。要求“建立有效性、效率、和操作者可学习性和满意的特性”，并且以“可用性工程”来对可用性内容进行具体的界定。“运用人的行为方面的（知识、能力、限制和其他特性）来设计工具、机器、设备、装置、系统、任务、工作和环境来实现足够的可用性。”与IEC 60601-1-6相比，IEC/CD 62366标准适用于所有器械，而不局限于电子类医疗器械。

9．答：人因工程学(human factors engineering)是一门新兴的交叉学科，其应用领域涉及很广。迄今为止，该学科还没有统一的定义和名称。是一门以人为核心，同时运用心理学、生理学、人体解剖学、人体测量学等人体科学知识于工程设计和管理，特别是安全设计和安全管理的学科。人因工程应用于医疗仪器设计管理的目的就是尽可能让医务工作者在舒适和谐的环境里，使用安全、可靠的医疗仪器对患者进行安全、高效的诊断和治疗；概括地讲，就是六个字——安全、高效、舒适。医疗仪器的人因工程学研究对象包括“医务工作者一医疗仪器一环境”和“患者一医疗仪器一环境”两个系统。其中研究的核心还是“人”——医务工作者和患者。

在检查工作中，我们发现儿童医院针对儿童的性格特点改造了手术室。生产厂商考虑到儿童医院的特点，将整个手术室环境、灯光布置得非常温馨和卡通化。儿童因为年龄小、依赖性强，离开了父母进入手术室后更易紧张，除了医护人员和蔼的交流、鼓励之外，身处于一个让熟悉和安全的环境也是至关重要的，这样的手术室设计必然会

对安定患儿情绪起到积极的作用。这是典型的“环境(手术室)”适应“人(患儿)”的成功例子。该手术室的血管造影系统，配置有2个大型双向平板探测器，值得一提的是它的垂直探测器的独特设计。通常双板DSA的垂直探测器的转轴是在病床的正前方，垂直探测器可以以此为轴转动，但不能离开病床前的位置。该垂直探测器采用的是偏心轴设计，通过转移可以让出原本被垂直探测器占据的“头位空间”。医生在做某些操作时，可以站在“头位空间”位置上，使操作更方便，空间更宽裕。当做某些外科手术时，也可以将麻醉机等辅助设备放置在这个位置上。这是以人为本，人因设计的典范。