生物医学光子学论文.doc

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1、生物医学光子学论文摘 要运用光子学原理与技术，为医学、生物学与生物技术领域中的问题提供解决方案即构成生物医学光子学的研究内容。生物医学光子学涉及对生物材料的成像、探测与操纵。在生物学领域，主要研究分子水平的机理，探测分子结构与功能；在医学领域，主要研究生物组织结构与功能，能对生物体以非侵入的方式，实现宏观与微观尺度分子水平的疾病探测、诊断与治疗。 目前，光子学技术在医学中的应用主要包含以下研究内容： 一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工与改造等也是一项重要的任

2、务。 二是医学光子学基础与技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断与激光医疗机理极其作用机理的研究。关键词：光子学技术；激光；光子；医学光谱1前 言生物学或生命科学是光子学的一个重要应用领域。从发展来看，在21世纪，所有的科学技术都将围绕人与人类的发展问题，寻找各自的存在意义与发展面。自然界最奇特而变化多端的生命现象从起源、演化乃至今天人类所有行为能力与潜质，都与光这个神秘的物质息息相关、密不可分。光与生命早已结下不解之缘。十余年来生物医学光学与光子学骤然兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科-生物医学光子学。简言之，生物医学光子学就是用光子来研究生命的科学，它是光子学

3、与生命科学相互交叉、互相渗透而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子探测过程，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。也可以这么说，生物学研究与医学研究、诊断与治疗涉及到的光学及其相关的应用技术，包括其中最基础性的光物理问题，均可列为生物医学光子学的研究对象。光学在生命科学中的应用，在经历了一个较缓慢的发展阶段后，由于激光与最新的光子技术的介入，已进入了一个迅速发展的新阶段。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统与技术更加广泛地应用于保健与医疗。当今世界中，与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在

4、改变着药物疗法与常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域，如眼科，光学与激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石与皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术与光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测艾滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测与乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析与处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图像展现出来，在亚细胞层次监测化学组

5、成与蛋白质相互作用空间与时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，与采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12 m范围内实现力学参数的测量。生物医学光子学研究的活跃、

6、繁荣景象并不完全出于学术本身的缘由，而是说明人们对采用生物医学光子学技术解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病与癌症所起的作用寄予很大希望，其中的重大突破将起到类似X-射线与CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生与带动一批高新技术产业。光子技术与产业的基础是光子学。光子学是研究光子的产生、运动与转化的一门新兴学科，光子学的研究范围包括光子的产生、运动、传播、探测及光与物质的相互作用问题以及光子存载信息的传输、变换与处理问题等。当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子与光子，它们都是微观粒子，因而作为能量与信息载体来说，他们具有共性，但是他们又存在许多差异。由

7、于光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联与并行传输，具有独特的优越性。光子学的发展使古老的光学迸发出青春的活力，促进了光子技术的形成与发展。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。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。生物医学光子学可以分为生物光子学与医学光子学两个部分，分属生物学与医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分为光子诊断医学技术与光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作为信息的载体，后者是以光子作为能量的

8、载体。 生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来研究生物体自身的功能与特性的学科。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就与光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现与研究为基础的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物与藻类等低级生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。BPE的光谱很宽，从紫外光、可见光到红外波段。奇妙的是，BPE的值与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

9、的相关性，是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光。由于生物微弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，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应用。2 光子学技术在医学中的应用原理 光子学以量子为单位，研究能量的产生、探测、传输与信息处理。光子技术在生物与医学中的应用即定义为生物医学光子学，其相应产业涉及人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。研究内容包括：光子医学与光子生物学、X射线成像、MRI、 PET等。2.1光子的产生、运动、转化 光具有波粒二相性，是一种以电磁波形式传播的特殊粒子光子，由光源产生，被各种物体反射、折射进入人眼，并被感知，所以我

