1、生物醫(yī)學(xué)光學(xué),上海理工大學(xué)醫(yī)療器械工程研究所謝 海 明,參考書,1、生物光子學(xué)導(dǎo)論 PARAS N.PRASAD 浙江大學(xué)出版社 2006 2、生物光子學(xué) 顧憔 科學(xué)出版社 2007 3、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量與儀器，王保華，復(fù)旦大學(xué)出版社， 2003 4、激光與生物組織的相互作用-原理及應(yīng)用，張鎮(zhèn)西，西安交通大學(xué)出版社，1999,第一章 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)緒論,生命科學(xué)是當(dāng)今世界科技發(fā)展的最大熱點(diǎn)之一。目前幾乎所有的科學(xué)技術(shù)都將圍繞人與人類的發(fā)展問題，尋求自己的有意義的生長(zhǎng)點(diǎn)與發(fā)展面，而生命科學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象更是直指高等生命活體與人體本身的一些重大問題。近幾年來，已形成了光學(xué)與生命科學(xué)互相交叉的學(xué)科新分支生

2、物醫(yī)學(xué)光學(xué)(Biomedical Photonics)。,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)包括 生物光子學(xué) 醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩部分,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)主要研究?jī)?nèi)容： 一是生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的光子及其反映的生命過程，以及這種光子在生物學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、甚至食品品質(zhì)檢查方面的重要應(yīng)用。利用光子及其技術(shù)對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行的檢測(cè)、治療、加工和改造等也是一項(xiàng)重要的任務(wù)。 二是醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)，包括組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像術(shù)、新穎的激光診斷和激光醫(yī)療機(jī)理極其作用機(jī)理的研究。,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)（Biomedical-Optics）是光學(xué)與生命科學(xué)相互交叉又相互滲透的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，是光與生物組織相互作用的必然結(jié)果。早在198

3、8年在美國(guó)舉辦的光學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上首次對(duì)“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”（Bimedical optics）進(jìn)行專題討論，隨后其地位隨著激光生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，生物組織中光的分布以及光幅射與組織的相互作用成為重要的基礎(chǔ)問題，而這兩方面是與組織體的光學(xué)特性直接相關(guān)的。,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)在醫(yī)學(xué)中的作用： 當(dāng)今，醫(yī)學(xué)正處在一個(gè)重大的變革時(shí)期。醫(yī)學(xué)的重點(diǎn)正由傳統(tǒng)的基于癥狀治療模式向以信息為依據(jù)的治療模式轉(zhuǎn)變。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，癥狀僅僅是疾病的被滯后的很粗糙的人體異常反應(yīng)。當(dāng)今一些重大醫(yī)學(xué)課題的研究，一開始就把著眼點(diǎn)放在探索導(dǎo)致疾病的生物信息規(guī)律上，以控制生物邏輯信息處于健康狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到治療疾病的目的。為此，人們從各個(gè)學(xué)科（磁學(xué)、

4、聲學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等）探索醫(yī)學(xué)診斷和治療的新方法。目前，人們認(rèn)為光子學(xué)有希望在當(dāng)今醫(yī)學(xué)的大變革中扮演重要角色。認(rèn)識(shí)光在生物組織中的傳播規(guī)律，以及激光為代表的高性能光源和高靈敏度光學(xué)探測(cè)器的研制成功分別是這種認(rèn)知的理論依據(jù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。,醫(yī)學(xué)光子學(xué)（Medical photonics）,新興激光技術(shù)、光譜技術(shù)、顯微技術(shù)以及光纖技術(shù)的發(fā)展等的光子學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合形成了一個(gè)新的交叉學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)：醫(yī)學(xué)光子學(xué)（Medical photonics），是光學(xué)與生命科學(xué)相互交叉、相互滲透的一個(gè)邊緣學(xué)科，是關(guān)于光輻射與生物組織之間相互作用的學(xué)問。光在生物組織中的運(yùn)動(dòng)學(xué)（如傳播）問題和動(dòng)力學(xué)（如探測(cè)）問題是其研究的主

5、要內(nèi)容。由于激光具有單色性好、高亮度，高密度、輻射方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，無論光診斷還是光治療技術(shù)，多以激光為光源。隨著激光器的不斷發(fā)展，光子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也層出不窮。,醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展動(dòng)力,主要來源于醫(yī)學(xué)的迫切需要2,3。許多面向臨床光治療以及光診斷的具體應(yīng)用，如激光醫(yī)學(xué)中的光計(jì)量學(xué)、光學(xué)成像診斷學(xué)、腫瘤診斷與治療等所提出來的各種問題，亟待醫(yī)學(xué)光子學(xué)給出滿意的回答，由此極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)光子學(xué)的迅猛發(fā)展。醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究的直接對(duì)象是生物組織，特別是活體的生物組織。它的研究成果將直接服務(wù)于人類醫(yī)學(xué)，并有可能創(chuàng)造出新的高科技產(chǎn)業(yè)，為人類文明和社會(huì)進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。,在醫(yī)學(xué)的光診斷和治療中,有許多理論研

