生物医学工程学的基础理论

1、心脏兴奋与相应的心电图波形心脏兴奋与相应的心电图波形 脑电图信号脑电图信号Biomedical Photonics 所谓光子学是指研究光和其他辐射能（以光子为量所谓光子学是指研究光和其他辐射能（以光子为量子单位）的产生与利用的科学。子单位）的产生与利用的科学。 光子学的研究范围包括能量的产生、探测、传输与光子学的研究范围包括能量的产生、探测、传输与信息处理。信息处理。 将光子学应用于生物医学领域，运用光子学的理论将光子学应用于生物医学领域，运用光子学的理论和方法解决生物技术与医学中遇到的基础理论与应和方法解决生物技术与医学中遇到的基础理论与应用技术等方面的问题，即成为用技术等方面的问题，即成为

2、生物医学光子学生物医学光子学。 生物医学光子学主要服务于人类疾病的诊断、预防、生物医学光子学主要服务于人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。监护、治疗以及保健、康复等。 生物发光（生物发光（Bioluminescence）是光生物物理学的主）是光生物物理学的主要问题之一，是广泛存在于自然界的一种自然现象。要问题之一，是广泛存在于自然界的一种自然现象。 生物体不停地与外界进行物质、能量和信息的交换，生物体不停地与外界进行物质、能量和信息的交换，其中光的吸收和发射是重要的交换方式。其中光的吸收和发射是重要的交换方式。 生物系统的超微弱发光是任何生物体或细胞自发地生物系统的超微弱发光是任

3、何生物体或细胞自发地向外界辐射光子流的现象。向外界辐射光子流的现象。 生物超微弱发光通常包括两种类型：生物超微弱发光通常包括两种类型： 一种是一种是自发自发的生物化学发光，与生物体的氧化代谢有关，的生物化学发光，与生物体的氧化代谢有关，称为称为自发超微弱发光自发超微弱发光。 另一种是另一种是外因诱发外因诱发的发光，取决于光、电离辐射、超声、的发光，取决于光、电离辐射、超声、化学药物等外界因素的作用，称为化学药物等外界因素的作用，称为诱导超微弱发光诱导超微弱发光（又称（又称延迟发光）。延迟发光）。 生物的细胞、组织和体液中，普遍存在着自发和诱生物的细胞、组织和体液中，普遍存在着自发和诱发的超微弱

4、发光。发的超微弱发光。 诱发的超微弱发光比自发的超微弱发光要强得多，诱发的超微弱发光比自发的超微弱发光要强得多，它随时间呈指数衰减，但对于不同的生物系统衰减它随时间呈指数衰减，但对于不同的生物系统衰减速率不同。速率不同。 生物系统生物系统超微弱超微弱发光发光的基本特征的基本特征 普遍性普遍性 几乎所有的被测生命体样品都产生超微弱发光，研究发现种子、几乎所有的被测生命体样品都产生超微弱发光，研究发现种子、动物的肝脏、癌症患者的血液、人的手指等都是超微弱发光的产动物的肝脏、癌症患者的血液、人的手指等都是超微弱发光的产生者。生者。 强度极弱强度极弱 超微弱发光的强度为几个超微弱发光的强度为几个几千个

5、光子几千个光子/cm2 S ，生物体的等级越，生物体的等级越高，发光强度也越大。高，发光强度也越大。 光谱较宽光谱较宽 光谱分布从红外延伸到紫外波段，最短达光谱分布从红外延伸到紫外波段，最短达200nm ，而且随着生物，而且随着生物等级的提高，辐射谱发生一定的红移。等级的提高，辐射谱发生一定的红移。 非线性非线性 超微弱发光具有非线性的特征，例如切割成块的种子比完整的种超微弱发光具有非线性的特征，例如切割成块的种子比完整的种子光强大子光强大23 倍。倍。 相干性相干性 经典相干性研究结果表明，其相干时间至少具有几分钟的量级。经典相干性研究结果表明，其相干时间至少具有几分钟的量级。 反映细胞的新

