生物医学光子学.doc

生物医学工程二班 李倩 20100260209生物医学光子学运用光子学原理和技术，为医学、生物学和生物技术领域中的问题提供解决方案即构成生物医学光子学的研究内容。生物医学光子学涉及对生物材料的成像、探测和操纵。在生物学领域，主要研究分子水平的机理，监测分子结构与功能，在医学领域，主要研究生物组织结构与功能，能对生物体以非侵入的方式，实现宏观与微观尺度分子水平的疾病探测、诊断和治疗。目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗机理极其作用机理的研究。这里我主要介绍的是生物医学光子学在医学上的应用。1. 生物医学光子学的发展与战略地位生物医学光子学的内涵生物学或生命科学是光子学的一个重要应用领域。生物学研究与医学研究、诊断和治疗涉及到的光学及其相关的应用技术，包括其中最基础性的光物理问题，均可列为生物医学光子学的研究对象。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中，与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了新方法，为生物学研究提供了新的手段，还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。越来越多的事实说明人们对采用生物医学光子学技术解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症所起的作用寄予很大希望，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产 2. 生物医学光子学有关医学的的主要内容（1） 生物物组织中的传输理论; 当前组织光学统一的理论架构体系尚未建立，生物组织的光学理论远未成熟。需要有更精细和准确的理论来替代现有过于简化的模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。此外，发展生物组织中光传输的数值模拟也是一个研究方向。应根据生物组织的多样性和复杂性要求，除了把注意力放在开发新的更为有效的具体算法上外，还应把蒙特卡罗方法作为工具，具体应用到实际的组织光学模型上，通过计算给出关于光在生物组织中传输的新知识。除了了解光在组织中的分布与其光学性质基本参量之间的确定的经验关系，为无损光活检或光诊断开辟一条新的途径。活体组织光学参数的测量方法与技术实际应用中真正需要的是人体活体组织的光学特性。凡是与基本参数有关的关系或规律，都可以成为测量的依据和原理，因而涉及到的内容几乎是包罗万象的。比如，发人深思的研究内容含盖时间分辨、频率调制、相干、散斑与逆求解技术，这些方法都可以用来测量和刻画组织的主要光学性质(吸收和散射因素)。新的手段还有相干背散射、超快时间分辨谱与空间分辨谱、光谱动力学、全息术、干涉和相干非线性光学效应、脉冲与相位调制术、甚至神经网络技术等等。反射光谱学的理论与技术漫散射光谱技术作为一种无创检测方法已在血氧监测方面得到成功的应用。理论依据是:由于在近红外光谱区生物组织具有低吸收强散射的特性，因此近红外光能够达到组织部一定深度，部分光被吸收，其余被散射回到组织表面，即为漫反射。根据漫反射率与生物组织光学参数的关系，从测量数据中计算出吸收系数和有效散射系数等组织的光学参数，并且可以利用它们的数值的变化计算影响组织光性质的分析物的浓度变化。将漫散射光谱技术应用于“组织光学参数测量”，或无创血糖和其他体液的检测，还有许多理论和实验研究工作需要完成。生物组织的光热响应有关光与辐照组织光热响应理论目前尚处于初级阶段，已提出的模型和公式仅能粗糙地估算组织吸收光能量后的热响应和过量辐照造成的热损伤。这是任何光治疗和光诊断涉及的最基础的问题之一。因为组织对光辐射的热响应与激光光源特性密切相关，在宽广的光谱范围内连续或脉冲光均表现出不同的组织吸收、散射行为和不同的穿透深度，进而反映出组织体内不同的温度响应及其热分布特征。人体组织是一种十分复杂且多样化的介质，激光辐射产生的各种光热现象与组织固有的生理属性是互为依赖。有需要针对每一种特定的光诊断或是光治疗研究其激光辐照下热响应的生物物理现象及其内在生物作用机理，确定个体靶对象的特定波长光剂量，以期达到预定的医学效果，又避免热致损害。这是目前新建一项光医疗技术不可或缺的基础性工作。（2）医学临床(前)诊断技术 主要包括荧光测量与成像技术;散射成像;光谱测量与成像技术;时间与偏振分辨成像技术;超声调制的光学成像技术。（3） 医学临床治疗技术(激光医学)光动力疗法;激光内窥镜手术;激光心血管病学;光子中医学的探索;激光美容嫩肤术;激光外科学;激光运动医学;新型激光器械、光学传感器与新技术在各临床学科的应用。 *生物组织超声调制的光成像方法与技术利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性，将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合，以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断技术。采用高灵敏度光子学检测技术和实时快速傅里叶变换技术，最终将提供一种适合临床医学影像诊断的聚焦超声调制光学层析成像方法，为临床医学上小于1mm线度的早期癌组织诊断、无损伤医学活检和组织代谢功能识别做理论和技术上的准备。预期成像深度远好于目前的光学成像方法，对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力，可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。 *无创伤的血糖测量术目前，糖尿病人需要经常性地采集血样进行化验，这既不方便又不及时，还给病人带来痛苦。因此，新的可靠的无损检测方法一直是人们追求的目标。已经提出一些诸如在体内埋人电化学传感器和基于光谱光的方法等，但这些方法都不是很成熟。近年，有研究发现，血糖浓度与组织的光散射系数呈一定的相关性。这说明有可能通过无损地测量组织的光学性质参数，间接地得到血糖水平，这就为血糖的光学检测开辟了一个新的途径。这个新方法利用了血糖对光在组织传输行为的影响作用。然而，由于生物组织的复杂性，血糖水平与组织光学性质参数之间的联系并不表现出简单的对应关系。这里面还有许多现象需要研究。*新颖的光子技术、器件和仪器开发如:研制医用半导体激光系统、角膜成形与血管成形用准分子激光设备、激光美容(换皮去皱、植发)这新近兴起的光子嫩肤保健型设备或其它新激光设备，开拓新工作波段的医用激光系统以及开发高性能的超脉冲CO,Ho,YAG及Er:YAG激光手术刀等。此外，为了提高靶面上使用的辐照m值，增强作用效果，避免治疗的热灼伤，无论对外科技术的强激光或是美容嫩肤的弱激光治疗，均要求对治疗面实施直接冷却。此类激光治疗中的冷却技术开发应引起人们的重视。生物医学光子学被预测将在以下八个领域有