生物医学光子学研究

1、.：.；生物医学光子学研讨The Research on Biomedical Photonics本文作者徐正红女士，西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程研讨所博士生；张镇西先生，西安交通大学生命科学与技术学院副院长、博士、教授、博士生导师。 关键词：光子学 激光 生物医学一、 引言生命科学是当今世界科技开展的热点之一。而光子学是随着近代科学技术开展而日益蓬勃开展的学科。近年来一个以光子学与生命科学相互交融和促进的学科新分支生物医学光子学Biomedical Photonics也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的开展而飞速开展起来，它将开辟生命科学的新领域，成为本世纪的研讨热

2、点。生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严厉的分界。也可以根据运用目的的不同，将生物医学光子学划分位光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作位信息的载体，后者是以光子作为能量的载体。由于激光具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。随着激光器的不断开展，光子技术在生物医学领域的运用也层出不穷。二、 光子诊断医学技术1 概念生物光子学就是以研讨生物体辐射的光子特性来研讨生物体本身的功能和特性的学科。在光子学产生初期，充溢活力的生命科学就和光子学相互交叉浸透，促进

3、了这一学科的开展。它以生物系统的超微弱光子辐射BPE的发现和研讨为根底的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人初次发现BPE景象到70年代后的研讨阐明，BPE景象是自然界普遍存在的一种景象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物和藻类等低级生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。 BPE的光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。奇妙的是，BPE的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越大，辐射的波长越向红外扩展。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的一种低程度化学发光。80年代以来各国科学家进一步对BPE景象进展研讨发现DNA是BPE的辐射源之一；BPE在细胞形状分裂

4、前和死亡前强度会增大。另外，癌细胞的BPE高于正常细胞。这些研讨阐明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、癌变、生长调控、光化学反响等许多根本的生命过程有着亲密的内在联络。有关BPE的研讨也正向细胞、亚细胞和分子程度深化。与之相关的实际和测试技术也在不断开展。2 运用由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着亲密的关系，所以生物光子学在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的运用。 生物超弱发光的成像利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据交融技术，在可见和近红外波段获得生物体超弱发光的而二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机体防御功能的丈量和研讨。亦可用于

5、疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，用很弱的近红外激光照射病人头部而得到大脑皮层的二维图像。经过分析这些图象，可以了解癫间期大脑活动类型，有助于医生发现病灶。和传统的翻开头盖骨插入电极丈量和用放射性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的苦楚和损伤。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收和氧的浓度有关这一特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。 生物系统的诱导发光生物体在外界强光的短暂照射下可诱导生物系统的光子发射。这种随时间衰弱的诱导发光的强度远大于生物体自发光强度。可以用于疾病诊断和食质量量的检测。由于肿瘤患者和安康人相比，其血液和病变器官与组织的发光光

6、子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的运用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。目前有两种方法：1 外加光敏物质诊断根据荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力这一特点，可让患者静脉注射或口服光敏剂后4872小时，再接受光照，记录荧光光谱特性曲线，可以确定肿瘤位置。这种方法由于遭到其他组织荧光和自体荧光的干扰，容易引起误诊，且需求寻求更有效且无毒副作用的光敏剂。在现阶段，新型光敏剂的开展是经过荧光对早期肿瘤检测方法的最有出路的改良。 经研讨阐明靛青绿衍生物比未改动的靛青绿更能提高药物代谢动力并获得更高的收效。为了对新型光敏剂进展体内检测，LMTB在与西门子医药公司的协作中研制了一台近

7、红外成像器，它由一个740nm的二极管激光器1.5瓦和一个冷却CCD照相机组成。动物实验中，完好老鼠身体的近红外荧光可被成像，不同的滤光器设置允许运用不同的荧光基团。我们可以清楚的看到肿瘤的位置。2 自体荧光光谱诊断这种诊断技术不需求外加光敏制剂，利用人体组织在激光下产生的荧光来进展光谱分析分辨肿瘤。无需口服或注射光敏剂，是一种无损害性的、快捷诊断技术。美国南卡罗来纳州克莱姆森大学研讨人员用激光二极管发射出红外线光束，不用接触皮肤即可从16个点位穿透乳房，然后用计算机分析光子方式，再现乳房内部影像，可以发现小到5毫米的肿瘤。加拿大Xillix公司将自体荧光光谱诊断技术与内窥镜技术相结合，研制了

