新型光学成像技术及其在生物医学中的应用

1、50激光杂志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 2成鹏1激光生物刺激作用的最新研究1医用激光研究与临床,1992, (1 :4-6射时间的关系, 及皮肤受损伤时的温度曝光时间曲线来正确地选择激光的功率密度和照射时间等。例如, 对于功率较小的激光(如He -Ne 激光 我们可以增加照射时间或适当地进行聚集照射以达到最佳的刺激, 对于功率较大的激光(如CO 2激光 , 则可以进行扩束照射或相应地缩短照射时间等。激光的扩束照射, 不但可以增大照射面积, 而且还可以提高治疗速度。此外, 我们可以利用激光刺激作用的积累效应分多次照射, 三、五天为一个

2、疗程, 一个疗程后停照三天左右再进行第二个疗程, 以增加刺激效果, 还可以根据皮肤温升与激光参数的关系, 以皮肤的温升为控制量, 由计算机来控制激光器所输出激光功率密度和激光照射时间等, 从而使治疗自动化, 并获得最佳效果。由于在推导时, 我们作了一系列的近似处理, 因而所得的结果与实际有些误差, 因此, 实际应用时, 所取的参数可比理论计算值稍大。然而, 如果考虑各种热量的损失, 9-11合。因此, 文1激光针刺1国外激光,1988, (11 :27-303J 1W 1Roy ;Laser Focus ,1986,22(5 :78-914徐国祥1弱激光的生物效应应用及其在理疗和针灸的临床应用

3、与展望, 激光医学在中国1中华医学会,79-835李峻享, 梁宏主编1激光医学激光在生物医学中的应用1北京:科学出版社,19896A. J. Welch 1The Thermal Res ponse of Laser Irradiated Tissue 1IEEEJournal of Quntum Electronics ,1984,Q E 220(12 :1471-14807T. F. Deutsch ,Medical Application of Laser ,Physics Today ,1988,41(10 :56-638王书波等. He -Ne 激光照射穴位治疗遗尿症. 中国激光,1

4、986,13(5 :3179郑玉红, 弱激光临床治疗观察的体会. 医用激光杂志,1994,8(3 :51-5310李忠明, 陈五高. , 应用激光,1995,15(6 -27811施秋顺等He -. 中国激光医学杂,74 :26312. -, 激,1998,19(3 :63-64作者简介:李忠明, 男,23岁, 副教授, 毕业于华中师大,现在咸宁师专从事激光经济的研究。新型光学成像技术及其在生物医学中的应用沈彬1李加2张彦军2李宁2(天津职工医学院1, 天津300052 (南开大学光子学中心2, 天津300071提要:本文介绍了在生物医学中有广泛应用前景的共焦扫描光学显微镜、扫描近场光学显微术

5、和光学相干微术三种新型成像技术的基本原理和应用。关键词:共焦扫描光学显微镜, 扫描近场光学显微术, 光学相干显微术, 成像N e w image technologies and their applications in biomedical f ieldS hen B in 1L i Jia 2Zhang Yanjun 2L i N ing 2(Tianjin Medical College of Health Workers , Tianjin 300052 (Photonics Center ,Nankai University , Tianjin 300071Abstract :Th

6、is paper presents the basic principles of confocal scanning optical microscope ,scanning nearing 2field optical microscopy and optical coherence microscopy and their application ,they have enormous potential in biomedical field.K ey w ords :con focal scanning optical microscope ,scanning near 2field

7、 optical microscopy ,optical coherence microsco py ,image生命科学是21世纪科技发展的最大热点之一, 而光与生命有不解之缘。早期的光学显微镜就为生命科学的研究提供了十分有用的工具。但由于生物组织的极度不均匀性, 形成了对光波的强烈的散射作用, 加之生物组织对光波的强烈吸收, 致使光波无法深入到生物组织, 也就不能从生物组织中取出清晰的图像。随着光子学的骤然兴起, 近年来科学家们研制了一系列光学与光子学取像方法, 本文对此做简要介绍。Microscope ,CSOM 具有许多常规显微镜所没有的特性。它只允许由处在焦平面上的样品薄层的反射光通

8、过目镜而被观察和记录, 因此得到的是样品中一个薄层图象。图像具有高的对比度和高的分辨率。共焦扫描光学显微镜的共焦特性可以由图1来说明。在图1(a 中, 系统被精密调准时, 由光源通过光阑孔射出的光, 经物镜形成受衍射限制的光点, 此光点照射位于物镜焦平面上的样品中的一点, 由此点反射回来1998年6月18日收稿1共焦扫描光学显微镜1(Confocal Scanning Optical 共焦扫描光学显微镜1998年9月10日收到修改稿激光杂志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 的光线再次通过物镜及其后的观察孔光阑被其后的探测器所探测, 即可获

