光学创新系列讲座 1

激光光谱技术在医疗领域的应用

光学创新系列讲座2研究背景光子学

利用光子代替电子进行信息的传输、处理和存储，使信息技术中的容量和速度有了质的飞跃。生物光子学

讨论光与生物之间的相互作用，融合了生物学和光子学，是光子学的延伸。3光子技术应用于生物学生物成像/生物传感光学诊断基于光的治疗组织工程学细胞的光操作生物医学应用光子学技术激光介质光通信通道光信号处理高容量数据存储光子学生物光子学生物医学组织激光光谱学诊断荧光法内窥镜癌症探测循环系统中组织壁的监测（冠状动脉）光学技术组织透视推动医学中的激光诊断和治疗医用激光治疗组织激光激光加热（激光手术刀）光动力学治疗激光治疗医用激光治疗的特点可减少输血不易感染减少正常组织损伤无法引入细菌和造成对组织的机械损伤凝血消毒不与组织接触有选择性光与组织相互作用共振作用：激光的分子吸收激光诱导组织加热激光诱导光化学激光诱导荧光非共振作用：弹性散射

Raman散射

组织组织分子的吸收对光传播的影响入射反射激光激光

组织透射吸收散射激光

组织吸收系数小大透射特征分子和生物组织的吸收生物组织分子的吸收特点组织中，吸收系数和散射系数与光波长等有关。吸收越强，穿透深度越小。水在UV和IR有两个吸收带，在UV蛋白质和核酸有强吸收，血色素在600nm以上吸收很弱，表皮中的黑色素在IR波段吸收较弱。4.在600－1300nm，组织有较好的组织穿透性质，波长越大，穿透越深，在1000nm处，近似透明。温度与组织的关系及作用37－44°C，细胞中酶和电活性将遭到破坏；

60°C，蛋白质变性；

100°C，细胞由于细胞液的沸腾而破裂；

200°C，将发生炭化反应。

炭化反应：止血及组织外科手术用于胸外，皮肤手术及一般手术。用于激光外科的激光器特点及比较

激光器使用波长功率吸收介质穿透深度CO2激光器10.6μm20－40W

水和蛋白质0.1mmAr离子激光器488nm5－20W黑色素1mm515nmNd:YAG激光器1.06μm20-100W4mm准分子激光器UV水激光诱导组织加热－激光外科激光诱导组织加热：电磁辐射能量对热能的转化核间距R激光激发能级能量无辐射跃迁激光利用激光外科治疗的病症角膜外科手术－近似眼和远视眼血管肉瘤视网膜焊接先天性胎痔痦子直肠息肉痔疮瘤子人体上突出病变直接治疗准分子激光Ar离子激光CO2激光器Nd:YAG激光器光动力治疗恶性肿瘤

国家：加拿大、美国、日本、荷兰、 德国、法国、英国、芬兰、 冰岛、丹麦、意大利

肿瘤：膀胱癌、肺癌、食管癌、胃癌、 宫颈癌

(各国批准应用的肿瘤种类或病期有所不同）光动力作用的基本要素光敏剂激发光分子氧肿瘤光动力疗法(PDT)基本方法与结果静脉注射光敏剂24～48小时后对肿瘤部位进行照光光照射后1～2日内肿瘤出现坏死、出血等杀伤效果，深度约数毫米PDT治疗后数周内缺损部位逐渐愈合临床上通用的光敏剂

血卟啉衍生物

HematoporphyrinDerivative，HpD

商品名：光卟啉

Photofrin（Porfimersodium)血红素，去掉中央的铁原子就成了血卟啉,修饰不同的侧链，形成血卟啉衍生物。新光敏剂举例卟啉类: BPD-A(加、美)，HMME(中) Photogem(扶特健，俄）叶绿素类: MACE(NP-e6)(美、日)

CPD4(从蚕砂制备，中)二氢卟吩类：m-THPC(瑞士)红紫素类： SnET2(美)

酞菁类： CGP55647(意、瑞士）竹红菌素类：hypocrellineA、hypocrellineB（中）δ-氨基酮戊酸（ALA)（美、欧等）其他： LutetiumTexaphyrin等可见光紫外光红外光临床光动力治疗的光源非激光

