生醫光電原理與應用期末報告

1. 生醫光電原理與應用期末報告 組別:第8組 題目:第8題[3.1] 主題: 光與組織間的相互作用 1

2. 組員介紹與分工表 • 組長:陳彥伯[文章翻譯、資料搜尋、個人心得與應用 • 、ppt報告製作、上台報告] • 組員:劉哲瑋[文章翻譯、資料搜尋、個人心得] • 李奎宏[文章翻譯、資料搜尋、個人心得] • 葉政翰[文章翻譯、資料搜尋、個人心得] • 姜政暉[文章翻譯、資料搜尋、個人心得] 2

3. 目次 • 觀念、理論與原理 • 光於醫學上的應用[技術] • 光應用於醫學上的相關產品 • 個人的創意應用 • 個人的心得 • 參考文獻 3

4. 觀念、理論與原理 4

5. 光是什麼? • 光是一種重要的自然現象。 • 人之所以能看見影像，是因為眼睛接收物體發射、折射或反射的光。 • 光有時像波動有時像粒子。 • 現代量子理論認為光是一種電磁輻射，具波粒二象性。 5

6. 光的粒子性 • 所謂光的粒子性指的是光的能量、動量、質量是一份分布在光子上，而不是連續分布在波場所在的整個空間，主要指作用的定域性、整體性和不連續性，軌道的概念不復存在。 • 光電效應的發現顯示出光的微粒性。 6

7. 光的波動性 • 光是一種電磁波。 • 光具有波的一切性質。 • “波動性”是指，只能指出光子在空間各點中出現的機率而不能同時指出光子的座標、動量及其軌跡，主要指光傳播過程的空間彌散性和狀態可加疊性，能量、動量和質量在空間分布不在具有連續性。 7

8. 光速 • 光速，即光波傳播的速度 • 真空中的光速等於299,792,458米/秒 • [約一秒30萬公里] • 陽光要花費大約8分19秒才能到達地球（基於平均距離）。 8

9. 什麼是激光? • 當使用某種方法使物質中大量的粒子同時處於高能量狀態，並透過外界光誘導，使所有處於高能量狀態的粒子幾乎同步完成受激輻射回到低能量狀態，這時物質就能發出一束一致性很好的光來，此光束稱之為激光。 9

10. 受激輻射 • 受激輻射 - 光子射入物質誘發電子從高能階躍遷到低能階，並釋放光子。 • 入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應於兩個能階的能量差。一個光子誘發一個原子發射一個光子，最後就變成兩個相同的光子。 10

11. 激光三大特性 • 1.[單色性] • 激光是單色的，在整個產生的機制中，只會產生一種波長的光。這與普通的光不同，例如陽光和燈光都是由多種波長的光合成的，接近白光。 • 2.[相干性] • 激光是相干的，所有光子都有相同的相，相同的偏振，它們疊加起來便產生很大的強度。而在日常生活中所見的光，它們的相和偏振是隨機的，相對於激光，這些光就弱得多了。 • 3.[方向性] • 激光的光束很狹窄，並且十分集中，所以有很強的威力。相反，燈光分散向各個方向轉播，固強度很低。 11

12. 激光[雷射] • 以能量劃分，激光可大致可分為三類 • 第一類是低能量激光，這類激光通常以氣體為激光介質，例如在超級市場中常用的條碼掃描器，就是用氦氣和氖氣作為激光介質的。 • 第二類是中能量激光，例如在課堂上用的激光指示器 • 第三類為高能量激光，一般用半導體作為激光介質，輸出的功率可高達 500 mW。 • ※用於熱核聚變實驗的激光可發射出時間極短但能量極高的激光脈衝，其脈衝功率可達  ，這激光可產生達一億度的高溫。 12

13. 什麼是紅外線? • 當任何物體的溫度在絕對零度（攝氏負二七三度）以上，都會放射具熱能的紅外線（紅外線波長由 0.83 至 1000 微米）。 • 因能量不同而分為： • ※ 近紅外線（波長為 0.83 至 2 微米）。 • ※ 中紅外線（波長為 2 至 4 微米）。 • ※ 遠紅外線（波長介於 4 至 1000 微米： • 產業界應用的是 2.5∼30 微米之間） 13

14. 紅外線和光的關係 • 光線是一種輻射電磁波，其波長分佈自 300nm（紫外線）到 14,000nm（遠紅外線）。 • 不過以人類的經驗而言，「光域」通常指的是肉眼可見的光波域，即是從 400nm（紫）到 700nm（紅）可以被人類眼睛感覺得到的範圍，一般稱為「可見光域」（Visible）。 • 由於近代科技的發達，人類利用各種「介質」（特殊材質的感應器），把感覺範圍從「可見光」部份向兩端擴充，最低可達到 0.08～0.1nm • ，最高可達 10,000nm（遠紅外線，熱像範圍）。 14