6、究需要開展，有許多新應(yīng)用需要從理論上做出滿意的解釋，這主要有如下幾個(gè)方面： (1) 醫(yī)學(xué)上對(duì)人體疾病的光學(xué)診斷問題。人體在不同的生理狀態(tài)下，其組織光學(xué)特性參數(shù)也不相同。光子學(xué)檢測(cè)和診斷與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的方法相比較有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是 600nm 至 1300nm“光學(xué)窗”波長(zhǎng)范圍內(nèi)的無損檢測(cè)和診斷技術(shù)蓬勃發(fā)展，如組織血氧和腦血氧的檢測(cè)、血氧和葡萄糖含量的監(jiān)測(cè)。在取像技術(shù)方面近年發(fā)展起來的 OCT 技術(shù)也受到人們的高度重視，但由于生物組織的多樣性和復(fù)雜性，光子學(xué)檢測(cè)和診斷技術(shù)在理論上尤其是如何為醫(yī)學(xué)臨床提供可靠的生理參數(shù)指標(biāo)尚有許多問題需要加強(qiáng)研究。 （2）光治療中各種參量的選擇。在許多臨床光治療的具體

7、應(yīng)用中,如激光手術(shù)、激光針灸、激光理療和光子動(dòng)力學(xué)治療（Photodynamic Therapy,簡(jiǎn)寫為 PDT）腫瘤,需要預(yù)先確定光劑量,即合理選定照射光源的幾何形狀、光束功率、照射時(shí)間、焦點(diǎn)深度以及周圍組織的光學(xué)性質(zhì)和形狀等以及組織內(nèi)部各部分光能流率的分布。,在醫(yī)學(xué)的光診斷和治療中,有許多理論研究需要開展，有許多新應(yīng)用需要從理論上做出滿意的解釋，這主要有如下幾個(gè)方面： (3)弱光對(duì)生物組織的刺激作用機(jī)制。所謂弱光 ,即不會(huì)造成生物組織機(jī)體不可逆性損傷的光。由于弱光對(duì)生物組織的刺激作用如激光對(duì)人體的消炎、止痛效果以及對(duì)血液的明顯的凈化作用，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床，但是弱光治療的機(jī)理研究相對(duì)

8、滯后。為了更好地、更科學(xué)地發(fā)展光醫(yī)療事業(yè)，需要加強(qiáng)弱光對(duì)生物組織的刺激作用機(jī)理的研究。 (4) 對(duì)人體傷害最小的光子設(shè)備的研究和開發(fā)，其理論基礎(chǔ)是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，其研究成果將直接服務(wù)于人類健康。光子醫(yī)療儀器設(shè)備在醫(yī)學(xué)臨床的診斷和治療中有著很重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景，并有可能創(chuàng)造出新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，為人類文明和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。,11 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)一個(gè)新的前沿學(xué)科,我們生活在一個(gè)技術(shù)革命的時(shí)代。技術(shù)革命不斷地改變著我們的生活和我們社會(huì)之間相互影響的范圍。人類在上個(gè)世紀(jì)取得了許多技術(shù)的重大突破，光子學(xué)便是其中之一。光子學(xué)利用光子替代電子進(jìn)行信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)，使信息技術(shù)中的容量和速度有了質(zhì)

9、的飛躍。光子學(xué)是一門以光為基礎(chǔ)的包羅萬象的光學(xué)技術(shù)。它一直都被認(rèn)為是新千年的主導(dǎo)技術(shù)之一。激光是一種單色、高方向性且能量集中的光源，它的發(fā)明革新了光子學(xué)。自1960年激光第一次出現(xiàn)以來，它已經(jīng)觸及到了我們生活的方方面面，從家庭娛樂到高容量的信息存儲(chǔ)，再到光纖通信。激光為光子學(xué)提供了許多新的發(fā)展機(jī)會(huì)。,生物光子學(xué)融合了光子學(xué)和生物學(xué)，是光子學(xué)的延伸。生物光子學(xué)所討論的是光與生物物質(zhì)的相互作用。,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)可以分為生物光子學(xué)和醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩個(gè)部分，分屬生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但二者存在相互交疊的范圍，并無嚴(yán)格的分界。也可以根據(jù)應(yīng)用目的的不同，將生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)劃分位光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)和光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù)兩個(gè)

10、領(lǐng)域。前者以光子作位信息的載體，后者是以光子作為能量的載體。,1.2 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)概論,光子學(xué)在光學(xué)診斷以及光引導(dǎo)及活化治療上的應(yīng)用將會(huì)對(duì)衛(wèi)生保健產(chǎn)生重大影響。 生物光子學(xué)為實(shí)現(xiàn)疾病的早期探測(cè)和光引導(dǎo)及活化治療的新模式使我們看到了希望。,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)用于衛(wèi)生保健的多學(xué)科范圍,1.2.1多學(xué)科的教育培訓(xùn)和研究的介紹,21世紀(jì)，主要的技術(shù)突破更容易發(fā)生在學(xué)科的交叉地帶。 激光對(duì)衛(wèi)生保健的好處已經(jīng)為包括普通公眾在內(nèi)的社會(huì)各界所認(rèn)可。 為滿足世界范圍內(nèi)在這一方面不斷增長(zhǎng)的需求，關(guān)鍵是要訓(xùn)練專業(yè)的衛(wèi)生保健人員和培養(yǎng)新一代的生物光子學(xué)研究人員。,1.2.2 為基礎(chǔ)研究和生物技術(shù)發(fā)展提供的機(jī)會(huì),從技術(shù)角度來