灯光、阳光、发光二极管激光

氩离子泵浦染料激光、铜蒸汽泵浦染料激光 金蒸汽激光

氦氖激光 准分子激光泵浦染料激光

固体激光：Nd:YAG倍频激光、钛蓝宝石激光、紫翠玉激光

半导体激光

利用内窥镜的光动力学治疗光动力反应

光子＋光敏剂＋氧

单态氧、其它活性氧分子、自由基

单态氧

攻击生物大分子细胞与组织的损伤死亡单态氧化学性质非常活泼寿命极短：细胞内常以纳秒计扩散距离：＜0.1μm单态氧作用的靶分子氨基酸（蛋白）

色氨酸tryptophan

苯丙氨酸phenylalanine

组氨酸histidine

蛋氨酸methionine

半胱氨酸cysteine不饱和脂肪酸核酸(DNA,RNA)

鸟嘌呤guanine光动力杀伤肿瘤的体内作用机理直接杀伤肿瘤细胞破坏微血管、局部微循环障碍 （血管内皮细胞、血小板）局部与全身免疫反应，强化对肿瘤细胞的杀伤作用，维持长期效应，减少复发机会光动力治疗的临床应用各种组织学类型的恶性肿瘤

鳞癌 腺癌 移行细胞癌 基底细胞癌 软组织肉瘤

(深色的黑色素瘤)光纤早期癌光动力治疗的临床应用早期癌与癌前病变可获得根治晚期癌光动力治疗进展期癌解除或缓解梗阻其他治疗后的复发或残留缩小肿瘤，赢得手术机会改善生存质量、延长生命PDT的临床应用呼吸道

喉癌、气管癌、支气管（肺）癌（非 小细胞肺癌）、鼻咽癌、副鼻窦癌消化道

食管癌、贲门癌、胃癌、结肠癌、直 肠癌、胆道癌、肝癌、胰腺癌泌尿道

膀胱癌、尿道癌生殖道宫颈癌、宫内膜癌、阴道癌、外阴癌 阴茎癌、前列腺癌脑肿瘤眼肿瘤胸膜、腹膜肿瘤皮肤肿瘤胆总管癌十二指肠壶腹癌胰头癌肝癌肝癌球状光纤全膀胱照射癌的胸膜播散癌的腹膜播散利用新药ALA进行的激光诱导荧光治疗

利用二极管激光（635纳米）进行光动力学治疗ALA-PDTALA-PDTALA-PDTALA-PDT

治疗前刚治疗完治疗后一周治疗后8个月利用新药ALA的PDT治疗病例78岁，男性，胳膊上基细胞癌38岁，男性，Gorlin综合症利用新药ALA的PDT治疗病例治疗前治疗后10个月

皮肤T细胞淋巴瘤治疗前PDT一周后治疗后9个月利用新药ALA诊断的病例

典型的基细胞癌治疗前治疗后利用新药ALA进行PDT治疗效果基细胞癌,I:35mm,II:21mm,III:25mm,IV:15mm图片为治疗前和治疗后一年.

间质激光动力学治疗小白鼠体内肿瘤的激光动力学治疗图片50牙周病是世界上发病率最高的人体感染性疾病之一。此病侵犯各个年龄段的人群，主要是由于长期细菌感染而产生慢性的炎症，发展过程如下：

图1-1牙周病的发展过程51收集细菌培养基孵育（24小时）测量OD系数（细菌浓度108个/ml)分装加入光敏剂孵育光照培养基(LB)稀释计数光动力治疗牙周病的实验流程52光动力灭菌效果研究53光强度对杀伤效果的影响54光剂量对光动力治疗效果的影响55光敏剂浓度对治疗效果的影响56用635nm激光和光敏剂甲苯胺蓝能有效杀灭口腔细菌；治疗效果受光强、光敏剂浓度、光剂量的影响；最好的杀伤效果组合为：1mg/ml+12J/cm2+159mW/cm2

