生醫光電原理與應用[期中]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
組長/撰寫人:陳彥伯
組員:劉哲瑋
李奎宏
葉政翰
姜政暉

目次
1.翻譯……………………………………
2.補充與應用[整合版]…………………
3.個人應用與想法………………………
4.參考文獻………………………………

1.翻譯
劉哲瑋翻譯的部分
Two large classes of biological media can be considered with regard to light interactions with biologicaltissues and fluids: (1) strongly scattering (opaque) like skin, brain, vessel walls, eye sclera, blood, andlymph and (2) weakly scattering

(transparent) like cornea, crystalline lens, vitreous humor, and aqueoushumor of the front chamber of eye.1–7 Light interactions with tissues of the first class can be describedin the model of multiple scattering of scalar or vector waves in a randomly nonuniform absorbingmedium. For tissues of the second class, interactions can be described in the model of single (or lowstep) scattering of an ordered isotropic or anisotropic medium with closely packed scatterers with absorbing centers.The transparency of tissues reaches its maximum in the near-infrared (NIR), which is associated withthe fact that living tissues do not contain strong intrinsic chromophores that would absorb radiationwithin this spectral range.1–7 Light penetrates into a tissue over several centimeters, which is importantfor the transillumination of thick human organs (brain, breast, etc.).
兩大類別的生物介質，可考慮視為光與生物組織和體液之間的相互作用:
(1)強烈散射（不透明），如皮膚、腦、血管壁、眼鞏膜、血液和淋巴結
(2)弱散射（透明），如角膜、晶狀體、玻璃體和眼的房水前室
１－７第一類別裡光和組織之間的相互作用可謂是在隨機不均勻的吸收
介質中純量波或向量波的多重散射模式。

對於第二類的組織，相互作用可以描述在模型中的單個（或低階）
散射各向同性或各向異性介質散射與緊密排列的散射體吸收中心。
在此光譜範圍內，近紅外光(NIR)裡組織達到其最大的透明度，
事實上這是關聯生物組織不包含強烈的固有發色團能吸收輻射。
１－７光穿透組織只要超過幾釐米，就是較厚的人體器官重要的透照（腦、乳房等）
李奎宏翻譯的部分
However, tissues are characterized by strong scattering of NIR radiation, which prevents obtaining clear images of localized inhomogeneities arising in tissues due to various pathologies, e.g., tumor formation, local increase in blood volume caused by a hemorrhage, or the growth of microvessels. Therefore, special attention in optical tomography and spectroscopy is focused on the development of methods for the selection of image-carrying photons or detection of photons providing the information concerning optical parameters of the scattering medium.
Methods of noninvasive optical diagnosis and spectroscopy of tissues are concerned with two radiation regimes: continuous wave (CW) and time-resolved.1–7 The time-resolved interactions are realized by means of exposure of a tissue to short laser pulses and subsequent recording of scattered broadened pulses (time-domain

method) or by irradiation with modulated light and recording the depth of modulation of scattered light intensity and the corresponding phase shift at modulation frequencies (frequency-domain or phase method). The time-resolved regimes are based on the excitation of the photondensity wave spectrum in a strongly scattering medium, which can be described in the framework of the nonstationary radiation transfer theory (RTT). The CW regime is described by the stationary RTT.
但是，組織的特點是強散射 近紅外輻射 ，從而防止局部組織由於各種疾病，例如腫瘤的
形成，
局部的出血導致血容量增加，微血管的增長所產生的不均勻性獲得清晰的圖像。因此，
要特別注意的重點是在光學成像和光譜學的發展選擇圖像的光子或提供相關的信息的
光子的散射介質的光學參數的檢測方法。
非侵入性光學診斷方法和光譜學的組織所關注的兩個輻射制度：連續波（CW）和時間
分辨。
由暴露的組織散射擴大脈衝（時域方法）的短的激光脈衝和隨後的記錄的裝置，或通過
調製光的照射的時間分辨的相互作用來實現和記錄的調製深度散射光強度和相應的相
移，在調製頻率（頻域或相位方法）。
基於激發的光子密度波頻譜的強散射介質中，這可以被描述的框架內的時間分辨制度非
平衡輻射傳輸理論（RTT）。