15. 激光散斑 • 自1960年激光器問世後不久，人們就觀察到了一種 • 現象：當激光照明的物體時，其表面呈現顆粒狀結構。 • 這種顆粒狀態被取名為“激光散斑”。 • 這種強度隨機分佈的散斑圖樣，可以由激光在粗糙表面反射或激光通過不均勻媒質時產生。因為大多數物體表面對光波的波長（以氦氖激光器為例，≈0.6m）來講是粗糙的，由於激光的高度相干性，當光波從物體表面反射時物體上各點到適當距離的觀察點的振動是相干的。 • 因此觀察點的光場是由粗糙表面上各點發出的相干子波的疊加 • 因為粗糙度大於光波波長，所以物體各點發出子波到達觀察點的位相是隨機分佈的。相干疊加結果就產生了散斑的隨機強度圖樣 15

16. 光的衍射(1) • 光繞過障礙物偏離直線傳播路徑而進入陰影區裡的現象，叫光的衍射。 • 光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。 • 光的衍射現象的觀察和特點衍射是一切波所共有的傳播行為。 • 日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的，易為人覺察。但是，光的衍射現象卻不易為人們所覺察，這是因為可見光的波長很短，以及普通光源是非相干的面光源。 16

17. 光的衍射(2) • 當用一束強光照明小孔、狹縫、細絲、刀口、直邊等障礙物時，在足夠遠的屏幕上會出現一幅幅不同的衍射圖樣。 • 衍射現象具有兩個鮮明的特點： • ①光束在衍射屏上的某一方 位受到限制，則遠處屏幕上 的衍射強度就沿該方向擴展 開來。 • ②若光孔線度越小，光束受 限制得越厲害，則衍射範 圍越加瀰漫。 17

18. 電磁散射(1) • 電磁波是一種最為人熟知，最常碰到的輻射形式。 • 其中，光波散射是不可避免的日常現象。 • 因為某些方面的不同，電磁波散射可以清楚地分支為不同的領域，基本上分成兩類。 • 彈性散射（涉及極微小的能量轉移） • 主要有瑞立散射和米氏散射(Mie scattering) 。 • 非彈性散射包括布里元散射(Brillouin scattering) 、拉曼散射(Raman scattering) 、非彈性X-光散射、康普頓散射等等。 18

19. 電磁散射(2) • 大多數物體都可以被看見，主要是因為兩個物理過程：光波散射和光波吸收。有些物體幾乎散射了所有入射光波，這造成了物體的白色外表。 • 光波散射也可以給予物體顏色。例如，不同色調的藍色，像天空的天藍、眼睛的虹膜、鳥的羽毛等等。 19

20. 瑞利散射[1] • 瑞利散射（Rayleigh scattering）由英國物理學家瑞利的名字命名。它是半徑比光的波長小很多的微粒對入射光的散射。 • 瑞利散射可以解釋天空為什麼是藍色的。 • 白天，太陽在我們的頭頂，當日光經過大氣層時，與空氣分子(其半徑遠小於可見光的波長)發生瑞利散射，因為藍光比紅光波長短，瑞利散射發生的比較激烈，被散射的藍光布滿了整個天空，從而使天空呈現藍色，但是太陽本身及其附近呈現白色或黃色，是因為此時你看到更多的是直射光而不是散射光，所以日光的顏色是白色。 20

21. 瑞利散射[2] • 當日落或日出時，太陽幾乎在我們視線的正前方，此時太陽光在大氣中要走相對很長的路程，你所看到的直射光中的藍光大量都被散射了，只剩下紅橙色的光，這就是為什麼日落時太陽附近呈現紅色，而雲也因為反射太陽光而呈現紅色，但天空仍然是藍色的，只能說是非常昏暗的藍黑色。 • 如果是在月球上，因為沒有大氣層，天空即使在白天也是黑的。 21

22. 米氏散射[1] • 米式散射（Mie scattering），是一種光學現象，屬於散射的一種情況。 • 當微粒半徑的大小接近於或者大於入射光線的波長λ的時候，大部分的入射光線會沿著前進的方向進行散射，這種現象被稱為米式散射。這種大微粒包括灰塵，水滴或煙霧等等。 22

