飞秒激光技术在医学领域的应用研究

1、飞秒激光技术在医学领域的应用研究王康 孙楠(德州学院物理与电子信息学院，山东德州253023)摘 要：通过探讨飞秒激光及其在生物医学上的应用，揭示激光技术在生物医学上的发展前景。从飞秒激光的产生和特点出发，探讨飞秒激光技术在医学领域的应用。飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最有力的新工具之一，是人类目前在实验室条件下所能获得的最短脉冲的技术手段。也是目前人类观察发现微观世界，揭示超快运动过程的重要手段。医学以及其他科学技术的研究因此获得了突破性发展。飞秒激光技术在医学领域上有广阔的发展前景。关键词：飞秒激光；医学领域；应用。1绪论 随着近代物理学和计算机科学的迅速发展，人们对生命现象的

2、认识逐步深入，医学的各分支学科已愈来愈多地把他们的理论建立在精确的物理科学基础上，物理学的技术和方法，在医学研究和医疗实践中的应用也越来越广泛。随着蛋白质空间结构的X射线解析和DNA双螺旋结构的发现，开始了以分子生物学为核心的现代生物学的时代，对遗传信息载体核酸和生命功能的执行者蛋白质的研究成了生命科学的主要内容。与生物技术相同，激光技术的发展也非常迅速。1981年，美国贝尔实验室的R.L.Fork等报道了脉冲碰撞锁模激光器的实验结果，将激光脉冲宽度推进到飞秒量级。 随着飞秒激光技术的发展，近红外飞秒激光在生物学上的应用日益增多。飞秒时间尺度正好处在基本的化学反应和分子内电子和原子核运动的特征

3、时间范围，因此可以用来研究化学反应的动力学过程。大多数细胞在近红外波段是透明的，因此近红外飞秒激光对细胞的穿透深度深，并且当飞秒激光聚焦于透明材料时，聚焦处的光强非常高，足以引起非线性吸收，但聚焦处的附近的热影响非常小，对邻近细胞几乎没有破坏。飞秒激光还可以应用于显微成像，其特点是在生物体内的完整组织中可以得到高的荧光分辨率。而且材料对激光能量的吸收导致在其内部产生亚微米尺度的等离子区，随后这些能量以热和冲击波的形式传递给其他分子。整个过程应用于生物医学中的切割细胞结构。本文综述飞秒激光在医学领域的应用。2飞秒激光的相关知识2.1飞秒激光的定义激光曾被视为神秘之光，并已被人类广泛使用。近年来，

4、科学家研究发现了一种更为奇特的激光飞秒激光，飞秒也叫毫微微秒，简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位，飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。飞秒激光在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大，目前已有所应用，科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。2.2飞秒激光的产生自1960年T.H.Maiman研制成功第一台激光器红宝石激光器以后，关于短（超短）激光的脉冲就开始了。1961年，Hellwarth提出了调Q的概念用以实现脉冲激光的输出。同年，利用被动调Q技术在红宝石激光器上首次实现了脉冲宽度为几十个纳秒的短激光脉冲输出。2.3飞秒激光的性质特点1981年,

5、美国贝尔实验室的Fox等报道了脉冲碰撞锁模(CPM)激光器的实验结果，将激光脉冲宽度推进到飞秒(10-15)量级，使脉冲激光器进入飞秒时代。飞秒染料激光标志性指标是：激光器直接输出的光脉冲宽度小于30fs，单脉冲能量在pJ量级；放大的光脉冲经光谱展宽后再经脉冲压缩，获得最窄脉宽为6fs，最大单脉冲能量为几十J；经光学频率变换的光谱范围覆盖紫外到近红外。尽管飞秒染料激光器已显示出诱人的特性，但这类激光器必备的染料循环系统，给激光器的使用带来诸多不便，加之染料的毒副作用，影响了飞秒激光的广泛使用。以掺钛蓝宝石为代表的优质固体激光工作物质的出现及克尔透镜自锁模(KLM)技术的提出和应用，克服了飞秒染

6、料激光器的缺点，提高了飞秒激光器运转性能。目前，吗、飞秒固体激光标志性指标是：输出的光脉冲宽度小于10fs，单脉冲能量在nJ量级；光脉冲经光谱展宽后再经脉冲压缩，获得最窄脉宽为5fs；经过调节脉冲放大获得的最大单脉冲能量可达焦耳量级。峰值功率达皮瓦(1015W)；经光学频率变换的光谱范围覆盖紫外到近红外。飞秒激光是我们人类目前在实验条件下能够获得的最短脉冲，它的精确度是±5微米；飞秒激光有非常高的瞬间功率，它的瞬间功率可达百万亿瓦，比目前全世界的发电总功率还要多出上百倍；物质在飞秒激光的作用下会产生非常奇特的现象，气态的物质、液态的物质、固态的物质瞬间都会变成等离子体；飞秒激光具有精

7、确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小的多的超细微空间区域；用飞秒激光进行手术，没有热效应和冲击波，在整个光程中都不会有组织损伤。2.4飞秒激光的用途 飞秒激光有什么用途呢？众所周知，物质是由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点

8、和不可替代的作用。物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生射线激光，产生正负电子对。高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实

9、现新一代能源开辟一条崭新的途径。2.5飞秒激光的生物医学基础飞秒激光在生物组织中传播及与目标互作用时表现出的特殊规律，是fs激光在生物医学中广泛应用的基础。一束飞秒激光入射到生物组织，一部分被吸收,大部分被散射。光的散射服从统计规律。若生物组织确定，散射概率是和生物组织结构及入射光波长有关的确定值，如图1所示。根据散射理论，透过生物组织的光分弹道光(直行光)，蛇行光和漫射光。弹道光是未被散射的光，传播方向与入射光相同，保持入射光的特性，携带生物组织的信息最多，通过生物组织的光程最短,存在的几率最小。因此，弹道光最先出射生物组织，光强最弱。蛇行光经历较少次散射，仍保持入射光的特性，携带生物组织内