CW 制度所描述的固定 RTT。
姜政暉翻譯的部分
Many optical medical technologies employ laser radiation and fiber optics; therefore, light coherence is very important for the analysis of the interaction of light with tissues and cell ensembles.2–5,7–12 This problem can be considered in terms of the loss of coherence due to the scattering of light in a randomly nonuniform medium with multiple scattering or the change in the statistics of speckles in the scattered field. The coherence of light is of fundamental importance for the selection of photons that have experienced no or a small number of scattering events, as well as for the generation of speckle-modulated fields from scattering phase objects with single and multiple scattering. Such approaches are important for coherent tomography, diffractometry, holography, photon-correlation spectroscopy, laser
Doppler anemometry, and speckle interferometry of tissues and biological flows. The use of optical sources with a short coherence length opens up new opportunities in coherent interferometry and tomography of tissues, organs, and blood flows.
許多光學醫療技術採用 雷射和光纖 ，所以光的相關性是整體組織和細胞 非常重要的分
析光的相互作用。
這問題，可以考慮在由於多重散射或散射場的散斑的統計訊息中的變化在一個隨機不均

勻的介質的光的散射的連貫性的損失光線。
光的相關性是極為重要的選擇光子經歷過的或少量的散射事件，以及用於產生散斑調製
字段從散射相位物體的單個和多個散射，這種方法是非常重要的 斷層掃描，衍射，全像
攝影，光子相關光譜學，雷射多普勒測速儀， 組織和生物流量和散斑干涉研究成果，採
用短相關長度的光源開闢了新的機會，組織的相關干涉和斷層掃描，器官和血液流動。
陳彥伯翻譯的部分
Quasi-elastic light scattering (QELS) as applied to monitoring of dynamic systems
(chaotic or directed movements of tissue components or cells) is based mainly on the correlation or spectral analysis of the temporal fluctuations of the scattered light intensity . QELS spectroscopy (also known as light beating spectroscopy or correlation spectroscopy) is widely used for various biomedical applications,particularly for blood or lymph flow measurement and cataract diagnostics.
適用於監測的動態系統（混亂或定向運動的組織成分或細胞）的 準彈性光散射（QELS）
的散射光強度隨時間波動的相關性或頻譜分析，主要是基於。 QELS 光譜（也被稱為光
的跳動光譜或相關光譜）被廣泛用於各種生物醫學應用 ，特別是對血液或淋巴液的流量
測量和白內障診斷。

Diffusion wave spectroscopy (DWS) is available for the study of optically thick tissue when multiple scattering prevails and photon migration (diffusion) within tissue is important for the character of intensity fluctuations.
擴散波光譜（DWS）可用於研究光學厚組織勝過多重散射和光子遷移（擴散）的強度波
動影響在厚組織內是很重要 的特性。
Raman scattering is the basis for Raman vibrational spectroscopy. It is a great tool to study the structure and dynamic function of biological molecules and has been used extensively for monitoring and diagnosis of diseases such as cataracts, artherosclerotic lesions in coronary arteries, precancerous and cancerous lesions in human soft tissues, and bone and teeth pathologies.
拉曼散射是拉曼振動光譜的基礎。
這是一個用來研究生物分子的結構 和動態功能的好工具，已被廣泛用於監測和診斷的疾
病，如白內障，在冠狀動脈粥樣硬化病變，癌前病變和癌前病變的人體軟組織，骨骼和
牙齒的病症。
Light-induced fluorescence is also a powerful noninvasive method for tissue

pathology recognition and monitoring. Autofluorescence, fluorescence of introduced markers, and time-resolved, laserscan, and multiphoton fluorescence have been used to study human tissues and cells in situ.
光誘導熒光也是一個功能強大的非侵入性用於檢查組織病理識別和監控的方法。
自體熒光，熒光引入的 標記，時間分辨，激光掃描，和多光子熒光已被用來研究人體組
織和細胞原來的位置。
葉政翰翻譯的部分
Light-induced thermal effects on tissue are important for diagnostics, therapy, and surgery.5,7,12,20–25The optothermal spectroscopy, based on detecting time-dependent heat generation induced in a tissue by pulsed- or intensity-modulated optical radiation, is widely used in biomedicine. Among optothermal methods, optoacoustic (OA) and photoacoustic (PA) techniques are of great importance. They allow one to estimate tissue optical, thermal, and acoustic properties that depend on peculiarities of tissue structure.
For thermal phototherapy and surgery, much higher light intensities are used.
Controllable temperature rise and thermal or thermomechanical damage
(coagulation, vaporization, vacuolization, pyrolysis,ablation) of a tissue are important in that case.