10、们才能看到周围的景物。 光子产生的途径很多，但归根结底遵循的都是一个机理光电子理论。原子都是由原子核与核外电子构成，电子在自己的固定轨道上绕核旋转。根据能量最低原理，电子总是首先填充能量较低的轨道，处于稳定的基态；当获得一个额外能量，使它能够争脱核的束缚时，便可向高能量轨道跃迁，处于不稳定的激发态。此时该电子可通过向外辐射光子的形式降低自身能量回到基态，而光子的能量正好等于两个轨道能量之差。这种现象在我们日常生活中是非常普遍的，在很多工厂与公园中都可以看到发着黄光的钠气灯。学过化学的人都知道，钠原子核外有11个电子，分布在3个轨道上，最外层只有1个电子，称为3S电子，当它受到外界激发而发生跃迁

11、时，会释放出波长为580nm的光子，正好处于黄色可见光的波长范围。 光子静止质量为零，运动的光子就是光波。光波是光子运动的一种状态【16】。 相对论指出：物质加速会使质量增加，那静止为零的光子并不是运动的时候也为零。 图2.1 氢原子能级图组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光。能级跃迁首先由波尔提出，但是波尔将宏观规律用到其中，所以除了氢原子的能级跃迁之外，在对其他复杂的原子的跃迁规律的探究中，玻尔遇到了很大的困难。光子具有的优异特性：（1）光子具有极高的信息容

12、量与效率：光频为51014Hz；电频率仅为10 Hz量级。光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此前者可承载信息的容量起码比后者高出34个量级，即千倍以上 。（2）光子具有极快的响应能力 ：电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns) ，电子通信中信息速率被限定在Gb/s 量级。光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒量级，小于10个飞秒量级，光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个Gb，甚至几个、几十个Tb。（3）光子具有极强的互连能力与并行能力 ：第六代计算机神经网络计算机中，速率可达1010bit/s，这差不多是目前计算机的最高水平。 （4）光子具有极大的存储能力：不同于电子存储，光子除能进行一维、

13、二维存储外，尚能完成三维存储。如果使用可见光(l500nm)，光子的存储能力则可达到1012bit/cm3量级。（5）光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联与并行传输，具有独特的优越性。2.2光子与生物组织的相互作用有关的研究内容很多，几乎每种诊断与治疗方案皆与此题有关，仅就主要方面介绍。（1)光击穿目前的动脉血管粥样硬化治疗仪获得很大的成功 它是利用光击穿产生等离子体韧致辐射，形成能量膨胀，从而导致血管扩张【8】。此外激光的烧蚀与消融在医学上也起重要作用。(2)吸收组织中的光敏物质吸收激光光子，使其激发。通过能量传递，使组织中的分子氧激发，形成单态氧。

14、处于这种激发态的氧是活性氧。它可以破坏生物组织并可杀死细菌。此外，组织中的色素体也存在吸收作用。(3)散射一般是利用后向散射成像诊断，形成空间与时间分辨的超高清晰度光CT。在生物组织内，光吸收量 由Beer定律确定：式中为消光系数为组织液浓度， 为光程长度。在组织中消光系数随血的氧化程度即。HP值的变化而变化。光程 在穿过组织时被延长，这是生物组织对垂直入射的光子进行多次散射的结果。即实际上从生物体出来的光子已经过上百次散射，所以在激光与物质的相互作用中考虑光子传输路径效应是必要的。这无论对于成像还是对吸收测量都很重要。在最初仅靠计算机来模拟，而现在激光脉冲等技术帮助克服了光子通过混沌介质时的

15、路径混淆测量障碍。它的作用如下： a分析血液含氧浓度的变化正像分析组织结构变化一样，也与光子穿过的路径有关【10】。吸收与散射光一样可以推断生物生理变化与组织结构损伤。例如对脑而言，可以通过测量瞬时的光子来监视血液氧化情况、血流情况，进行血液分析、组织分析以及化学成分分析。 b组织功能测试：利用激光探针通过测量光吸收来测定色素浓度的变化，例如血红素与葡萄糖产生物质的吸收光谱变化，从而诊断其功能的变化。总之，光子对生物体以非侵入的方式，实现宏观与微观尺度分子水平的疾病探测、诊断与治疗。2.3光声光谱技术的原理光声效应是指物质受到周期性强度的光照射而产生声信号的现象【3】。当光源不同或者光与物质作