10、部结构的信息，传播轨迹蜿蜒状如蛇行，在生物组织的光程长于弹道光，迟于弹道光出射，强度强于弹道光。漫射光是被生物组织多次散射的光子，占透射光的大部分，基本失去入射光的相干性，仍隐含着生物组织内部结构的信息。生物组织的背向散射光也由3部分组成：单次背向散射光，和弹道光相似；几经散射的背向散射光，和蛇行光相似；背向漫射光和透过漫射光相似。图1短脉冲进入高散射介质后的散射飞秒激光极短的光脉冲宽度和极小的单脉冲能量，与目标相互作用可获得极高的空间(小于1m)和极高的时间(fs量级)分辨率，可进行细胞或亚细胞的操作；飞秒激光脉冲峰与基底上之比可达106，应用时可获极高的信噪比；飞秒激光极高的峰值功率，与生

11、物组织外源性或内源性物质进行多光子互作用，产生高阶非线性过程。为生物医学的示踪、诊断与治疗提供独特光子技术手段。3飞秒激光在医学中的应用3.1时间选通门扫描成像技术近年来，创造出多种时间选通门扫描成像技术，对深藏在散射介质或生物组图2飞秒激光互相关时间选通门扫描成像装置织内物体成像。图2为时间选通门扫描成像装置示意图。装置以飞秒激光为光源，采用二次谐波强度相关作为时间选通门，将弹道光和部分蛇行光从漫射光中分离出来作为成像的信号光。因为采用飞秒激光为光源，纵向分辨率小于30m，横向分辨率在几十m。方法采用二次谐波强度相关技术，可对信号光进行时间、强度、偏振和传播方向进行选通。因此，可对深藏在散射

12、介质或生物组织内物体成像，也可对癌变组织进行鉴别。3.2双光子荧光诊断与治疗双光子荧光是指基态的荧光物质吸收两个光子的能量后跃迁到较高的激发态，随后辐射荧光直接回到基态，因而双光子荧光波长都较激发光波长短。照射光越强，被激发到激发态的分子数越多，产生的荧光越强，测量时灵敏度越高。80年代，外源HPD荧光诊治癌症用于临床，常用的光源为高压汞灯和氪离子激光、氩离子激光等。由于使用的光源波长与HPD的激发波长的峰值(405 nm)不匹配，因此荧光效率不高，诊治灵敏度不理想。我们研制的自锁模钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲作激发光源，如图3所示。钛宝石激光器输出波长为810 nm， HPD分子经双光子吸

13、收后，产生荧光；自锁模钛宝石激光器输出光脉冲宽度为飞秒量级，虽然单脉冲能量很小，但峰值功率很高，可产生强荧光；飞秒光脉冲对病变周围正常组织损伤性小。方法有望成为癌症诊断和治疗有效的方法之一。图3飞秒双光子荧光实验装置3.3光镊及细胞手术系统80年代中期，贝尔实验室的Arthur Ashkin发现，一束连续波低功率(1W以下)激光能“捕捉”单个细菌和原生动物。他和他的合作者证明，整个细胞和细胞器能用激光抓住并移动。对于特定频率的激光，足够小的透明物体会折射入射的光束，使路径偏折，折射的结果是动量从激光传递给了目标。如果激光光束与目标的几个关系布置正确，传递给目标的动量就会把目标向着入射的光束拉动

14、，从而激光就能把目标移动。激光抓住物体，是动量守恒基本物理定律决定的。如图4所示，在光束内的任何一对对称的光线( A和B)会产生力Fa和Fb，是目标对光线动量变化的反应造成的。如果焦点位于目标中心前，任何一对力的合力就会把目标拉向焦点；在目标中心之后的焦点会对目标施加一个推力；焦点位于目标中心的左边或右边会把目标向左或向右移动。这束微小光束如同一把极细微的镊子，将细微颗粒捏住，因此形象地称之为激光光镊。倘若在使用激光光镊的同时，第2束激光作为解剖刀或剪刀，则可在细胞器上进行精细的外科手术。著名的激光剪刀提出者M. W. Berns教授在一篇综述文章中，把激光剪刀的激光脉宽的时间坐标推进到飞秒尺

15、度。图4激光光束与细胞作用图激光光镊及剪刀的结合使得生物学家能够成为细胞外科医生,去探测和操纵细胞和细胞器。这些技术的应用对于发育生物学细胞结构和功能的研究及人类基因组织的破译和处理都有深远的意义。3.4飞秒激光飞行质谱DNA排序 飞行质谱DNA排序在基因工程中具有突出的潜能。质谱仪是利用电磁学原理使离子按质荷比分离，从而测定物质的质量与含量的仪器。近年来有人采用激光激发原子、分子使之电离，激光的作用是使吸收到光束内的分子产生光子吸收从而将处于基态的中性分子电离。实验已经证明，飞秒激光脉冲与纳秒激光脉冲相比，飞行质谱过程中，分子和离子的多光子激发减少了分子的磨裂损伤，提高了对分子信息更精确的检测。4总结飞秒激光以脉宽窄、高峰值功率及高信噪比的特点，在生物医学领域取得了巨大成就。生物医学诊断和光谱测量的光学相干法及多光子激发荧光显微系统中，飞秒激光特别是固体飞秒激光器成为众所瞩目的焦点。但是在提高飞秒激光器在各应用领域中的精