11、看，生物光子學(xué)綜合了四種主要技術(shù)：激光學(xué)、光子學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)。這些技術(shù)不僅在全球市場(chǎng)確立了自己的地位，而且每年它們共同創(chuàng)造的利潤(rùn)達(dá)到上千億美元。生物光子學(xué)也對(duì)工業(yè)有著廣泛的影響，包括：生物技術(shù)企業(yè)、衛(wèi)生保健機(jī)構(gòu)(醫(yī)院、診所和醫(yī)療診斷實(shí)驗(yàn)室)、醫(yī)療儀器供應(yīng)商和藥品制造商以及那些與信息技術(shù)和光纖通信有關(guān)的企業(yè)。將來，生物光子學(xué)會(huì)在技術(shù)創(chuàng)新和世界范圍內(nèi)的巨大商業(yè)回報(bào)方面產(chǎn)生重大影響。,生物光子學(xué)為研究人員提供了具有挑戰(zhàn)性的機(jī)會(huì)。,對(duì)生物分子和生物組裝的光學(xué)活化以及其后的光誘導(dǎo)處理的基本理解，是設(shè)計(jì)新的探測(cè)器和藥物釋放系統(tǒng)的基本要求。同時(shí)，對(duì)于如何利用超短激光脈沖進(jìn)行多光子處理的理解對(duì)發(fā)展新的

12、探測(cè)器和制造新的光活化治療形式也是必要的。,以學(xué)科分類，列舉了這些機(jī)會(huì)中的一些：,化學(xué)家： 新的熒光標(biāo)記物的研發(fā) 用于分析物探測(cè)和生物傳感的化學(xué)探測(cè)器 用于靶向治療的納米II缶床學(xué) 用于材料探測(cè)器和納米器件的納米化學(xué) 新的光活化結(jié)構(gòu) 物理學(xué)家： 生物分子和生物組裝的光學(xué)處理過程 成像和生物傳感的新物理機(jī)制 單分子生物物理學(xué) 診斷和治療的非線性光學(xué)過程,以學(xué)科分類，列舉了這些機(jī)會(huì)中的一些：,工程師： 新一代激光、傳輸系統(tǒng)和探測(cè)器的有效而精簡(jiǎn)的集成 設(shè)備小型化、自動(dòng)化和機(jī)器人控制 新的無損和低侵入性光活化作用 進(jìn)行活體成像和光學(xué)活組織檢查的光學(xué)工程 目標(biāo)檢測(cè)和活化的納米技術(shù) 光學(xué)微電機(jī)系統(tǒng)BioM

13、EMS(micro-electro-mechanical systems)以及它們的納米尺度的類似物 生物醫(yī)學(xué)研究人員： 對(duì)分子、細(xì)胞和組織功能探測(cè)的生物成像 傳染病和癌癥早期檢測(cè)的光學(xué)特征 對(duì)治療和藥物輸送產(chǎn)生的生理反應(yīng)的動(dòng)態(tài)成像 藥物作用的細(xì)胞機(jī)制 光化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的有毒性 移植和探針的生物相容性,以學(xué)科分類，列舉了這些機(jī)會(huì)中的一些：,臨床醫(yī)生： 針對(duì)人的活體成像研究 對(duì)傳染病和癌癥進(jìn)行的光學(xué)活體探測(cè)的發(fā)展 光學(xué)活組織檢查和光學(xué)乳腺成像術(shù) 對(duì)組織進(jìn)行熔接、輪廓勾畫和再生 對(duì)藥物釋放和藥物作用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 對(duì)副作用的長(zhǎng)期臨床研究,1.生物醫(yī)學(xué)光學(xué)基礎(chǔ),關(guān)于光特別是激光與生物組織的相互作用規(guī)律和知

14、識(shí)，引起國(guó)際矚目，已成為正在蓬勃發(fā)展的激光生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)和前提。例如，當(dāng)前處在臨床應(yīng)用邊緣的腫瘤的光動(dòng)力學(xué)治療和診斷的關(guān)鍵問題之一，是如何設(shè)計(jì)并確認(rèn)人體組織內(nèi)的光分布情況，這涉及到諸多學(xué)科各方面的理論與實(shí)驗(yàn)問題，其中最主要的有光在組織體內(nèi)傳播的特殊方式、組織光學(xué)性質(zhì)的描述以及有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)和完善等等。所有這些研究工作中出現(xiàn)的新問題必須以新的思維和手段加以解決。雖然已初步建立了生物組織中光的傳播模型，但是統(tǒng)一的生物組織光學(xué)理論卻遠(yuǎn)未成熟。在這樣的背景下，“組織光學(xué)”（Tissue optics）作為研究生物組織光學(xué)性質(zhì)的專門學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生，它涉及醫(yī)學(xué)光子學(xué)中最基礎(chǔ)性的理論問題，也是進(jìn)一步發(fā)