FIGURE 3.1 Water, some tissues (aorta, skin), and tissue component (whole blood, melanosome, epidermis)absorption spectra. Wavelengths of lasers widely used in laser therapy and surgery are also shown (ArF, KrF, and XeCl excimer lasers; dye laser; argon laser; solid-state Nd: YAG, Ho:YAG, and Er:YAG lasers). (From Jacques, S.L. et al., Proc. SPIE, 4001, 14, 2000. With permission.)
光導熱效應對組織地診斷是相當重要 的,治療,手術.光致熱光譜,基於在檢測到在一個組
織誘導的依賴於時間的熱生成通過脈衝或強度調製的光輻射,是很廣泛的使用在生物醫
學上光致熱的方法中,光聲(OA)跟光震波(PA)科技是非常重要的.他們允許去估計一個光
子,熱,跟聲學的特性憑藉在特殊性的組織架構上對於熱的光療與手術,會使用更高強度的
的光.可以控制 溫度的上升與熱或熱的傷害(凝固，汽化，空泡化，熱解，切除)在這種

情況下組織是相當重要的圖 3.1 水，一些組織（主動脈，皮膚）和組織成分（全血，黑
素小體，表皮）吸收光譜.激光治療和外科手術中廣泛使用的激光器的波長還示出（ARF，
氪，XeCl 準分子激光器，染料激光器，氬離子激光器，固態 Nd：YAG 何：YAG，Er：
YAG 激光.（從雅克，S.L.等.人，. SPIE，4001，14，2000。隨著權限）.
圖片翻譯 wavelength 波長 skin 皮膚 aorta 主動脈 epidermis 皮表 melanosome 黑素小體 whole blood 全血 excimer 準分子 absorption coefficient 吸收係數
2.補充與應用[整合版]
擴散光學斷層掃瞄術 (Diffuse Optical Tomography; DOT)
擴散光學斷層掃描技術在生醫光學領域是一項非常有潛力的造影技術，它是利用近紅外
光來量測生物體中正常與不正常組織之散射與吸收的程度不同，藉此來重建影像，主要
的應用方面為大腦功能性檢測以及乳癌偵測。目前不論在光學系統架構相關參數（例
如：光源與檢測器相對位置、光源與檢測器數目、光源波段等，如圖一所示）或是核心
的影像重建演算法以及空間解析度(special resolution)方面都還有很大的進步空間。
在硬體架構方面，光源與檢測器分布之相對位置將會影響到檢測範圍、深度，而組織散
射係數(scattering coefficient)與吸收係數(absorption coefficient)也將影響到影像重建

演算法推導。
圖 1： 光源與光檢測器相關位置所造成之光在組織中行進路徑的差異
近紅外光重症醫學診斷輔助系統 (Diffusion optical spectroscopic imaging)
臨床上為了解患者病況，需監控患者的心跳、血壓、SpO2 等生理參數，為提供醫療人
員更多關於病人的生理資訊，我們透過使用 DOSI(Diffusion optical spectroscopic imaging)量測病人在靜脈束縛下四肢的血氧變化，期盼此參數在未來能成為臨床醫師在
治療與診斷的有效輔助工具。 人體組織中的主要物質如血紅素、水與脂質等，會對不
同波長的光有不同的吸收係數(圖一)，這些物質對近紅外波段的光吸收較小且吸收係數
變化也較明顯。因此利用此波段的光源，可以進行非侵入量測局部組織的物質濃度。
圖一、血紅素、水分與脂肪在近紅外光波段的吸收光譜