23. 米氏散射[2] • 與瑞利散射和拉曼散射不同的是，米式散射的程度跟波長是無關的,而且光子散射後的性質也不會改變。 • 因此，基於米式散射理論的散射光線會呈現出白色或者灰色。 • 這就是為什麼正午經過太陽照射的雲彩經常會呈現白色或者灰色。 23

24. 布里淵散射 • 布里淵散射是布里淵與1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學振動，但作為一種實用的研究手段，是在激光出現以後才發展起來的。 • 布里淵散射也屬於拉曼效應，即光在介質中受到各種元激發的非彈性散射，其頻率變化表徵了原激發的能量。 • 與拉曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的原激發，如聲學聲子和磁振子等。 24

25. 拉曼散射 • 拉曼效應（Raman effect），也稱拉曼散射，光子的非彈性散射現象，1928年由印度物理學家拉曼發現，指光波在被散射後頻率發生變化的現象。 • 當光線從一個原子或分子散射出來時，絕大多數的光子，都是彈性散射（elastically scattered）的，這稱為瑞利散射。 • 在瑞利散射下，散射出來的光子，跟射入時的光子，它的能量、頻率與波長是相同的。然而，有一小部份散射的光子（大約是一千萬個光子中會出現一個），散射後的頻率會產生變化，通常是低於射入時的光子頻率，原因是入射光子和介質分子之間發生能量交換。這即是拉曼散射。 25

26. 康普頓散射 • 在原子物理學中，康普頓散射，或稱康普頓效應是指當X射線或伽瑪射線的光子跟物質交互作用，因失去能量而導致波長變長的現象。 • 相應的還存在逆康普頓效應——光子獲得能量引起波長變短。這一波長變化的幅度被稱為康普頓偏移。 26

27. 多普勒[都卜勒]效應[聲波] • 都卜勒效應是波源和觀察者有相對運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。 • 遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（即頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（即頻率變低，波長變長），就是都卜勒效應的現象，同樣現象也發生在私家車鳴響與火車的敲鐘聲。 左圖顯示當波源向左移動時，其 左邊的頻率變得較高，而右邊的 頻率則變得較低。 27

28. 光波的都卜勒效應 • 具有波動性的光會出現這種效應，它又被稱為都卜勒-斐索效應。 • 因為法國物理學家斐索於1848年獨立地對來自恆星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應測量恆星相對速度的辦法。 • 光波與聲波的不同之處在於：光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化。 • 如果恆星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移； • 如果恆星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。 28

29. 激光誘導熒光產生的原理 • 當紫外光或波長較短的可見光照射到某些物質時，這些物質會發射出各種顏色和不同強度的可見光，而當光源停止照射時，這種光線隨之消失。這種在激發光誘導下產生的光稱為熒光，而能發出熒光的物質稱為熒光物質。 • 由熒光的發光原理可知，分子熒光光譜與激發光源的波長無關，只與熒光物質本身的能級結構有關，所以，可以根據熒光譜線對熒光物質進行定性分析鑑別。照射光越強，產生的熒光強度越強，測量時靈敏度越高。 • 一般由激光誘導熒光測量物質的特性比由一般光源誘導熒光所測的​​靈敏度提高2-10倍。 29

30. 光於醫學上的應用[技術] 30

31. 近紅外光攝影術 • 據美國科學促進協會網站，2012年9月27日發布的消息，美國塔夫茨大學工程學院教授凡蒂尼哲學博士及其團隊，成功地開發了近紅外光乳腺攝影術。 • 該技術，屬非侵入性，利用近紅外（NIR）光掃描乳腺組織，然後應用一種算法，來解釋掃描取得的信息而形成圖像。 • 經臨床測試，與X射線乳腺攝影術的結果是一致的。該技術，可使患者免受幅射的危害，可在一個短時期內多次地攝影。它不但可用於診斷，而且又可用於監測患者對治療藥物的反應。並給出患者代謝功能的即時圖像，例如，血紅蛋白的濃度及其與氧氣結合的水平。其他，還有便於攜帶的優點。 31

32. 遠紅外線治療[1] • 紅外線可被體表淺表組織吸收，有顯著乾燥脫水作用，使局部組織血液循環加快，以及消炎鎮痛作用。 • 臨床上採用局部外用紅花油加遠紅外線照射來治療褥瘡，發現療效好且見效快。 • 利用遠紅外線對帶狀皰疹進行治療，結果止痛、止皰和結痂時間均短於一般治療所需的時間。 32