8、光致荧光内窥镜系统LIFE，获取正常组织和非正常组织的荧光差别，实时显示图像或输出数字式静止图像，用于肺癌的早期诊断。经过临床实验阐明，在肺癌的探测和定位方面，LIFE系统准确效率比普通的内窥镜系统提高171。 激光扫描共焦显微技术超声波、CT、核磁共振等传统生物医学成像技术虽然可以获得人体组织在自然形状下的各种表像，但无法到达细胞级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜和电子显微镜又需求将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共焦显微镜却可以进展光学断层分析获取生物样本的三维图像，实现对组织的动态成像，使研讨人员察看到细胞与细胞相互作用、组织再生、光与组织的物理和生物效应、细胞内的生化成分和

9、离子浓度等，从而成为生物学和医学研讨的新技术和新手段。原理如下：激光聚焦成线度接近单个分子的极小斑点，照射样品，使之产生荧光，但只需焦点处的荧光可以被探测到，分开焦点的荧光将遭到紧靠探测器的空间滤波器的妨碍，不会进入探测器，可以得到样品细胞一个层面的图像。延续改动激光的焦点，可在一系列层面进展扫描，得到整个样品细胞的三维图像。目前，利用多光子技术，用近红外光激发可以减小单光子激光扫描共焦显微镜对细胞的损伤，可以察看到样品更深层的荧光成像，具有更高的分辨率。是目前的开展方向。 光学相关层析技术OCT将光学相关技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相关层析技术OCT，利用了相关仪的高灵敏度外差探测特性

10、，及只需探测光束焦点处前往的光才有最强的干涉信号被探测到，而分开焦点的散射光不会被探测成像这一激光共焦显微技术的结合。防止了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这一缺陷，可以用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到10微米大小的组织，无损伤地了解组织构造及成分。特别值得一提的是它可以用于探测心脏、脑等以往无法活检的器官和组织，所以，OCT在医学上被称为光学活检。 光学光钳技术激光光钳是一种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的安装。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并稳定在那里。激光束好像一

11、?quot;钳子抓住微粒，随其挪动，可以无损地支配如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学任务者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的维护层蛋白质和碳水化合物上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵细胞，从可以协助 那些短少尾巴或无法游动的精子与母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的胜利率。 激光加速对DNA的研讨基因是生物遗传、突变的根本单位。人类基因组共有3109个碱基对DNA，弄清这些碱基对的序列情况是研讨生命科学、了解生命奥妙的根底。利用人工方法识别这些碱基对需求1000年时间。单由于引入了光子学技术，大大促进了DN

12、A的研讨进程。美国加州大学采用激光毛细管列阵电泳法，在7分钟内读出200个碱基对，精度达97，比通常的板凝胶技术快得多。此外，日本东北大学、路易斯安娜州立大学、艾奥瓦州立大学的研讨人员都利用光子学技术采用不同的方法来实现对DNA的快速识别。加利福尼亚的Affymetrix公司已开发了基因芯片技术，它将照相平板印刷术和化学合成技术相结合，在不到1.28cm2的面积上产生高密度的DNA探头阵列。利用激光共焦扫描显微技术识别DNA。 激光挑选癌细胞美国国家安康研讨所研制出一种带有固体激光器的立式显微镜。在用显微镜察看肿瘤的病理样品时，病理学家可以用脉冲任务的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜，使之与他

13、选择的癌细胞热熔在一同。这样在取出膜的同时可以取出被选的癌细胞，进展近一步分析研讨。 细胞快速分析识别美国Sandia国家实验室胜利地研制出一种含有细胞地生物微腔半导体激光器。以透明地细胞作为波导资料来改动激光横模构造，从而使激光光谱发生变化。由于每一种细胞都能使激光输出带有可识别地信号，可以根据光谱识别细胞而不需求成像，因此识别速度很高。每秒能识别2万个细胞三光子治疗医学技术1 概念光入射到人体组织后，一部分会反射回来，一部分被组织吸收，还有一部分被人体组织向周围散射。人体不同组织对不同波长光的吸收才干也不同。 光照射人体组织后，根据照射的波长和时间不同，对组织有以下五种作用， 分别为：光化