15、展生物醫(yī)學(xué)光學(xué)（包含光診斷和光治療）的前提。,1.生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,運(yùn)用光子學(xué)原理和技術(shù)，為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域中的問題提供解決方案即構(gòu)成生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)涉及對(duì)生物材料的成像、探測(cè)和操縱。在生物學(xué)領(lǐng)域，主要研究分子水平的機(jī)理，監(jiān)測(cè)分子結(jié)構(gòu)與功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要研究生物組織結(jié)構(gòu)與功能，能對(duì)生物體以非侵入的方式，實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀尺度分子水平的疾病探測(cè)、診斷和治療。,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)主要包含以下研究?jī)?nèi)容：,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)所討論的是光與生物物質(zhì)的相互作用。它是一門將光子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)相互融合而形成的前沿學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)促進(jìn)了早期疾病檢測(cè)和光引導(dǎo)及活化治療模式的革

16、新。同時(shí)，生物學(xué)也促進(jìn)了光子學(xué)的發(fā)展，比如，生物材料為新光學(xué)介質(zhì)的發(fā)展及技術(shù)應(yīng)用展示了前景。,光在生物組織中的運(yùn)動(dòng)學(xué)（如光的傳播）問題和動(dòng)力學(xué)（如光的探測(cè)）問題是研究的主要內(nèi)容。當(dāng)前的主要研究任務(wù)是： 一是生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的光子及其反映的生命過程，以及這種光子在生物學(xué)研究、醫(yī)學(xué)診斷、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、甚至食品品質(zhì)檢查方面的重要應(yīng)用。利用光子及其技術(shù)對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行的檢測(cè)、治療、加工和改造等也是一項(xiàng)重要的任務(wù)。 二是醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)，包括組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)光譜技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像術(shù)、新穎的激光診斷和激光醫(yī)療機(jī)理極其作用機(jī)理的研究。,研究生物組織的光學(xué)性質(zhì)和確定某靶位單位面積上的光能流率。前者涉及由測(cè)量的光分布和

17、一定的光傳播模型確定組織體的光學(xué)基本參數(shù)，稱為“正”問題；后者則從組織體的光學(xué)基本參數(shù)和光傳播模型出發(fā)導(dǎo)出組織體內(nèi)光分布，屬于“逆”問題。,當(dāng)前結(jié)合考慮國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)實(shí)際所提供的可能性，應(yīng)在下列幾個(gè)方面開展研究工作：,1 光在生物組織中傳輸理論研究 2 光傳輸?shù)拿商乜_模擬計(jì)算 3組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù) 4醫(yī)學(xué)光譜技術(shù) 5生物組織折射率及色散關(guān)系 6生物組織光學(xué)成像研究 7組織光學(xué)理論工作的幾點(diǎn)思考,光在生物組織中傳輸理論研究,目前雖借鑒中子傳輸理論初步建立了光在生物組織中的傳播模型，但與建立組織光學(xué)的統(tǒng)一理論架構(gòu)體系尚有較大距離，生物組織的光學(xué)理論遠(yuǎn)未成熟，有許多理論上的空白點(diǎn)有待

18、填補(bǔ)。 需要做的工作： 其一是：建立準(zhǔn)確的組織光學(xué)模型，使之能反映生物組織空間結(jié)構(gòu)及其尺寸分布情況、組織各個(gè)部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況； 其二是：改造傳輸方程，使之適應(yīng)新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸?shù)幕拘再|(zhì)。,光傳輸?shù)拿商乜_模擬計(jì)算,蒙特卡羅（Monte Carlo）計(jì)算模擬方法，已在許多領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。已經(jīng)有一些比較成功的算法，但還應(yīng)繼續(xù)開發(fā)新的更為有效的算法以適應(yīng)生物組織的多樣性和復(fù)雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數(shù)字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學(xué)性質(zhì)基本參量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。另外，發(fā)展非穩(wěn)態(tài)的光傳輸?shù)拿?/p>

19、特卡羅模擬方法也是一個(gè)重要的研究方向，從中可以獲得比穩(wěn)態(tài)條件下更多的信息。,組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù),在組織中光的傳輸理論確立后，一項(xiàng)關(guān)鍵工作是確定組織體，尤其是人體的光學(xué)性質(zhì)基本參數(shù)，即吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射相位函數(shù)或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知這些光與組織的相互作用參數(shù)，在給定的光照方式和邊界條件下，光能流率或其它參量全反射率R全透過率T等分布均可由有關(guān)的傳輸模型唯一地確定。目前有關(guān)生物組織光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量方法尚待進(jìn)一步發(fā)展和完善，其中活體的無損檢測(cè)尤為重要。在這方面，時(shí)間分辨率與頻率分辨率的測(cè)量方法引人注目。,醫(yī)學(xué)光譜技術(shù),激光光譜以其極高的光譜和時(shí)間分辨率、靈敏度、精確度