9、得共焦图像。被光源照射的光阑起点光源作用, 观察孔光阑及其后的探测器起点探测器作用。如果当观察样品的对象移出焦平面, 其反射光线来自物镜的焦平面的上方或下方的物体的反射, 这些反射光线经物镜后不能被聚焦到观察孔光阑里去, 而被散焦到其孔光阑之外, 如图1(b 所示。使此孔光阑后面的探测器上的接收信号的幅值将迅速的减小, 从而使获得的 图像具有好的对比度和高的分辨率。51Microscopy ,SNOM 是在近场探测原理的基础上发展起来的一种光学扫描探针技术, 其分辨率突破了光学衍射极限, 可达10200nm 。SNOM 原理是采用一亚波长尺寸的光学探针作为光源和探测器。当一个亚波长孔径的微小光

10、源在物体的近场范围内照射时, 照射光斑的面积只和孔径大小有关而与波长无关。把探针置于物体的近场区域(<100nm , 反射光或投射光中将携带物体亚波长尺寸结构的信息, 通过扫描采集样品中各点的信号光即可得到分辨率小于半波长的样品的近场图像。实验装置图如图3所示。SNOM 的分辨率理论上可获得10nm 或更小。除具有高的分辨率外, 它还有快捷、低廉及对生物样品的低损伤等特点。SNOM , 如反射、, 使得对生物样, 特别是为生物 。图1共焦扫描光学显微镜光路示意图(a 扫描对象位于物镜焦平面上(b 扫描对象位于物镜焦平面外共焦扫描光学显微镜特别适用于生物组织的研究, 因为它可以消除用普通显

11、微镜观察时出现的模糊。模糊的典型诱因是观察的焦平面之外的样品的扫描光线引起的。共焦扫描显微镜产生的图像不接收所有焦平面之外的光线, 这样就消除了模糊。此外由于共焦显微镜能对细胞和组织做光学上的切片, 这样获得的图像就能消除表面荧光对焦点图像的干扰, 用于揭示细胞所标记的免疫荧光信息能够被清楚地显示出来。图2(b 为普通显微镜下的白血细胞荧光图像, (a 为共焦显微镜下的荧光图像 。图3近场扫描光学显微仪实验装置图21994年中国韩涛等人获得黑鲤鱼鳞片的SNOM图2白血细胞图象(a 共焦显微镜下的荧光图像(b 普通显微镜下的荧光图像2扫描近场光学显微术扫描近场光学显微术(Scanning Nea

12、r 2field Optical图像。从中观察到鳞片中的有序排列结构和深层的介观物质(这些介观物质的光学、力学特性与周围物质不同 , 并证明了鱼鳞片中生物全息现象的存在。近年来尽管已初步了解了叶绿体中几个孤立蛋白复合物如捕光复合物(L HC 、光学反应中心I (PSI 、光的晶体结构, 但不知道类囊体膜学反应中心(PS L HC 、PSI 、PS 的相对位置及其分布。1995年美国Pa 2cific Northwests 实验室把SNOM 技术与荧光标示和光子计数器结合, 获得分离自莱因衣藻(Chlamydomonas reinhardtii C2突变株的叶绿体的完整类囊膜的韧致力荧光图和近场

13、荧光图像, 测得其捕光复合物(L HC 3寿命。他们使用C 2突变株缺少PSI 、PS 和核心天线及富含L HC 捕光复合物。测得的类囊体膜的m ×113m 的韧致力图显示出膜厚度为615×113915nm (已知的双分子膜厚67nm , 表明SNOM 测得的是一完整的双分子层膜。同时得到的近场荧光图像显示出的膜的荧光发射呈各相同性, 与Kuhlbrandt 等提出的L HC 是由三个对称单体的多个三聚体构成的近似堆积分布的结论相一致。利用SNOM 技术, 他们还获得由6个生色团组成的单个的别藻蓝素(APC 三52激光杂志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL

14、(Vol 120,No 211999 者直接指定的测量点。聚体的近场荧光图像, 再次显示出SNOM 在纳米水平上单个蛋白质分子的探测和定位能力。1995年美国密西根大学利用SNOM 的透射技术获得风干的豚鼠耳蜗毛细胞的近场图像和风干的溶血红细胞的近场图像4。SNOM 透射光法结合荧光技术, 获得用分子探针TO TO -1标记的-噬菌体DNA 的环形近场荧光图。预计今后SNOM 将会在基因图谱、细胞内膜系统、生物大分子结构、生物膜结构与功能等多方面的研究中做出更大贡献。3光学相干显微术随着分子生物学和医学的进展, 人们迫切需要了解活体组织的情况, 如胚胎在发育过程中的变化, 动物各组织的生理、病

15、理变化过程等。为了适应上述领域发展的需要, 人们开发了一系列从生物组织中成像的光子学方法。但从探测深度、合评定, 光学相干显微术(OCM 图4光相干层析仪示意图 OCT 和OCM 非常适宜于对活体组织内部进行分层探测。, 。在林影像中, 高的分辨。影像与样品相应的组织结, 并保持了原体内的取向。一种新技术。m , 显微镜结合在一起, 目前已实现的空间分辨率为4探测深度达12mm 。O CM 的高性能的成像本领是通过下述二点实现的:一是利用灵敏的外差探测, 二是离开焦点的散射光不被探测器探测。光学相干层析术(Optical Coherence Tomography , OCT 和OCM 的原理和