16、用方式不同时，光致超声的过程存在着多种可能的物理机制。当前新兴的生物医学光声成像技术所利用的物理基础是其中的热弹性机制，即受短脉冲光(脉宽l0-6s)辐照的光吸收介质在吸收光能量后快速升温膨胀从而产生超声的现象(如图2.2所示)。为了便于讨论，可将该过程分为以下3个步骤：(1)脉冲光辐照生物组织，组织内吸收体吸收光能量；(2)基于热弹性机制的光致超声过程；(3)本地光声信号的外传与探测。 图2.2 声光效应示意图用一定频率调制的光源(或脉冲光源)照射物质，物质分子吸收一定光能后，由受激态通过非辐射过程跃迁到低能态时，产生同频的声波(光声信号），这一现象称为光声效应。光声光谱技术就是在物质的光声

17、效应基础上发展起来的一种检测技术，它研究物质的光声信号随入射光波长变化的谱线，这谱线称为光声光谱。光声信号的产生与检测过程是一个光、热、声、电的能量转移过程。光声光谱与其它光谱一样反映了物质与光相互作用的特性，它能反映物质内部结构及成分含量的情况【2】，能提供物质内部的热学、声学与光学方面信息。光声光谱是传统光谱的一种有力补充。传统光谱方法排除了对已被吸收、湮没的那些光子的检测分析，这些被排除了的物理过程往往是研究者十分感兴趣的。光声光谱就是对传统光谱在这些过程方面的一个补充。它与传统光谱技术的主要区别在它的检测方法。不是直接对入射物质后出射的某些光子的检测，而是对光束与物质相互作用所吸收的能

18、量的测量【3】。光声光谱的波长范围很宽，从紫外区经可见区一直到红外区。3 光子学技术在医学中的应用生物医学光子学可以分为生物光子学与医学光子学两个部分，分属生物学与医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分位光子诊断医学技术与光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作为信息的载体，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。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。3.1 光子诊断医学技术光子学在医学中通过研究生物体辐射的光子特性来研究生物

19、体自身的功能与特性。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就与光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现与研究为基础的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物与藻类等低级生物外，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的值与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【7】。另外BPE具有高度的相关性，是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光。80年代

20、以来各国科学家进一步对BPE现象进行研究发现DNA是BPE的辐射源之一；BPE在细胞形态分裂前与死亡前强度会增大。另外，癌细胞的BPE高于正常细胞。这些研究表明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化代谢、细胞的分裂与死亡、癌变、生长调控、光化学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系【6】。有关BPE的研究也正向细胞、亚细胞与分子水平深入。与之相关的理论与测试技术也在不断发展。由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，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应用。（1）生物超弱发光的成像利用高灵敏度的探测与成像技术，结合数据融合技术，在可见与近红外波段获得

21、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测量与研究。亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑病灶区的激光仪器，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。通过分析这些图象，可以了解大脑活动类型，有助于医生发现病灶。与传统的打开头盖骨插入电极测量与用放射性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦与伤害。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收与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。（2）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

22、以用于疾病诊断与食品质量的检测。由于肿瘤患者与健康人相比，其血液与病变器官与组织的发光光子强度升高，在癌症的诊断方面有很好的应用，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断与治疗。目前有两种方法：（a） 外加光敏物质诊断根据荧光物质与肿瘤组织有很好的亲与力这一特点，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【8】。这种方法由于受到其他组织荧光与自体荧光的干扰，容易引起误诊，且需要寻求更有效且无毒副作用的光敏剂。在现阶段，新型光敏剂的发展是通过荧光对早期肿瘤检测方法的最有前途的改进。 经研究表明靛青绿衍生物比未改变的靛青绿更能提高药物