20、以及無損、安全、快速等優(yōu)點(diǎn)而成為醫(yī)學(xué)光子學(xué)的重要研究領(lǐng)域。隨著激光光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究的深入開展，一門有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的“醫(yī)學(xué)光譜學(xué)”逐漸形成。 1）、生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜。 2）、生物組織的喇曼光譜。 3）、生物組織的超快時(shí)間分辨光譜。,生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜,已對(duì)激光誘導(dǎo)生物組織自體熒光和藥物熒光診斷動(dòng)脈粥樣斑塊和惡性腫瘤進(jìn)行了臨床前的研究。內(nèi)容涉及光敏劑的吸收譜、激發(fā)與發(fā)射熒光譜以及各種波長(zhǎng)激光激發(fā)下正常組織與病變組織內(nèi)源性熒光基團(tuán)特征光譜等。在此基礎(chǔ)上還研究了用于癌瘤診斷和定位的實(shí)時(shí)熒光圖像處理系統(tǒng)。,生物組織的喇曼光譜,喇曼光譜技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中已顯示出

21、它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優(yōu)勢(shì)，克服了熒光光譜技術(shù)區(qū)分病變組織是由于生物大分子熒光帶較寬、易于重疊對(duì)準(zhǔn)確診斷帶來的影響。 加緊開展以下研究工作： 其一，對(duì)重要醫(yī)學(xué)物質(zhì)的喇曼光譜進(jìn)行研究，并建立其光譜數(shù)據(jù)庫(kù)（包括分子組分與結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的敏感特征譜線及其強(qiáng)度等）； 其二，研究疾病的喇曼光譜，分析從正常到病變過程中生物組分的變化與發(fā)病機(jī)理； 其三，開發(fā)小型、高效、適用于體表與體內(nèi)的醫(yī)用喇曼光譜儀和診斷儀。,生物組織的超快時(shí)間分辨光譜,超快時(shí)間分辨光譜比穩(wěn)態(tài)光譜在技術(shù)上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級(jí)的超短激光脈沖光源用于醫(yī)學(xué)受到廣泛重視，其一，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨熒光光

22、譜技術(shù)，用于測(cè)量生物組織及生物分子的熒光衰變時(shí)間，分析癌組織分子馳豫動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等，為進(jìn)一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其二，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨漫反射（透射）光譜技術(shù)。,生物組織折射率及色散關(guān)系,人們?cè)诟鞣N情況下使用假設(shè)的折射率數(shù)據(jù)（1.33-1.38），但是有關(guān)生物組織折射率的研究還是在某種程度上被忽視了。至今人們還未在概念上對(duì)生物組織折射率做深入的辨析，也還沒有完全掌握活體甚至離體組織折射率的精確測(cè)量方法。又因組織體存在強(qiáng)烈散射而造成的精確測(cè)量工作困難，人們尚未獲得人體各種組織的可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。業(yè)已證明生物組織的折射率和色散參數(shù)，無論是理論上還是實(shí)驗(yàn)上對(duì)組織光學(xué)的深入研究都是十分重

23、要的。,生物組織光學(xué)成像研究,生物組織光學(xué)成像是生物探測(cè)研究和醫(yī)學(xué)診斷的主要手段之一。用可見光或近紅外光對(duì)生物組織成像具有對(duì)人體傷害最小和分辨率高的特點(diǎn)，因此成為極有發(fā)展前途的一種生物組織光學(xué)成像方式。,組織光學(xué)理論工作的幾點(diǎn)思考,除了要發(fā)展測(cè)量技術(shù)、建立組織光學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)外，在理論上可著重考慮以下幾個(gè)問題： A.繼續(xù)改進(jìn)生物組織光傳輸模型 B.研究短脈沖光在組織中的傳播行為以及漫散射光的時(shí)間變化特性，為光學(xué)成像技術(shù)做充分的理論準(zhǔn)備； C.研究調(diào)制光在生物組織中的傳播特點(diǎn)，例如將受振幅調(diào)制的光照射到組織上會(huì)產(chǎn)生慢散射光子密度波，一樣發(fā)生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以無損地探測(cè)組織的光學(xué)性

24、質(zhì)參數(shù)，又可以用來成像；,繼續(xù)改進(jìn)生物組織光傳輸模型，,一要發(fā)展受限制少、快速而又精確的模型； 二要精確化組織光學(xué)模型，使之與生物組織特別是活體組織狀態(tài)相近似；對(duì)組織中光傳輸理論、光傳輸?shù)腗onte Carlo模擬方法、組織光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量以及臨床光劑量學(xué)等方面開展既有繼承性又有開創(chuàng)性的研究工作。預(yù)期主要研究成果是： a,人體組織光子特性數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)； b,初步解決接近臨床實(shí)際條件下模擬組織體中光分布(即組織深部光劑量學(xué))的難題。,組織光學(xué)理論工作的幾點(diǎn)思考,D.研究生物組織散射和吸收的光學(xué)特性對(duì)測(cè)量熒光及其光譜的影響。數(shù)值模擬研究已經(jīng)初步表明，這種影響是不可忽略的 E.對(duì)光在復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)中的