16、结构是相同的, 仅是物镜的数值孔径不一样。Joseple A. 等人的OCM 系统由单膜光纤迈克尔逊干涉仪和带宽为30nm 的波长为830nm 的二极管光源等组成, 如图4。干涉仪样品臂组成一个扫描共焦显微镜, 其中光纤作用为入射光和反射光的光阑。参考臂中的反射镜可以轴向移动, 且由压电陶瓷控制使之产生小振幅调制反射臂长度, 此调制频率为光电信号的外差探测提供多普勒频移。此多普勒频移也可以用压电陶瓷引起的光纤应力感生的折射率变化来实现。当参考臂的长度与到样品散射点的距离匹配到光源的相干长度之内时, 样品散射光就与参考臂上返回的光产生相干信号。通过扫描参考臂的位置和探测干涉信号包迹, 测量后向散

17、射光与样品深度的关系。通过固定参考臂长度, 横向扫描样品臂或横向移动样品 , 获得焦平面处的样品反射内部图像。沿样品臂光轴方向移动样品并相应扫描参考臂长度使两者在相干长度之内, 即可获得样品中不同深度断层处的图像。信号探测可通过在多普勒频移上解调探测器的输出完成。这种光外差探测提供的后向散射光灵敏度大于100dB 。它与光扫描外差显微镜类似。图4中的瞄准激光用于操作图5人胃壁标本OCT 图像(上图 和对应的组织学图像(下图利用这种技术已实现在心血管、胃肠道等组织深部微米分辨率的成像。在活体胃肠组织的OCM 图中, 隐窝腔、上皮细胞和固有层之间的后向散射振幅之间的差异清楚可见。图5(a 为人胃壁

18、OCT 图像,5(b 为对应的组织学图像。OCT 图像中(左侧 粘膜层和粘膜下层正常结构清晰, 而脂肪组织囊(图像中黑色 和入侵癌破坏了组织正常形态(右侧 5。借助内窥镜, OCT 图像可用于诊断浅表组织层中早期的胃肠道癌, 达到可完全治愈水平。在心血管系统中,OCT 图像可以鉴别动脉粥样硬化。图6为活体蛙心脏跳动OCT 图像6。利用这种技术还可以对活体眼睛进行成像, 测量视网膜结构, 拍摄黄斑疾病等。 激光杂志1999年第20卷第2期LASER JOURNAL (Vol 120,No 211999 53参考文献1G ordon S. K et al. ,Physics Today ,Sept

19、. 19892韩涛, 中国激光11995,A22,NO 173R. C. Dunn et al. ,J. Phys. Chem ,1994,98,30944E. Monson et al. ,Ultramicroscopy ,1995,57,2575Joseph A. IZatt et al. ,Optcs &photonics News. 1997,8(5 :416E. A. Swanson et al. ,Opt. Lett ,1993,18(21 :1864A B C图6活体蛙的心脏跳动的OCT 图像总之这种技术在活体生物组织内部微结构的测量和疾病诊断等方面有重要的应用价值。作者

20、简介:沈彬,1970年毕业于天津医学院。天津职工医学院院长, 主任医师。曾获八五立功奖章, 发表论文20余篇。虞乐华121唐建民1(1, (重庆市第九人民医院2, 重庆400700提要:-HT 、D YN 参与镇痛的机制。He -Ne 激光(剂量55、110、165J/cm 2 辐照单侧大鼠足三里穴, 应用荧光分光光度法及放射免疫分析技术分别测定脊髓5-HT 、5-HIAA 及222D YN 功能片段DynAl -含量。结果:与自身基础痛阈比较,55J/cm 组痛阈升高不明显,110J/cm ,165J/cm 组痛阈升高分别为显著和非常显著(P <0105、P <0101 。165

21、J/cm 2组DynA1-13明显增多(P <0105 , 各剂量组5-HT 、5-HIAA 均无显著变化。关键词:He -Ne 激光, 镇痛,5-HT ,D YNExpcerimental study of spinal neurochemical mechanism on H e -N e laser analgesiaY u lehua 1W u L anshun 2Chen Tti nren 1W u S hi ngmi ng 1(Department of Rehabilitation Xinqiao Hospital 1, Chongqing 400037Abstract :

22、To study thc analgesic mechanism on spinal 5-HT ,D YN transmitters due to low dose He -Ne laser irradiation on Zu SonLi acupoint. Methods :lateralZu Son Li point of rat was exposed to He -Ne laser (dose :55、110、165J/cm 2 and rat tailflick model was ap 2plied in this study to measure the animal s pai

23、n threshold. Spinal DynA1-13(activity part of D YN content was detected with radioimmu 2nassay (RIA ,while those of 5-HT 、5HIAA were determinated with spectrophoto -fluorometry. Results :55J/cm 2laser did not show any analgesia. 110、165J/cm 2laser analgesic effect became significant and more remarked respectively (P <0. 05、P <0. 01 . 165J/cm 2laser could induce the increase of spinal DynAl -13Content (P <0. 05 . otherwise ,the changes of 5-HT 、5-HIAA Concentrations were not evident in various dose laser. Conclusion :With55、110、165J/cm 2He -Ne laser irradiation o