23、代谢动力并获得更高的收效【12】。为了对新型光敏剂进行体内检测，LMTB在与西门子医药公司的合作中研制了一台近红外成像器，它由一个740nm的二极管激光器（2w）与一个冷却CCD照相机组成。动物试验中，完整老鼠身体的近红外荧光可被成像，不同的滤光器设置允许使用不同的荧光基团。我们可以清楚的看到肿瘤的位置。（b） 自体荧光光谱诊断这种诊断技术不需要外加光敏制剂，利用人体组织在激光下产生的荧光来进行光谱分析分辨肿瘤。无需口服或注射光敏剂，是一种无侵害性的、快捷诊断技术。美国南卡罗来纳州克莱姆森大学研究人员用激光二极管发射出红外线光束，不必接触皮肤即可从16个点位穿透乳房，然后用计算机分析光子模式，

24、再现乳房内部影像，可以发现小到5mm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，研制了光致荧光内窥镜系统（LIFE），获取正常组织与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。经过临床试验表明，在肺癌的探测与定位方面，LIFE系统准确效率比普通的内窥镜系统提高171【14】。(3)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状态下的各种表像，但无法达到细胞级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜与电子显微镜又需要将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共焦显微镜却可以进行光学断层分析获取生

25、物样本的三维图像，实现对组织的动态成像，使研究人员观察到细胞与细胞相互作用、组织再生、光与组织的物理与生物效应、细胞内的生化成分与离子浓度等，从而成为生物学与医学研究的新技术与新手段【15】。(4)光学相干层析技术（OCT）将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相干层析技术（OCT），利用了相干仪的高灵敏度外差探测特性，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被探测到，而离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。避免了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这一缺点，可以用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生看到10m大小的组织，无损伤地了解组织结构及

26、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与组织，所以，OCT在医学上被称为“光学活检”。(5) 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装置。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。激光束如同一把“钳子”抓住微粒，随其移动，可以无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作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保护层（蛋白质与碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住并送入卵

27、细胞，从可以帮助那些缺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成功率。（6）激光加速对DNA的研究基因是生物遗传、突变的基本单位。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究生命科学、了解生命奥秘的基础。利用人工方法识别这些碱基对需要1000年时间。单由于引入了光子学技术，大大促进了DNA的研究进程。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究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Affym

28、etrix公司已开发了基因芯片技术，它将照相平板印刷术与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。（7）激光挑选癌细胞美国国家健康研究所研制出一种带有固体激光器的立式显微镜。在用显微镜观察肿瘤的病理样品时，病理学家可以用脉冲工作的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜，使之与他选择的癌细胞热熔在一起。这样在取出膜的同时可以取出被选的癌细胞，进行近一步分析研究。3.2光子治疗医学技术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四周散射。人体不同组织对不同波长光的吸收能力也不同。 光照射人体组织后，根

29、据照射的波长与时间不同，对组织有以下五种作用， 分别为：光化学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除与光致破裂。如图3.1所示，激光医学相关的总的能量密度范围是从1J/cm2到1000J/cm2，暴光时间也是造成光与组织相互作用多样性的主要参数。图3.1 激光与组织相互关系图（1）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与力不同的特点，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能力很强的单态氧，能有效地杀死癌细胞【19】。具体做法使给别人注射光敏药物，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

30、据荧光光谱确定肿瘤位置。再用高功率激光（630690nm染料激光或半导体激光），通过光纤去激活药物，产生毒性反应，杀死癌细胞。这一技术成功应用于肺癌与其他癌症地治疗。（2）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）与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避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、去毛与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；采用超短脉冲二氧化碳激光器（10.6m）进行去皱、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

31、择性光热作用。利用不同波长与不同功率的光刀也可以进行皮肤肿瘤等切除性外科手术。（3）激光在牙科应用从60年代即开始了激光用于牙科的基础及临床研究。最早用于代替机械牙钻贺焊接支架。现在激光在口腔临床主要应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、龋齿激光治疗、根管消毒与激光漂白牙齿等；还可以用激光进行止疼及麻醉。也可以用激光进行牙髓炎等口腔疾病的诊断等。(4)激光在眼科应用利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内分子链，造成非热致汽化来改变角膜的厚度与曲率，治疗近视、远视与散光。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、安全、预