25、傳輸過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，通過大量模擬，找出簡(jiǎn)單而有效的規(guī)律來說明光在組織中傳輸?shù)幕拘再|(zhì)，并在各種參數(shù)之間建立聯(lián)系，為組織光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量提供依據(jù)； F.統(tǒng)一生物組織光學(xué)性質(zhì)參數(shù)的描述，建立完善的組織光學(xué)理論體系。,1.3.2 光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)_,1 概念 生物光子學(xué)就是以研究生物體輻射的光子特性來研究生物體自身的功能和特性的學(xué)科。在光子學(xué)產(chǎn)生初期，充滿活力的生命科學(xué)就和光子學(xué)相互交叉滲透，促進(jìn)了這一學(xué)科的發(fā)展。它以生物系統(tǒng)的超微弱光子輻射（BPE）的發(fā)現(xiàn)和研究為基礎(chǔ)的。 研究表明：生物的自發(fā)超弱發(fā)光與生物體的氧化代謝、細(xì)胞的分裂和死亡、癌變、生長(zhǎng)調(diào)控、光化學(xué)反應(yīng)等許多基本的生命過程有著密切的內(nèi)

26、在聯(lián)系。有關(guān)BPE的研究也正向細(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平深入。與之相關(guān)的理論和測(cè)試技術(shù)也在不斷發(fā)展。,2 應(yīng)用,由于生物超弱發(fā)光與生物體的生理及病理有著密切的關(guān)系，所以生物光子學(xué)在臨床診斷、農(nóng)作物遺傳性診斷及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域可以有重要的應(yīng)用。 生物超弱發(fā)光的成像 生物系統(tǒng)的誘導(dǎo)發(fā)光 激光掃描共焦顯微技術(shù) 光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT） 光學(xué)光鉗技術(shù) 激光加速對(duì)DNA的研究 激光挑選癌細(xì)胞 細(xì)胞快速分析識(shí)別,生物超弱發(fā)光的成像,利用高靈敏度的探測(cè)和成像技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在可見和近紅外波段獲得生物體超弱發(fā)光的而二維圖像，用于人體代謝功能與抗氧化、抗衰老機(jī)體防御功能的測(cè)量和研究。亦可用于疾病的診斷。例如

27、，日本研制成第一臺(tái)能探測(cè)大腦癲間病灶區(qū)的激光儀器，用很弱的近紅外激光照射病人頭部而得到大腦皮層的二維圖像。通過分析這些圖象，可以了解癲間期大腦活動(dòng)類型，有助于醫(yī)生發(fā)現(xiàn)病灶。和傳統(tǒng)的打開頭蓋骨插入電極測(cè)量和用放射性同位素測(cè)定的方法相比，可以減少對(duì)病人的痛苦和傷害。此外，波士頓兒童醫(yī)院利用在組織內(nèi)的光的吸收和氧的濃度有關(guān)這一特性，采用近紅外光譜來監(jiān)視嬰兒腦細(xì)胞氧含量。,生物系統(tǒng)的誘導(dǎo)發(fā)光,生物體在外界強(qiáng)光的短暫照射下可誘導(dǎo)生物系統(tǒng)的光子發(fā)射。這種隨時(shí)間衰弱的誘導(dǎo)發(fā)光的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于生物體自發(fā)光強(qiáng)度?？梢杂糜诩膊≡\斷和食品質(zhì)量的檢測(cè)。由于腫瘤患者和健康人相比，其血液和病變器官與組織的發(fā)光光子強(qiáng)度升高，在

28、癌癥的診斷方面有很好的應(yīng)用，可以在腫瘤早期找出其存在位置，實(shí)現(xiàn)腫瘤的早期診斷和治療。目前有兩種方法： 1 外加光敏物質(zhì)診斷 2 自體熒光光譜診斷,激光掃描共焦顯微技術(shù),超聲波、CT、核磁共振等傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)雖然可以獲得人體組織在自然狀態(tài)下的各種表像，但無法達(dá)到細(xì)胞級(jí)的分辨率。而采用高分辨率的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡又需要將組織切片分析，無法對(duì)活組織成像。激光掃描共焦顯微鏡卻可以進(jìn)行光學(xué)斷層分析獲取生物樣本的三維圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)組織的動(dòng)態(tài)成像，使研究人員觀察到細(xì)胞與細(xì)胞相互作用、組織再生、光與組織的物理和生物效應(yīng)、細(xì)胞內(nèi)的生化成分和離子濃度等，從而成為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的新技術(shù)和新手段。,光學(xué)相干

29、層析技術(shù)（OCT）,將光學(xué)相干技術(shù)與激光掃描共焦技術(shù)相結(jié)合的光學(xué)相干層析技術(shù)（OCT），利用了相干儀的高靈敏度外差探測(cè)特性，及只有探測(cè)光束焦點(diǎn)處返回的光才有最強(qiáng)的干涉信號(hào)被探測(cè)到，而離開焦點(diǎn)的散射光不會(huì)被探測(cè)成像這一激光共焦顯微技術(shù)的結(jié)合。避免了單一激光掃描共焦顯示技術(shù)只能用于透明組織，如角膜、皮膚這一缺點(diǎn)，可以用于探測(cè)食道、宮頸、腸道等器官，使醫(yī)生看到10微米大小的組織，無損傷地了解組織結(jié)構(gòu)及成分。特別值得一提的是它可以用于探測(cè)心臟、腦等以往無法活檢的器官和組織，所以，OCT在醫(yī)學(xué)上被稱為光學(xué)活檢。,光學(xué)光鉗技術(shù),激光光鉗是一種利用高斯激光光束的梯度壓力將微粒移到激光束焦點(diǎn)附近的裝置。微粒處