；杀灭菌群所需的光敏剂浓度和光剂量远大于单株菌；不同病人之间杀灭效果起伏较大，这可能与不同病人口腔细菌的种类、生长期的差异有关，在实际治疗中可能需要多次治疗或几种光敏剂的混合使用。57光动力安全性研究光动力安全实验不同组的实验条件58光动力安全性研究a光动力组b光对照组c光敏剂对照组d对照组59研究表明甲苯胺蓝诱发的光动力反应能杀灭口腔细菌的同时不损伤正常的口腔细胞；虽然Soukos于1996年报道了甲苯胺蓝诱发的光动力反应能有效杀灭口腔中Streptococcussanguis

细菌，且不损伤正常组织，但是他所用的光剂量、光敏剂量都远小于本实验中的剂量；phthalocyanine、hematoporphyrin则被证明对正常组织有损伤作用。60光动力治疗和传统治疗老鼠龈炎的比较将16只小白鼠分成两组诱发牙龈炎传统治疗、光动力治疗细菌计数外科诊断病理切片图5-13治疗流程（2月）（1月）61光动力和传统方法灭菌效果的对比62不同治疗方法的治疗效果的外科观察（A）光动力治疗参考组，（B）光动力治疗后，（c）洁治参考组，（D）洁治后63两种方法治疗效果的病理观察（A）对照组，（B）光动力组，（C）洁治组64光动力能有效杀灭口腔细菌，减少炎症细胞，且对正常组织没有损伤；与传统治疗方法相比，光动力治疗能有效治疗牙周病；不容易引起细菌的耐药性、能有效治疗牙周病深层感染，是常规手段的有效补充。光动力治疗肿瘤的特点学术意义：全身各部位、各种类型的恶性肿瘤早期癌可获得根治、中晚期癌可获得姑息效果安全、痛苦少、毒副作用少而轻，病人易接受无耐药性、可重复使用消除隐性癌灶、保护容貌、保存重要器官与功能可结合其他治疗手段开展综合治疗社会意义：治疗技术、仪器设备、人员培训都比较简单部分病人可以门诊治疗有望降低成本，有利于基层推广应用PDT的综合治疗

热疗 化疗 放疗 外科手术治疗 免疫治疗 激光治疗肿瘤防治的关键—

三早三早

—早期发现、早期诊断、早期治疗瓶颈

—早期发现早期癌晚期癌食管癌的五年治愈率早期癌：

都可以切除 五年治愈率＞90%

十年治愈率＞80%中晚期癌：约一半病例可以切除 五年治愈率15～35%肺癌的五年治愈率早期癌：都可以切除 五年治愈率＞80%中晚期癌：约1/3的病例可以切除 五年治愈率30%～40%

癌症早期发现很困难病人—

缺乏明显和特异的症状和体征医生—

缺乏高度灵敏和特异的检测手段光学生物诊断技术

早期的光学生物诊断技术：

X射线照像术核磁共振成像超声成像正电子断层摄影术目前增加的光学生物诊断技术：激光诱导荧光诊断激光诱导荧光寿命诊断激光光动力学诊断医用激光组织诊断的特点无侵入的光学组织诊断无离化辐射的使用实时的数据表述分析中激光光谱学技术的分子识别点监测和成像集成的激光诊断和治疗激光诱导荧光及光谱特点（1）激光激发，从低能态到高能态，高能态退激发射荧光。（2）对原子离子，荧光谱是线状的，对小分子，光谱通常是一系列谱线（带）（3）对大的生物分子，荧光发射无结构特征，但荧光形状包含了组织信息。（4）荧光波长通常比激发光波长长，红移，StokesShift。肿瘤荧光光谱学诊断的方法利用自体荧光（自发荧光）利用光敏剂产生荧光肿瘤微小癌灶荧光肿瘤肿瘤的自发荧光激发光荧光肿瘤肿瘤的光敏剂荧光激发光肿瘤采取活检标本送病理检查81荧光诊断原理光与单个生物分子的相互作用82荧光产生原理83图4-4组织荧光84若δ为收集效率，η探测效率荧光诊断的原理(1