文献综述-激光技术在生物医学上的应用

1、科技文献检索与应用 激光技术在生物医学上的应用激光自从问世以来,已被广泛应用于生活中，尤其是在生物医学上面。它也给我们人类带来了更大的方面和利益，使更多的不可能成为了可能。下面我将从我搜索到的五篇科技文献中举例说明激光在医学上的重大作用。第一， 激光热疗。以激光进行高温治疗的激光热疗法，已成为肿瘤热疗的一种新的有效手段。用于热疗的激光主要使用可见光及近红外激光，但由于该波段激光对组织的穿透有限，因此，激光热疗法具有一定的局限性。研究报道，利用光吸收染料能够选择性地增强肿瘤部位的热损伤，提高肿瘤治疗效果。最新研究表明，一种新颖的纳米材料碳纳米管，在近红外区域对激光能量具有强烈吸收效应，并将光能量

2、迅速转化为热能，产生的热效应导致了细胞的立刻崩溃 。由于生物组织在近红外区的光吸收很弱，因此这种新颖的纳米材料因其独特的近红外光吸收性和光稳定性，能有效地代替光吸收染料在激光热疗中的应用。在研究单壁碳纳米管增强近红外区激光热疗效果的实验中，我们可以发现，单壁碳纳米管明显增强980 nm 激光的杀伤效应，并且此杀伤效应具有光剂量和单壁碳纳米管剂量依赖性。激光治疗组虽能抑制肿瘤生长，但激光穿透能力有限，不能有效地损伤深层肿瘤组织，所以易复发。而激光 + 单壁碳纳米管治疗组相对于激光治疗组，能更加有效地损伤肿瘤及深层肿瘤组织、抑制肿瘤生长。碳纳米管的应用显著地增强了激光热疗的效果。【1】第二， 激光

3、诱导击穿光谱。激光诱导击穿光谱在生物医学这一领域中正逐步吸引越来越多的科学家的兴趣，具有重要的应用价值和发展前景。基于激光与固体、液体、气体和气溶胶相互作用的介电击穿产生的等离子体发射称为激光诱导击穿光谱 (laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术。国内对 LIBS的研究还较少，特别是在生物医学方面的应用，国内还没有研究，因此，具有较大的研究空间和研究价值。当一束脉冲强度很大的激光聚焦到检测对象上时，检测物质被快速电离并产生高温、高密度的等离子体。用光谱仪直接收集样品表面等离子体产生的发射谱线信号，从理论上可根据发射光谱的强度进行定量分析。在激光

4、脉冲的作用下，LIBS发射谱线的形成过程如图1所示。【2】这是激光诱导击穿光谱的原理所在。LIBS在生物医学领域已经有了很广泛的应用。例如：分析人体或头发中的矿物元素、测量人体皮肤中Zn的含量、分析钙化物质、识别和检测生物气溶胶、检测和识别细菌和识别恶性肿瘤组织等。总之，LIBS技术是一种先进的元素分析技术，经过40多年的发展，LIBS技术已经获得了长足发展和广泛应用，目前LIBS仪器在国外已实现商业化生产。相信随着激光技术的发展以及检测技术的改进，LIBS在生物医学方面将会展示出更加诱人的应用前景。第三， 激光针灸。激光针灸就是以低强度激光束直接或聚焦或扩束照射穴位的穴区表面或深部，对穴位进

5、行有效的刺激，起到疏通经络、调节脏腑、行气活血和平衡阴阳等作用，从而达到扶正祛邪、治病保健的目的。与传统针灸相比，激光针灸既除能达到针灸治疗的效果外 ,，还具有无痛、无菌、安全、易控、可调等特点，因此患者更易于接受。激光的灸疗主要是基于激光生物组织的热效应。生物组织内温度分布满足 Pennes 生物传热方程：其中,Ct 和 k 分别为生物组织的有效密度、有效比热和导热系数，Wb 、Cb 为组织的血液灌注率和血液比热，Tb 和T各为血液和生物组织的温度，Qm为组织代谢热产率，Qr 为激光作用时被生物组织吸收后而表现为容积发热源。可先采用 Monte Carlo模拟方法求解表面照射下组织内激光能量