30、于按高斯分布的激光束中時(shí)，由于光場(chǎng)強(qiáng)度的空間變化，光束對(duì)微粒產(chǎn)生一種梯度壓力，驅(qū)使其移向光束中心，并穩(wěn)定在那里。激光束如同一把“鉗子” 抓住微粒，隨其移動(dòng)，可以無損地操縱如細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、小的原生動(dòng)物等生物粒子，為微生物學(xué)家、醫(yī)學(xué)工作者提供新的有力工具。為了減小對(duì)微粒的影響，多采用近紅外激光。德國(guó)生物學(xué)家用激光在卵子細(xì)胞周圍的保護(hù)層（蛋白質(zhì)和碳水化合物）上打孔，利用光鉗將精子抓住并送入卵細(xì)胞，從可以幫助那些缺少尾巴或無法游動(dòng)的精子與母卵細(xì)胞結(jié)合，從而大大提高了體外受精的成功率。,激光加速對(duì)DNA的研究,基因是生物遺傳、突變的基本單位。人類基因組共有3109個(gè)堿基對(duì)（DNA），弄清這些堿基對(duì)的

31、序列情況是研究生命科學(xué)、了解生命奧秘的基礎(chǔ)。利用人工方法識(shí)別這些堿基對(duì)需要1000年時(shí)間。單由于引入了光子學(xué)技術(shù)，大大促進(jìn)了DNA的研究進(jìn)程。美國(guó)加州大學(xué)采用激光毛細(xì)管列陣電泳法，在7分鐘內(nèi)讀出200個(gè)堿基對(duì)，精度達(dá)97，比通常的板凝膠技術(shù)快得多。此外，日本東北大學(xué)、路易斯安娜州立大學(xué)、艾奧瓦州立大學(xué)的研究人員都利用光子學(xué)技術(shù)采用不同的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的快速識(shí)別。加利福尼亞的Affymetrix公司已開發(fā)了基因芯片技術(shù)，它將照相平板印刷術(shù)和化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合，在不到1.28cm2的面積上產(chǎn)生高密度的DNA探頭陣列。利用激光共焦掃描顯微技術(shù)識(shí)別DNA。,激光挑選癌細(xì)胞,美國(guó)國(guó)家健康研究所研制出

32、一種帶有固體激光器的立式顯微鏡。在用顯微鏡觀察腫瘤的病理樣品時(shí)，病理學(xué)家可以用脈沖工作的激光束激活罩在樣品上的透明熱塑膜，使之與他選擇的癌細(xì)胞熱熔在一起。這樣在取出膜的同時(shí)可以取出被選的癌細(xì)胞，進(jìn)行近一步分析研究。,細(xì)胞快速分析識(shí)別,美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功地研制出一種含有細(xì)胞的生物微腔半導(dǎo)體激光器。以透明的細(xì)胞作為波導(dǎo)材料來改變激光橫模結(jié)構(gòu)，從而使激光光譜發(fā)生變化。由于每一種細(xì)胞都能使激光輸出帶有可識(shí)別地信號(hào)，可以根據(jù)光譜識(shí)別細(xì)胞而不需要成像，因此識(shí)別速度很高。每秒能識(shí)別2萬個(gè)細(xì)胞,1.3.3光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù),1 概念 光入射到人體組織后，一部分會(huì)反射回來，一部分被組織吸收，還有一部分

33、被人體組織向四周散射。人體不同組織對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力也不同。 光照射人體組織后，根據(jù)照射的波長(zhǎng)和時(shí)間不同，對(duì)組織有以下五種作用， 分別為：光化學(xué)作用、熱相互作用、光蝕除、等離子體誘導(dǎo)蝕除和光致破裂。,2 主要應(yīng)用,光子動(dòng)力學(xué)醫(yī)療（PDT） 激光美容 激光在牙科應(yīng)用 激光在眼科應(yīng)用 激光在心臟病學(xué)中應(yīng)用 激光針灸治療術(shù) 激光采血器和注射器 其它應(yīng)用,光子動(dòng)力學(xué)醫(yī)療（PDT）,利用癌細(xì)胞與正常細(xì)胞對(duì)某些光敏藥物的親和力不同的特點(diǎn)，使光敏物質(zhì)只集中于腫瘤組織中，在光的照射下使光敏藥物產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的單態(tài)氧，能有效地殺死癌細(xì)胞。具體做法使給別人注射光敏藥物，在48或72小時(shí)后，正常組織將藥物代謝