33. 遠紅外線治療[2] • 對遠紅外線治療前後的血液粘度進行觀察，發現低溫激發遠紅外線具有以低溫熱功率效應為主的廣泛的生物學效應，能降低心腦血管疾病患者的血液粘度、防止血栓形成，改善微循環，減輕胸悶、心悸、頭昏、麻木等症狀。 • 照射紅外輻射對糖尿病引起的高血糖症有明顯的緩解作用，血糖隨之降低。 • 照射中遠紅外線治療使腫瘤宿主清除自由基的能力增強，抑制腫瘤細胞的生長、增殖。 33

34. LED 近紅外線及紅光光療法 • YouTube • 發佈時間：2012-09-21 • LED 近紅外線及紅光光療法 此先進產品今年在台灣正式上市 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=cVGCH9UGm6o • 播放[影片一] 34

35. 近視雷射有併發症 • 2013-03-12 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=yJE4ur-nE6g • 撥放[影片四] 35

36. 光學纖維胃鏡檢查 • 纖維胃鏡是用導光玻璃纖維束製成的胃鏡，從口腔插入通過食管進入胃部。 • 它具有柔軟可彎曲、冷光光源、窺視清晰、直接、操作安全等優點。 • 用於胃部各種病變及某些食道疾病，如食道炎、潰瘍、腫瘤、靜脈曲張等的確診、複查、活檢以及治療，如胃內異物夾取、電凝止血、息肉切除及導入激光治療賁門和食道惡性腫瘤等。 36

37. 解析雷射美容 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=ONPH3EcqJLU • 播放[影片六] 37

38. 3D定位脈衝光_醫師說明篇 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=7XJtIdmfD1I • 播放[影片七] 38

39. 微創雷射靜脈曲張手術 • 2011-11-10 • 教學研發組 大林慈濟醫院 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=ulM3dnGnRJM • 播放[影片五] 39

40. 光應用於醫學上的相關產品 40

41. 一次性使用光學窺喉鏡 • 生產企業: 珠海博導醫療器械有限公司 • 產品適用範圍: 供醫療部門進行氣管插管窺視咽喉部組織和聲門時一次性使用。 • 產品禁忌症: 張口度小於本產品喉鏡片最小厚度，不能置入本產品的患者。 41

42. LED 近紅外線照射機 • 1.增加運動效果 • 2.減少運動傷害 • 網址:http://www.youtube.com/watch?v=NJs3sK3_cpI • 撥放[影片二] 42

43. 飛利浦 紅外線 舒緩酸痛 光療法 照護燈 • 紓解肌肉疼痛 • http://www.youtube.com/watch?v=ZuouvdEnwMo • 撥放[影片三] 43

44. 個人的創意應用 44

45. 個人的創意應用(1) • 陳彥伯: • 打針或抽血時照光顯示血管 • 由於在注射藥物或抽血檢驗時，某些人的血管較深，即使拍打手部也不容易顯現血管位置，而需要打好幾次，固想到是否能做到使用某種光波照射手臂內側做即時成像，使注射藥物或抽血檢驗時，能清楚看見手部的靜脈血管。 45

46. 個人的創意應用(2) • 葉政翰: • 藉由科技的進步是否能與藥物結合,用來不只是能夠讓組織加速復元或消除疼痛,而是直接地讓組織增生,或者是直接對腦神經進行修復,如果科技進步到這樣的時候我想人類的生活型態會大大的與現在不同了吧 46

47. 參考文獻與圖片來源 • 1.中國科學院[http://www.hfcas.ac.cn] • 2.素材世界[http://www.sssccc.net/] • 3.[http://210.60.224.4] • 4.[http://www.hk-phy.org] • 5.[http://www.phys.nthu.edu.tw] • 6.[http://www.ieo.nctu.edu.tw] • 7.[http://www.ding-hui.com.tw/productanddm • /bio/far.pdf] • 8.中國百科網[http://www.chinabaike.com] • 9.[http://www.phys.nthu.edu.tw] • 10.光衍射[http://baike.baidu.com/view/56145.htm] 53

48. 11.[http://www.docin.com/p-63381260.html] • 12.[http://www.ionicliquid.org] • 13.奇摩部落格[http://tw.myblog.yahoo.com/tnrobert-7203/article?mid=165] • 14.[http://www.teo.com.tw] • 15.[http://file.lw23.com/] • 16.[http://www.science.globalsino.com] • 17.集成電路查詢網[http://led.eefocus.com/article] • 18.[http://article.yeeyan.org/view/279437/322053] • 19.[http://www.shs.edu.tw/works/essay/] • 20.[http://tw.myblog.yahoo.com/] • 21.[http://www.baike.com/] • 22.[http://cht.a-hospital.com/] 54