6、的分布，进而采用有限差分或有限元法求解组织内的温度场分布。【3】由于激光照射穴除能起到传统针灸的疗效外还有许多独特的优点，所以它的利用得到了越来越多专家和学者的重视，并逐渐应用于临床，取得了丰富的成果。激光在眼科、耳鼻喉科、皮肤科、口腔科、内科、外科、小儿科和妇产科上分别都取得了一定的成就。虽然激光针灸在临床上有很多应用，并正在成为一种有效的临床治疗方法，但事实上激光针灸仍处在理论研究和临床摸索阶段，具有一定的盲目性，激光针灸作用是一个复杂的生理过程，其作用的机理还有待于进一步的研究。第四， 激光辐照生物组织傅里叶与非傅里叶热传导效应。 傅里叶与非傅里叶热传导效应采用的生物热传递方程都是传统的

7、Pennes生物热传导方程，该方程是基于傅里叶法则，即假设热量在生物组织中以无限大的速度传递。对于大多数的加热过程，此近似假设是可接受和合理的，但在某些特定情况下，如组织非均匀、加热时间非常短等，傅里叶热传导理论将不适用。此时，加热过程中热波特性将成为主导作用，因此需要考虑热量在生物组织中以有限的速度传递，这时需要对傅里叶热传导方程进行修正，引入热通量矢量与温度梯度的时间延迟项。经典的 Pennes 生物热传导方程表述为式中t和ct分别为组织密度和组织比热，k为组织的热传导率，Wb与cb分别为血液灌注率与血液比热， T 与 Tb 分别为组织的温度与动脉血液温度，Qm和Qr分别为新陈代谢热和外热

8、源。【4】从研究中我们可以发现，这两种组织热传导模型对激光的吸收程度不一样，受温度的影响而变化。另外，第一层吸收系数增大，单位时间内组织吸收激光的能量增多引起组织温度的上升速率增大。停止激光作用后组织的吸收系数增大，单位时间内组织的温度下降变大，故使得组织温度的下降速率也增大。由于激光供给的能量一定，待时间增大到一定后，虽然组织吸收系数不同，但因为吸收的总能量保持不变，最终组织的温度趋于一个稳定值。第五， 低强度激光疗法。光生物调节作用(PBM,photobiomodulation)是激光或单色光对生物系统的非损伤调节作用。只要照射时间足够短，中等强度的激光(MIL ,10 10 mW/cm

9、)可以通过产生活性氧调节骨骼机卫星细胞等调节细胞的功能，相应的PBM简写为MPBM。低强度激光(LIL , 210 mW/cm )则通过细胞膜受体分子的协同激活所引起的信号转导调节中性粒细胞和PC12细胞等细胞的功能，相应的PBM简写为LPBM。现已证明，PBM可促进组织再生，并获得细胞效应研究的证实。因此，PBM有望成为一种重要的治疗软骨损伤的“绿色”疗法。实验发现，ILIL 可以通过促进胶原合成促进软骨细胞增殖。软骨细胞的增殖会引起胶原降解，而胶原又可以促进软骨细胞增殖。低强度810 nm半导体激光以一定的照射强度和照射次数可以引起软骨细胞增殖。低强度激光疗法有望成为临床治疗软骨损伤的一种

10、有效方法。虽然激光的应用越来越广泛，功能越来越强大，但激光技术在生物医学方面的应用还不是很全面，一些技术也不是很完美，成功率达不到100%。因此，激光还需要人类将其完善，更好地研究、更合理地利用。科学的进步来源于人类，最终也将服务于人类，每一项新技术或新事物的应用都要通过理论和实验的共同成功才能被广大人们所接受，科学来不得半点马虎，尤其是与人类健康密切相关的医学应用更要慎重才行，每一个科研工作者都希望自己的科研成果得到人们的认可并能为人们带来益处，所以一代又一代的科研工作者在认认真真地工作着。前面引用过的激光应用只是先进的物理技术和传统的生物医学相结合的一些很好的例子，只要我们各学科的研究者共同努力，并注意学科间的交叉应用，我们还会有更多更好的成果。相信在不远的将来艾滋病、乙肝、高血压、老年痴呆将不再是人类长寿的拦路虎，人类延年益寿的梦想将会梦想成真。参考文献：【1】周非凡、邢达、宋盛、欧忠敏、陈伟等. 单壁碳纳米管增强近红外区激光热疗效果，中国激光.2009.10.【2】刘宪云、王振亚、郝立庆、赵文武、黄明强、龙波、张为俊等. 激光诱导击穿光谱在生物医学中的应用，激光技术