6、陈代谢反映细胞的新陈代谢 许多实验证实，细胞的繁殖、增生、死亡等过程中发光的强弱有许多实验证实，细胞的繁殖、增生、死亡等过程中发光的强弱有很大变化，说明生物超微弱发光是细胞新陈代谢的一种体现。很大变化，说明生物超微弱发光是细胞新陈代谢的一种体现。 对氧有依赖性对氧有依赖性 氧在超微弱发光中扮演重要角色，在断氧的情况下，任何动、植氧在超微弱发光中扮演重要角色，在断氧的情况下，任何动、植物组织的超微弱发光都会停止，而且生物体对氧的依赖性是非线物组织的超微弱发光都会停止，而且生物体对氧的依赖性是非线性的。性的。 对温度的依赖性对温度的依赖性 生物超微弱发光与环境温度的关系存在高温和低温的临界点，在生

7、物超微弱发光与环境温度的关系存在高温和低温的临界点，在此范围内是线性变化此范围内是线性变化;超过临界点后，发光逐渐减弱超过临界点后，发光逐渐减弱;当温度过高当温度过高或过低，生物濒临死亡时，发光又增强。或过低，生物濒临死亡时，发光又增强。 化学物质对超微弱发光有明显影响化学物质对超微弱发光有明显影响 目前，利用激光可以医治包括眼科、妇科、皮肤科、目前，利用激光可以医治包括眼科、妇科、皮肤科、内科、外科、肿瘤科在内的内科、外科、肿瘤科在内的200多种疾病。多种疾病。 激光对组织的生物效应激光对组织的生物效应 激光对组织的生物效应一般是指光作用于生物体后产生的激光对组织的生物效应一般是指光作用于生

8、物体后产生的物理、化学或生物学的反应。物理、化学或生物学的反应。 激光的生物效应既与激光的生物效应既与激光的性能激光的性能有关，又与有关，又与生物组织的性生物组织的性质质有关，还与有关，还与作用时间作用时间和和作用方式作用方式有关。有关。 激光对组织的生物效应主要包含激光对组织的生物效应主要包含热效应热效应、光化学效应光化学效应、压压强作用强作用、电磁场效应电磁场效应和和生物剌激效应生物剌激效应。 压强作用和电磁场效应主要由中等功率以上的激光所产生。压强作用和电磁场效应主要由中等功率以上的激光所产生。 光化学效应在低功率激光照射时特别重要。光化学效应在低功率激光照射时特别重要。 热效应存在于所

9、有的激光照射。热效应存在于所有的激光照射。 生物剌激作用则只发生在弱激光照射时。生物剌激作用则只发生在弱激光照射时。 激光诊疗技术激光诊疗技术 用于用于检验和诊断检验和诊断的技术主要有：激光荧光光谱技术、激光的技术主要有：激光荧光光谱技术、激光拉曼光谱分析技术、激光全息术、激光散斑分析技术、激拉曼光谱分析技术、激光全息术、激光散斑分析技术、激光多普勒测速技术、激光流动式细胞分析技术、激光干涉光多普勒测速技术、激光流动式细胞分析技术、激光干涉技术、激光透照技术和激光偏振技术等等，分别用来测量技术、激光透照技术和激光偏振技术等等，分别用来测量血液、尿液和人体其他组织的成分、微量元素的含量等，血液、尿液和人体其他组织的成分、微量元素的含量等，以及识别和分辨细胞是否病变或癌变等。以及识别和分辨细胞是否病变或癌变等。 激光治疗激光治疗的适应症现在已经涉及临床所有各科，大体可分的适应症现在已经涉及临床所有各科，大体可分为激光手术治疗、激光非手术治疗、激光光动力学治疗和为激光手术治疗、激光非手术治疗、激光光动力学治疗和激光介入性治疗等。激光介入性治疗