32、测性好等一系列优点，近年发展很快。另一种治疗方法叫激光屈光性角膜切削术，即在角膜瓣下进行激光切割，是一种效果稳定，视力回退现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。 (5)激光在心脏病学中应用对于冠状动脉硬化可以采用激光心脏再形成手术（TRM）进行治疗。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1mm大小的小孔，小孔在血凝固时被封闭，形成心的血流通道，以增加血液向缺氧组织流动从而缓与心绞痛与其他冠心病状。这一技术可以减轻病人的痛苦，提高病人生活质量。与传统开胸手术相比费用也低。并且经过研究表明，TRM的早期死亡率比冠动脉旁通

33、手术低8倍【13】。(6)激光针灸治疗术低功率激光可以代替传统的针具与灸具，通过刺激穴位能够缓解疼痛与治病。由于激光是非接触式的，所以不会损坏病人的神经与血管，更为安全可靠。经过研究发现，激光针灸可以对解除关节、肌肉与神经疼，对高血压、中风、偏瘫都有一定疗效。(7) 激光采血器与注射器早在20世纪90年代初，俄罗斯就研制初激光验血划痕器。激光切口与金属划痕器切口基本一样，但前者造成的水肿小，伤口愈合快。用激光采血是非接触式的，可器切口基本一样，但前者造成的水肿小，伤口愈合快。用激光采血是非接触式的，可以避免病人紧张、疼痛，特别适合给小病人使用。更重要的是可以避免由于采血、注射引起的交叉感染。可

34、以防止感染如艾滋病、肝炎等传染病。具有现实意义。(8)其它应用激光可以在其它医学领域也有应用。如外科中的骨切开术与骨切除术；在肠胃病中可用于治疗溃疡的出血；在耳鼻喉科中可用来治疗喉部或声门狭窄、慢性鼻出血等疾病；在妇科中可用来治疗生殖系统各部位内瘤、子宫内膜异位、输卵管阻塞与绝育等；也可以用来治疗前列腺良性增生等泌尿系统疾病。3.3 应用实例3.3.1 光声光谱技术激光光谱以其极高的光谱与时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力与应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。（1）对人体器官与组织的研究

35、应用光声光谱技术可以直接研究人的皮肤、肌肉、脏器等软组织与骨、牙齿等硬组织。当人体组织发生病变时，测定病变前后的光声光谱，有可能获得正常组织与病变组织的物理与化学特征以及它们之间的差异，为研究、诊断疾病提供有价值的信息【1】。 王树森，雷仕湛【21】利用光声光谱技术、分别对来受损伤的正常凡眼水晶体与具有明显白内障的未受损伤的人跟水晶体进行测量得到两种情况的光声光谱在280 nm处都有特征吸收峰。这特征吸收峰，主要是由于色氨酸与酪氨酸蛋白质残基对光的吸收所致。同时白内障水晶体比正常的水晶体在280 nm附近具有宽得多的吸收带，而且白内障水晶体在红外区的吸收也增加了。研究结果表明，白内障是共轭的色

36、氨酸与酪氨酸化合物。白内障结构不仅削弱了光谱蓝端的视觉，实际上也削弱了整个可见区的视觉，这时宽的吸收谱带从紫外到红外区移向可见区。习麓声，等【8】利用氙灯作光源的双光束光声光谱装置测量人体四个郭位(胃、子宫、肺、乳腺)的癌变组织与正常组织的光声光谱，发现四种人体癌变组织均在630nm附近有吸收峰出现，而正常组织均无此峰【13】。研究结果揭示：人体癌变组织在630nm处出现的吸收峰是反映癌变组织所特有的分子结构的特征谱带。这种特征谱带可作为诊断癌症的重要依据。也为激光治疗癌症提供了有价值的光学资料。图3.2给出了人体肺的正常组织与肺癌变组织的离体样品的光声光谱。图3.2 肺的正常组织与肺癌变组织

