激光生物医学组织光学特性

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。
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
光物理学特性
太阳光组成：紫外线、可见光、红外线
（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。
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
红色
EN207 EN207
红色 紫色
650-<655
2+
>685-690
2+
TP2
655-685 770-<785
3+ 2+
785-830
3+
>830-845
2+
190-400
5+
DIW
405-420 585-625
3.5+ 2.5+
626-710
3+
190-400
5+
630-660
3+
ML3
800-915
5、 抗激光辐射能力； 6、 可见光透过率； 7、 结构和外形。
指标参数：

型号 EC2
EC3 BD1 YLW ARG ZSY
ZS2 TRC
防护波段(nm) 光密度
190-398
7+
9000-11000
7+
190-380
7+
9000-11000
7+
190-410
5+
190-450
6+
451-460
5+
黑化，参与光敏反应，导致皮肤晒黑、出现光老化。
（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。
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
皮肤光生物类型
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。
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。
此外，生物组织对光的吸收还与其含血量 有关
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√
√
晶状体 角膜，晶状体
角膜，水状液
角膜唯一
0.28 0.78
1.4
1.9
μm
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，
3.有色组织对光的吸收具有波长选择性。
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）
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。
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。
绿色
16%
EN207
蓝色
23%
EN207
黄/绿色
19%
EN207
绿色
16%
EN207
绿色
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
眼介质 角膜 水状液 晶状体 玻璃体
折射率 1.376 1.336 1.38（外）；1.41（内） 1.337
水的折射率1.332-1.333，空气折射率1.0003
眼各介质的吸收光谱
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
3+
660-670
2+
780-920
2+
190-400
5+
IRD2
785-830
2+
830-1700
3+
IRD
190-450 820-1720
5+ 3+
190-480
5+
800-1790
5+
IRD5
820-950
6+
>950-1400
7+
>1400-1750
6+
36%
EN207
浅绿色
15%
EN207
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CO2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CO2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。
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。
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
4）皮肤对激光的吸收与波长有关√
5）对光的吸收系数越大，则光的透入深度 越浅√
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。
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。
表现如同磨砂玻璃。
2.皮肤对激光的反射与波长有关√
图2 各种皮肤反射率与光波长的关系
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。
从右图可以看出： 1.皮肤对红色光和近红外光
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
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。
第三章 生物组织的光学特性
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。
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。
6）如同反射一样，光的吸收还因肤色不同 而不同。
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。
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。