生物医学光子学论文 doc

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。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，形成空间和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：

A???

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，也和光子穿过的路径有关【10】。吸收和散射光一样可以推断生物生理变化和组织结构损伤。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，例如血红素和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、诊断和治疗。 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

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制，即受短脉冲光(脉宽

．

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。光声信号的产生和检测过程是一个光、热、声、电的能量转移过程。光声光谱和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、声学和光学方面信息。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

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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位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。

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体自身的功能和特性。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、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【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在细胞形态分裂前和死亡前强度会增大。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、细胞的分裂和死亡、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、亚细胞和分子水平深入。与之相关的理论和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。

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（1）生物超弱发光的成像

利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技术，在可见和近红外波段获得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和研究。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。和传统的打开头盖骨插入电极测量和用放射性同位素测定的方法相比，可以减少对病人的痛苦和伤害。此外，波士顿儿童医院利用在组织内的光的吸收和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。可以用于疾病诊断和食品质量的检测。由于肿瘤患者和健康人相比，其血液和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和治疗。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和力这一特点，可让患者静脉注射或口服光敏剂后（48～72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和自体荧光的干扰，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）和一个冷却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

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