近紅外光光譜學便是利用多波段光源，取光檢測 器對應不同光源的光通量，來計算組
織物質濃度的一種技術，相較於傳統近紅外光譜學的單點量測，在本研究中我們使用的
是連續波(continuous wave)的 DOSI 系統，使用四組兩個不同波段的進紅外光(780nm、
850nm)雷射二極體，將光導入組織中，經由九個光二極體偵測透過組織後的擴散光子
強度，再將訊號傳回電腦的訊號擷取卡(data acquisition card)，由已知的入射光、量測
到的擴散光強度和各項組織特性參數，透過 modified Beer-Lambert law 便可利用電腦
計算出含氧血紅素(oxy-hemoglobin)和去氧血紅素(deoxy-hemoglobin)的濃度變化
量，而透過多點的光源和光偵測器的組合便可建立局部組織的血氧變化影像(圖二)。
圖二、含氧血紅素變化影像
光學同調斷層掃描術 (Optical Coherence Tomography; OCT)
光學同調斷層掃描術 是一種的光學成像技術。此技術是測量光進入物質或生物組織後
所產生的背向散射光而得到的組織影像。與現有的非侵入式測量技術如超音波比較，
OCT 具有優異的空間解析度(<20
μ m)，可得到清楚的組織影像資訊。傳統的 OCT 主要
構築於麥克森干涉儀(Michelson Interferometer)之上，基本的架構圖如圖 1 所示。經過

分光片之後，用來干涉的兩道光分別經過參考端(reference arm)和樣品端(sample arm)
後於光偵測器處產生干涉。參考光為通過一反射平面鏡後射之光束，而樣品光的部分則
是光打入樣品後反射回來的光束。由於組織特性的差異，光在組織內會產生散射
(scattering)或吸收 (absorption) 的情況。OCT 主要收集背向散(反)射的光子來進行成
像。值得一提的是，與一般的光學儀器不同，OCT 會刻意的選擇低同調長度(low coherent length)的光源。光源同調長度可等同於干涉可發生的範圍，亦即有反應
訊號的範圍，只有參考端與樣本端之光程差在同調長度之內才會有干涉發生，這也就代
表空間上的解析能力，當兩端之光程差差距很遠時，高同調性光源依然可以有很好的干
涉性，低同調性光源則只在光程差差距很短的情形下才會有干涉發生。而在光源波長的
選擇方面，雖然理論上波長越長的光穿透深度將越深(這也是我們所樂見的)，但事實上
並非如此。由於生物體中(以人體為例)約有 70%的水分，水分子對於 1400nm~2600nm
的
光有強大的吸收能力，故此波段的光源其實是不適合用於生物體組織探測的。另外紫外
光容易造成組織損傷，故也不適合用於生物組織，現今一般大多選在近紅外光(near infra ray)的波段(約 700nm~1300nm)來作為光源。隨著應用於不同組織的需求，各種功能性
的 OCT 也陸陸續續被開發出來，例如都普勒 OCT(Doppler OCT)、極化敏感
OCT(Polarization Sensitive OCT)等等，都已分別的用在不同的醫學領域之中，如眼科，
口腔外科，牙科，腸胃科(配合內視鏡)等等。

圖 1. 傳統 OCT 架構圖，OCT 使用低同調長度之光源以增加軸向解析度[2]
圖 2.OCT 下之視網膜成像[3]
圖 3. 3D 大腸黏膜 OCT 圖[4]

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【Bioptron 生化光療儀】，手術後每次使用臉部光療二十分鐘，為期一週治療，可加速
術後的傷口癒合及消腫，縮短恢復期，快速展現您的手術效果!! 【Bioptron 生化光療】
是一種多色彩光不含紫外線且能量穩定的偏正光。其波長在 480nm~3400nm 的範圍，
均為人體細胞不可缺少且有益皮膚的光譜與能量，進而對細胞產生正面的生物刺激作
用，主要有 ：
1. 協調新陳代謝的過程
2. 增強人體免疫系統
3. 刺激細胞再生及修護過程
4. 促進傷口癒合
5. 解除或減緩疼痛
電子耦合攝影機
電子耦合攝影機:可將瞬間流場中各個質點之影像拍攝下來，以數位式影像之方式輸出
至影像擷取卡。其影像解析度為 1008×1018 像素、每一像素由 256 的灰階值來表示影
像的明亮度。在電子耦合式攝影機抓取一組(兩張)影像時，第一張影像的曝光時間為 0.25 ms、第二張影像的曝光時間為 33.33 ms，以擷取瞬時影像資料。
3.個人應用與想法