14、学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂。如图1所示，激光医学相关的总的能量密度范围是从1J/cm2到1000J/cm2，暴光时间也是呵斥光与组织相互作用多样性的主要参数。图1 激光与组织相互关系图，圆圈仅大致给出有关的激光参数据。由 Boulnosi(1986)修正 2 主要运用 光子动力学医疗PDT利用癌细胞与正常细胞对某些光敏药物的亲和力不同的特点，使光敏物质只集中于肿瘤组织中，在光的照射下使光敏药物产生氧化才干很强的单态氧，能有效地杀死癌细胞。详细做法使给他人注射光敏药物，在48或72小时后，正常组织将药物代谢排除，而肿瘤组织代谢较慢。此时可以用低功率激光照射可疑区域，根

15、据荧光光谱确定肿瘤位置。再用高功率激光630690纳米染料激光或半导体激光，经过光纤去激活药物，产生毒性反响，杀死癌细胞。这一技术胜利运用于肺癌和其他癌症地治疗。 激光美容利用激光照射皮肤后的选择性光热作用，即靶组织病灶和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时防止正常组织的损伤这一原那么，到达去皱、去文身、去毛和治疗各种皮肤病的目的。采用倍频Nd：YAG或Ar激光有效凝固血红蛋白来治疗如鲜红斑痣等皮肤病；采用超短脉冲CO2激光器10.6m进展去皱、去毛、头发移植等；在文身治疗中，根据文身颜色选择互补色激光治疗，如绿色文身采用红色激光，这时色素吸收率最高，容易实现选择性光热作用。利

16、用不同波长和不同功率的光刀也可以进展皮肤肿瘤等切除性外科手术。 激光在牙科运用从60年代即开场了激光用于牙科的根底及临床研讨。最早用于替代机械牙钻贺焊接支架。如今激光在口腔临床主要运用于口腔软组织疾病、口腔粘膜病等治疗。以及各种口腔硬组织疾病，如牙本质过敏症的脱敏、龋牙激光治疗、根管消毒和激光漂白牙齿等；还可以用激光进展止疼及麻醉。也可以用激光进展牙髓炎等口腔疾病的诊断等。 激光在眼科运用利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内分子链，呵斥非热致汽化来改动角膜的厚度和曲率，治疗近视、远视和散光。这就是今年来出现的准分子激光角膜切削术。由于该方法热损伤小、切割精细、平安、预测性好等一系列优点，近年

17、开展很快。另一种治疗方法叫激光屈光性角膜切削术，即在角膜瓣下进展激光切割，是一种效果稳定，视力回退景象小的屈光矫正治疗。另外，激光在晶状体、玻璃体、虹膜、视网膜等各类疾病的治疗。 激光在心脏病学中运用对于冠状动脉硬化可以采用激光心脏再构成手术TRM进展治疗。TRM手术是医生在病人左胸开一个68英寸的切口，用激光再心脏上打2030个1毫米大小的小孔，小孔在血凝固时被封锁，形故意的血流通道，以添加血液向缺氧组织流动从而缓和心绞痛和其他冠心病状。这一技术可以减轻病人的苦楚，提高病人生活质量。与传统开胸手术相比费用也低。并且经过研讨阐明，TRM的早期死亡率比冠动脉旁通手术低8倍。 激光针灸治疗术低功率

18、激光可以替代传统的针具和灸具，经过刺激穴位可以缓解疼痛和治病。由于激光是非接触式的，所以不会损坏病人的神经和血管，更为平安可靠。经过研讨发现，激光针灸可以对解除关节、肌肉和神经疼，对高血压、中风、偏瘫都有一定疗效。 激光采血器和注射器早在20世纪90年代初，俄罗斯就研制初激光验血划痕器。激光切口和金属划痕器切口根本一样，但前者呵斥的水肿小，伤口愈合快。用激光采血是非接触式的，可以避面病人紧张、疼痛，特别适宜给小病人运用。更重要的是可以防止由于采血、注射引起的交叉感染。可以防止感染如艾滋病、肝炎等传染病。具有现实意义。 其它运用激光可以在其它医学领域也有运用。如外科中的骨切开术和骨切除术；在肠胃病中可用于治疗溃疡