生物医学光子学论文 doc

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和区别不同的细菌状态，使我们能监视和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】。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和药物荧光诊断动脉粥样斑块和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和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和治疗将起巨大作用。但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

16

光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和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和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、荧光产额和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，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和诊断仪。 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）

17

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20?m）。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和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。测量其振幅和相位，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，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、激光和组织的相互作用、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、一体化的激光和成像系统。生

18

物医学光子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、药物合成和渗透、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和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．随着它的不断完善和发展，可以预计．在不远的将来，它将成为医学领域中常规的研究和分析工具。 光子学医疗和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 ，特别是对胚胎检查和医疗。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

由于消毒杀菌等要求，一般的设备都较大，不能移动，既不适合于临床护理，也不能进行室内诊断，但是在开刀或生产期间需要临床检查。随着家庭医生制度的实行，这种便携式的医疗和诊断仪器非常需要。激光和光子诊断以及医疗设备都轻巧和耐用，便于携带，是未来的发展方向。 （3）操作连续性

这对于随时监视人体的变化和及时预报人体疾病是必要的。周期性的超声波检查和血液化验使人们丢掉了周期之间的信息，不能动态地预报人体变化。假如能连续监测则可避免干扰因素。早期预报．可阻止一系列不可康复因素的作用。

19

（4）功能完备性

很多人体医学上的问题是功能性的而不是结构性的。一旦在CAT上发现一个脉冲，这种伤害即不可康复．因为它已是厘米级水平。假如心脏病能从功能图象上早期预报，这种图象将使人们得到早期的医疗和干预。

结 论

医学的发展越来越依赖于技术的进步，特别是信息技术的进步。光子学技术已经在生物医学领域得到重要应用，并对生命科学的发展产生重要影。光子学技术不仅可用于医学诊断与治疗，为提高人类的生存质量做出贡献，而且在生命活动基本规律的研究中，光子学技术也可发挥重要作用。利用光子学技术，可以从分子水平更好地实时在体监测基本生命现象和过程，为研究疾病的产生机理和发生发展过程，以及药物作用机理和药物研发等提供重要的手段。

生物医学光子学是新兴交叉学科。光子学技术为揭示生命活动的基本规律、临床医学诊断与治疗提供了新的技术手段和方法，另外生命科学的发展，不断对光电子技术提出新的要求，这对于光子技术的发展、丰富光子学的研究内，容都有着积极的促进作用。

20