37、的离体样品的光声光谱 Giese等利用光声光谱技术研究具有吸收能力的药物渗透皮肤的扩散作用，并报道了用防晒油剂涂在人体皮肤进行光声测量，从而确定防晒的功能。Cross等分别采用由三种激光波长(248 nm、308 nm与532nm)的激光器构成的115脉冲光声光谱技术，研究正常人与患有动脉粥样硬化患者的血管组织部分切除手术的情况并测量出切除血管组织的最低能量阀值。Zharov等为了医学临床诊断设计了激光光声探针，采用较低功率的激光器，借用于光导纤维，通过测定胆结石与肾结石的声学特性(包括测定超声速率)，从而分析探讨结石的形成与病因。（2）对人体血液与体液的研究图3.3 1000-2500nm处

38、水、血糖、血红蛋白的吸收谱利用光声光谱技术，只需一滴全血不需要经过通常的提取分离步骤，并保持血样品原来的状态，很容易获得垒血中血红蛋白的特征光声光谱。通过全血的光声光谱，能够明显地区分出健康人与血液病患者之间的光谱差异【1】”。刘政威、郭周义等【9】与郭萍等分别利用光声光谱技术对不同类型(急粒、急单、慢性急变)白血病患者与正常人的全血进行检测与分析，发现由不同类型的样品得到的光声光谱图在360 nm、420 nm、550 nm与580nm波长附近的特征峰型及吸收强度有显著差异。不仅不同类型白血病患者全血的光声光谱与正常人的有显著差异，而且相互之间的差异也十分明显。研究结果显示：患者的全血的光声

39、光谱图可作为白血病临床诊断的依据。符适良等应用光声光谱技术对住院待产正常孕妇与妊高征患者的血液进行了全血光声光谱研究，发现妊高征患者的全血光声光谱在648.5 nm处出现一个特异峰。如图3.4所示。研究结果提示，该特异峰可作为妊高征诊断的依据。同时他们在妊高征全血光声光谱的进一步研究中，得到以下结论：妊高征的特异峰峰度随着妊高征病情的发展而变化。妊高征严重时峰度高，产后(术后)峰度消失；在产前诊断中，全血光声光谱出现特异峰的孕妇。在住院待产期间，多发展为虹高征。而全血光声光谱无特异峰的孕妇，在住院待产期间，较少发展为妊高征。图3.4 正常孕妇与妊高症孕妇全血的光声光谱郭晓委等应用光声光谱技术检

40、测了胃病患者的胃液，结果发现：慢性胃炎、胃溃痔胃液的光声光谱与正常人的无明显差异。而胃癌胃液的光声光谱在370 nm处有一个特征性的吸收峰该峰可作为胃癌的临床诊断依据【22】。此外，虞美云等利用光声光谱仪分别对不同结构的磁化杯中的水与普通杯中的水进行测量，从而得到的光声光谱图可明显反映出不同杯中水的构象情况，进而能分析不同磁化杯的磁化水磁化的效果情况。（3）对细菌、寄生虫的研究 利用光声光谱技术是可以鉴剐细菌状态的。虽然传统的光散射法可用来监视各种基质上细菌繁殖情况，但强的光散射却使获得细菌的光谱资料有很大的困难，因而对细菌也难以鉴别。但光声光谱技术却十分适合于研究细菌样品。枯草杆菌黑色变种是

41、空气中一种常见的细菌对处于孢子状态的这种细菌，其光声光谱在410nm处有一个强吸收带【14】。当细菌处于生长状态时这个吸收带就消失了。因而光声光谱技术能检测与区别不同的细菌状态，使我们能监视与测定处于各种发展阶段的细菌。 Bnl8subramanian等曾有效地用光声光谱技术检测了传播疟痰的寄生虫即疟原虫。这种寄生虫感染到红细胞上，使细胞代谢所需要的血红蛋白发生降解。而残留的高铁原卟琳IX (简称FP)，按多价整合而无毒的形式储存在它的白体吞噬泡中，被称为疟原虫色素。它类似于高铁原卟啉IX(FP)与寄生虫蛋白质结合的整合物。因此，疟原虫色素的光声光谱明显地类似于单体高铁原卟啉IX的光谱【18】