[劉哲瑋]
可用近紅外光對生物細胞或粒子作穩定的捕捉，如：癌細胞
[李奎宏]
在醫療應用中，將波長小於 1．5 毫微米者為短波紅外線，即近紅外線。
紅外線能量為人體吸收後轉變為熱能，可引起血管擴張，循環血量增加，新陳代謝旺盛，
免疫功能增強，因此可促進滲出吸收，水腫消除，炎癥消散；也可降低感覺神經的興奮
性，緩解疼痛，緩解肌肉痙攣，並能促進肉芽組織和上皮組織生長，加速傷口癒合，鬆
解粘連，減輕瘢痕攣縮。對於年老體弱、兒童或不宜針灸者尤為適宜。
近紅外線本身是無色的，也無法用肉眼看見。在人類所熟悉的世界裡，近紅外線並沒有
太大的用途。但是當科技日益發達，人類拜科技之賜運用各種模仿、作偽等技巧改變既
有的價值觀點，影響正常的生活規範。
此時，近紅外線就扮演明察秋毫的「法眼」角色。而當科學文明使生活環境急劇變化，
污染、疾病危害到人類生存時後，近紅外線又扮演分析偵查的角色，把各種問題呈現到
眼前以便處理與限制。
其他如犯罪防制，科學研究等與人類生活息息相關的活動，都必須靠近紅外線技術來開
發、研究、解決。
[陳彥伯]

對於光與肉體組織之間的應用有很多，基本上我們所想的想法都有人做出來了，於是在
找資料時看到一篇文章寫得， 現 代 科 學 的 研 究 結 果 證 明 自 然 的 陽 光 會 增 加 人 體 對
氧 氣 的 吸 收、降 低 心 跳 的 速 度、加 速 皮 膚 的 新 陳 代 謝，調 節 人 體 免 疫 功 能，甚
至 改 善 肌 肉 的 能 量 。 同 時 全 光 譜 的 光 源 也 具 有 殺 菌 的 功 能 。 甚 至 在 1980 年 科
學 家 McDonagh 博 士 在 一 項 研 究 中 證 明 自 然 陽 光 或 全 光 譜 的 人 工 光 線 可 以 治
療 黃 疸 病，而 我 們 也 經 常 聽 醫 學 專 家 提 醒 常 曬 太 陽 可 以 促 進 鈣 質 吸 收，因 為 人
體 對 於 鈣 質 的 吸 收 主 要 靠 維 生 素 D。人 體 必 須 經 由 太 陽 光 中 的 紫 外 線 照 射 到 皮
膚 後 合 成 維 生 素 D3，再 於 小 腸 中 結 合 鈣 的 吸 收。 因此我有了一個想法，是不是能
做出一台能只放出對身體有益的人工光線並且去除某些對身體有害光或光譜，幾本上是
類似於日光浴機，只不過不是為了改變膚色，而是為了健康。
[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
[姜政暉]
運用在田徑選手身上，測量百米賽跑速度，能精確的測量出該選手之百米速度。也能運
用在一直線之運動比賽，精準測量該選手位移量與能力。

[1].B. E. Bouma and G. J. Tearney, “Hand book of Optical Coherence Tomography”,
Marcel Dekker, Inc., New York, 2003.
[2].J. G. Fujimoto, “Optical Coherence Tomography”, Applied Physics, vol.2, issue 8, pp.1099~1111, 12,OCT, 2001.
[3]. R. Huber, D. C. Adler, V. J. Srinivasan, and J. G. Fujimoto, “Fourier domain mode locking at 1050 nm for ultra-high-speed optical coherence tomography of the human retina at 236,000 axial scans per second”, Optics Letters, Vol. 32, Issue 14, pp.
2049-2051, 2007.
[4]. Desmond C. Adler, Chao Zhou, Tsung-Han Tsai, Joe Schmitt, Qin Huang, Hiroshi
Mashimo, and James G. Fujimoto, “Three-dimensional endomicroscopy of the human colon using optical coherence tomography”, Optics Express, vol. 17, Issue 2, pp. 784-796, 2009.
[5]. http://fineonline.wwwwang.com/content/201111/1676138.shtml
[6].[長庚生物科技] http://www.cgb.com.tw/j2j0/cus/cus1/hel/hel1/10001.jsp
[7].[長春月刊] http://www.ttv.com.tw/lohas/green11423.htm