生物医学光子学论文 doc

生物医学光子学论文

摘 要

运用光子学原理和技术，为医学、生物学和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、探测和操纵。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、诊断和治疗。

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、加工和改造等也是一项重要的任务。 二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和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，它是光子学和生命科学相互交叉、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、诊断和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和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中，与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和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，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和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，用激光技术和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和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、分析和处理等。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成和蛋白质相互作用空间和时间特征。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

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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，和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、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和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-射线和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和带动一批高新技术产业。

光子技术和产业的基础是光子学。光子学是研究光子的产生、运动和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、变换和处理问题等。当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子，因而作为能量和信息载体来说，他们具有共性，但是他们又存在许多差异。由于光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，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和发展。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和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。

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和特性的学科。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就和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）的发现和研究为基础的。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，从紫外光、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

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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。原子都是由原子核和核外电子构成，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，在很多工厂和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

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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量和效率：光频为5×1014Hz；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3～4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、二维存储外，尚能完成三维存储。如果使用可见光(?～500nm)，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，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。 2.2光子和生物组织的相互作用

有关的研究内容很多，几乎每种诊断和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】。此外激光的烧蚀和消融在医学上也起重要作用。 (2)吸收

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