42、。当引入氯奎宁这类抗疟药物时，FP与氯奎宁结合形成FP一氯奎宁的螯合物。并促使疟原虫死亡。因此，他们通过光声光谱的测定情况，有效地研究抗疟药物的效用。（4）生物组织的自体荧光与药物荧光光谱 已对激光诱导生物组织自体荧光与药物荧光诊断动脉粥样斑块与恶性肿瘤进行了临床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断与定位的实时荧光图像处理系统。 激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注，光谱检验法的灵敏度很高，如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰，来诊断癌细胞的存在，则对肿瘤的早期诊断与治疗将起巨大作用。但

43、至今该技术在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据，关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观与科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。 目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织与细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额与最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。（5）生物组织的喇曼光谱近年来，喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，

44、克服了荧光光谱技术区分病变组织是由于生物大分子荧光带较宽、易于重叠对准确诊断带来的影响。目前，这一研究领域尚处于起步阶段，应加紧开展以下研究工作：其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建立其光谱数据库（包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等）；其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理；其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪与诊断仪。3.3.2 医学成像技术 人们致力的目标是：发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术，同时应具有非侵入式、实时、安全、经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分的特点。目前研究工作主

45、要集中在以下几个方面：（1）时间分辨成像技术 它以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像【17】。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。该项技术是光学层析（断层）造影（OT）技术中最主要的一种。（2）相干分辨成像技术（OCT） 它采用的是弱相干光光源（如，弱相干脉冲激光或宽带的非相干光光源），其相干长度很短（如20m）。利用光源的低相干性能通过散射介质来实现成像，实现手段有干涉仪、全息术等。（3）漫射光子密度波成像技术 透过生物组织的漫反射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。高频调制的光射

46、入生物组织，被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布，形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度与振幅衰减系数在生物组织中传播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅与相位，再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。（4）图像重建技术 生物散射介质的结构特征信息隐含在漫射光中。若能找到描述光在介质中迁徙规律，通过测试漫射光的有关参数，在眼光的散射路径逆向追溯，则应能重建散射介质结构图像。如采用锁模激光器作光源，条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量，再用逆问题算法进行图像重建。目前，逆问题算法大体有两类：一类为蒙特卡罗法，采用这种方法

47、，图像重建精度高，但是计算复杂；另一类是基于光的传输方程，采用优化算法，根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建 除了上面四种技术外，近年来还发展了其它一些生物组织成像技术，如空间选通门成像技术、时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前，国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段，离实用化还有相当距离，但人们已经看到它初露曙光。4 光子学技术在医学中的应用展望生物医学光子学被预测将在以下八个领域有所发展：光动力学医疗、激光与组织的相互作用、无透镜显微术、在血液化学分析中的进展、癌症的光学显示、利用激光检测DNA、伤害最小的光子设备、一体化的激光与成像系统。生物医学光子

48、学是一门新兴的交叉科学，它必定将随着激光器、光纤技术、信息科学、生物学、医学、物理学、化学、工程学等各领域的新突破而迅速发展。光声光谱技术由于具有一系列独特的优点，因此在医学领域中的应用范围是很广泛的，其应用前景也是十分诱人的。目前该技术应用于生物大分子、酶类、细胞(异形细胞)、微生物、器官与组织、血液与体液的光声光谱图研究，以及应用于细菌繁殖过程、药物合成与渗透、光声免疫反应、低温生物效应、生物分子的光致损伤、光括性光谱、细胞分裂时的形态变异与生物新陈代谢的活体产物等方面的研究，是医学界很感兴趣的研究课题。光声光谱技术仍属于发展中的新技术随着它的不断完善与发展，可以预计在不远的将来，它将成为医学领域中常规的研究与分析工具。光子学医疗与诊断仪器发展的方向:（1）伤害最小的光子设备化学物质的静脉注射、超声诊断、同位素医疗、X-射线照射等都对人体有一定伤害。它们可能引起烧伤或者结构细胞的破坏 ，特别是对胚胎检查与医疗。而光子仪器设备没有这些问题，它有很宽的波段选择，而且作用时间很短，不会引起生物组织细胞的离化反应，可以用来进行活体检验。（2）便携式由于消毒杀