34、排除，而腫瘤組織代謝較慢。此時(shí)可以用低功率激光照射可疑區(qū)域，根據(jù)熒光光譜確定腫瘤位置。再用高功率激光（630690納米染料激光或半導(dǎo)體激光），通過光纖去激活藥物，產(chǎn)生毒性反應(yīng)，殺死癌細(xì)胞。這一技術(shù)成功應(yīng)用于肺癌和其他癌癥地治療。,激光美容,利用激光照射皮膚后的選擇性光熱作用，即靶組織（病灶）和正常組織對(duì)光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時(shí)避免正常組織的損傷這一原則，達(dá)到去皺、去文身、去毛和治療各種皮膚病的目的。采用倍頻Nd：YAG或Ar激光有效凝固血紅蛋白來治療如鮮紅斑痣等皮膚??；采用超短脈沖CO2激光器（10.6m）進(jìn)行去皺、去毛、頭發(fā)移植等；在文身治療中，根據(jù)文身顏色選擇互補(bǔ)色激光治

35、療，如綠色文身采用紅色激光，這時(shí)色素吸收率最高，容易實(shí)現(xiàn)選擇性光熱作用。利用不同波長(zhǎng)和不同功率的光刀也可以進(jìn)行皮膚腫瘤等切除性外科手術(shù)。,激光在牙科應(yīng)用,從60年代即開始了激光用于牙科的基礎(chǔ)及臨床研究。最早用于代替機(jī)械牙鉆賀焊接支架?，F(xiàn)在激光在口腔臨床主要應(yīng)用于口腔軟組織疾病、口腔粘膜病等治療。以及各種口腔硬組織疾病，如牙本質(zhì)過敏癥的脫敏、齲牙激光治療、根管消毒和激光漂白牙齒等；還可以用激光進(jìn)行止疼及麻醉。也可以用激光進(jìn)行牙髓炎等口腔疾病的診斷等。,激光在眼科應(yīng)用,利用紫外激光的高光子能量打斷角膜基質(zhì)內(nèi)分子鏈，造成非熱致汽化來改變角膜的厚度和曲率，治療近視、遠(yuǎn)視和散光。這就是今年來出現(xiàn)的準(zhǔn)分子

36、激光角膜切削術(shù)。由于該方法熱損傷小、切割精細(xì)、安全、預(yù)測(cè)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展很快。另一種治療方法叫激光屈光性角膜切削術(shù)，即在角膜瓣下進(jìn)行激光切割，是一種效果穩(wěn)定，視力回退現(xiàn)象小的屈光矯正治療。另外，激光在晶狀體、玻璃體、虹膜、視網(wǎng)膜等各類疾病的治療。,激光在心臟病學(xué)中應(yīng)用,對(duì)于冠狀動(dòng)脈硬化可以采用激光心臟再形成手術(shù)（TRM）進(jìn)行治療。TRM手術(shù)是醫(yī)生在病人左胸開一個(gè)68英寸的切口，用激光再心臟上打2030個(gè)1毫米大小的小孔，小孔在血凝固時(shí)被封閉，形成心的血流通道，以增加血液向缺氧組織流動(dòng)從而緩和心絞痛和其他冠心病狀。這一技術(shù)可以減輕病人的痛苦，提高病人生活質(zhì)量。與傳統(tǒng)開胸手術(shù)相比費(fèi)用也低

37、。并且經(jīng)過研究表明，TRM的早期死亡率比冠動(dòng)脈旁通手術(shù)低8倍。,激光針灸治療術(shù),低功率激光可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針具和灸具，通過刺激穴位能夠緩解疼痛和治病。由于激光是非接觸式的，所以不會(huì)損壞病人的神經(jīng)和血管，更為安全可靠。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，激光針灸可以對(duì)解除關(guān)節(jié)、肌肉和神經(jīng)疼，對(duì)高血壓、中風(fēng)、偏癱都有一定療效。,激光采血器和注射器,早在20世紀(jì)90年代初，俄羅斯就研制初激光驗(yàn)血?jiǎng)澓燮?。激光切口和金屬劃痕器切口基本一樣，但前者造成的水腫小，傷口愈合快。用激光采血是非接觸式的，可以避面病人緊張、疼痛，特別適合給小病人使用。更重要的是可以避免由于采血、注射引起的交叉感染?？梢苑乐垢腥救绨滩　⒏窝椎葌魅静?。具有

38、現(xiàn)實(shí)意義。,其它應(yīng)用,激光可以在其它醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有應(yīng)用。如外科中的骨切開術(shù)和骨切除術(shù)；在腸胃病中可用于治療潰瘍的出血；在耳鼻喉科中可用來治療喉部或聲門狹窄、慢性鼻出血等疾??；在婦科中可用來治療生殖系統(tǒng)各部位內(nèi)瘤、子宮內(nèi)膜異位、輸卵管阻塞和絕育等；也可以用來治療前列腺良性增生等泌尿系統(tǒng)疾病。,1.4生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的發(fā)展方向,八個(gè)領(lǐng)域有所發(fā)展： 光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療、 激光和組織的相互作用、 無透鏡顯微術(shù)、 在血液化學(xué)分析中的進(jìn)展、 癌癥的光學(xué)顯示、 利用激光檢測(cè)DNA、 傷害最小的光子設(shè)備、 一體化的激光和成像系統(tǒng)。 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)是一門新興的交叉科學(xué)，它必定將隨著激光器、光纖技術(shù)、信息科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)等各領(lǐng)域的新突破而