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生物光學PPT

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這是生物光學PPT,包括了參考書,生物醫學光學緒論,生物醫學光學—一個新的前沿學科,生物醫學光學概論,生物醫學光學基礎,生物醫學光學的發展方向等內容,歡迎點擊下載。

生物醫學光學
上海理工大學醫療器械工程研究所謝 海 明
參考書
1、《生物光子學導論》 PARAS N.PRASAD 浙江大學出版社 2006
2、《生物光子學》 顧憔 科學出版社 2007
3、《生物醫學測量與儀器》,王保華,復旦大學出版社, 2003
4、《激光與生物組織的相互作用--原理及應用》,張鎮西,西安交通大學出版社,1999
第一章 生物醫學光學緒論
生命科學是當今世界科技發展的最大熱點之一。目前幾乎所有的科學技術都將圍繞人與人類的發展問題,尋求自己的有意義的生長點與發展面,而生命科學的重點研究對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,已形成了光學與生命科學互相交叉的學科新分支——生物醫學光學(Biomedical Photonics)。
生物醫學光學包括
        生物光子學
        醫學光子學兩部分
生物醫學光學主要研究內容:
  一是生物系統中產生的光子及其反映的生命過程,以及這種光子在生物學研究、醫學診斷、農業、環境、甚至食品品質檢查方面的重要應用。利用光子及其技術對生物系統進行的檢測、治療、加工和改造等也是一項重要的任務。
  二是醫學光子學基礎和技術,包括組織光學、醫學光譜技術、醫學成像術、新穎的激光診斷和激光醫療機理極其作用機理的研究。
生物醫學光學(Biomedical-Optics)是光學與生命科學相互交叉又相互滲透的一個新的研究領域,是光與生物組織相互作用的必然結果。早在1988年在美國舉辦的光學學會年會上首次對“生物醫學光學”(Bimedical optics)進行專題討論,隨后其地位隨著激光生物醫學的發展,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問題,而這兩方面是與組織體的光學特性直接相關的。
生物醫學光學在醫學中的作用:
當今,醫學正處在一個重大的變革時期。醫學的重點正由傳統的基于癥狀治療模式向以信息為依據的治療模式轉變。人們已經認識到,癥狀僅僅是疾病的被滯后的很粗糙的人體異常反應。當今一些重大醫學課題的研究,一開始就把著眼點放在探索導致疾病的生物信息規律上,以控制生物邏輯信息處于健康狀態,進而達到治療疾病的目的。為此,人們從各個學科(磁學、聲學、化學、光學等)探索醫學診斷和治療的新方法。目前,人們認為光子學有希望在當今醫學的大變革中扮演重要角色。認識光在生物組織中的傳播規律,以及激光為代表的高性能光源和高靈敏度光學探測器的研制成功分別是這種認知的理論依據和物質基礎。
醫學光子學(Medical photonics)
新興激光技術、光譜技術、顯微技術以及光纖技術的發展等的光子學和現代醫學相結合形成了一個新的交叉學科生長點:醫學光子學(Medical photonics),是光學與生命科學相互交叉、相互滲透的一個邊緣學科,是關于光輻射與生物組織之間相互作用的學問。光在生物組織中的運動學(如傳播)問題和動力學(如探測)問題是其研究的主要內容。由于激光具有單色性好、高亮度,高密度、輻射方向性強的特點,無論光診斷還是光治療技術,多以激光為光源。隨著激光器的不斷發展,光子技術在生物醫學領域的應用也層出不窮。
醫學光子學的發展動力
主要來源于醫學的迫切需要[2,3]。許多面向臨床光治療以及光診斷的具體應用,如激光醫學中的光計量學、光學成像診斷學、腫瘤診斷與治療等所提出來的各種問題,亟待醫學光子學給出滿意的回答,由此極大地促進了醫學光子學的迅猛發展。醫學光子學研究的直接對象是生物組織,特別是活體的生物組織。它的研究成果將直接服務于人類醫學,并有可能創造出新的高科技產業,為人類文明和社會進步作出貢獻。
在醫學的光診斷和治療中,有許多理論研究需要開展,有許多新應用需要從理論上做出滿意的解釋,這主要有如下幾個方面:
       (1) 醫學上對人體疾病的光學診斷問題。人體在不同的生理狀態下,其組織光學特性參數也不相同。光子學檢測和診斷與傳統醫學的方法相比較有許多優點,尤其是 600nm 至 1300nm“光學窗”波長范圍內的無損檢測和診斷技術蓬勃發展,如組織血氧和腦血氧的檢測、血氧和葡萄糖含量的監測。在取像技術方面近年發展起來的 OCT 技術也受到人們的高度重視,但由于生物組織的多樣性和復雜性,光子學檢測和診斷技術在理論上尤其是如何為醫學臨床提供可靠的生理參數指標尚有許多問題需要加強研究。
    (2)光治療中各種參量的選擇。在許多臨床光治療的具體應用中,如激光手術、激光針灸、激光理療和光子動力學治療(Photodynamic Therapy,簡寫為 PDT)腫瘤,需要預先確定光劑量,即合理選定照射光源的幾何形狀、光束功率、照射時間、焦點深度以及周圍組織的光學性質和形狀等以及組織內部各部分光能流率的分布。
在醫學的光診斷和治療中,有許多理論研究需要開展,有許多新應用需要從理論上做出滿意的解釋,這主要有如下幾個方面:
    (3)弱光對生物組織的刺激作用機制。所謂弱光 ,即不會造成生物組織機體不可逆性損傷的光。由于弱光對生物組織的刺激作用如激光對人體的消炎、止痛效果以及對血液的明顯的凈化作用,目前已廣泛應用于醫學臨床,但是弱光治療的機理研究相對滯后。為了更好地、更科學地發展光醫療事業,需要加強弱光對生物組織的刺激作用機理的研究。
    (4) 對人體傷害最小的光子設備的研究和開發,其理論基礎是生物醫學光子學,其研究成果將直接服務于人類健康。光子醫療儀器設備在醫學臨床的診斷和治療中有著很重要的意義和廣泛的應用前景,并有可能創造出新的高技術產業,為人類文明和社會發展進步做出貢獻。
1.1  生物醫學光學—一個新的前沿學科
我們生活在一個技術革命的時代。技術革命不斷地改變著我們的生活和我們社會之間相互影響的范圍。人類在上個世紀取得了許多技術的重大突破,光子學便是其中之一。光子學利用光子替代電子進行信息的傳輸、處理和存儲,使信息技術中的容量和速度有了質的飛躍。光子學是一門以光為基礎的包羅萬象的光學技術。它一直都被認為是新千年的主導技術之一。激光是一種單色、高方向性且能量集中的光源,它的發明革新了光子學。自1960年激光第一次出現以來,它已經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,再到光纖通信。激光為光子學提供了許多新的發展機會。
生物光子學融合了光子學和生物學,是光子學的延伸。生物光子學所討論的是光與生物物質的相互作用。
生物醫學光子學可以分為生物光子學和醫學光子學兩個部分,分屬生物學和醫學領域,但二者存在相互交疊的范圍,并無嚴格的分界。也可以根據應用目的的不同,將生物醫學光子學劃分位光子診斷醫學技術和光子治療醫學技術兩個領域。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  生物醫學光學概論
光子學在光學診斷以及光引導及活化治療上的應用將會對衛生保健產生重大影響。
生物光子學為實現疾病的早期探測和光引導及活化治療的新模式使我們看到了希望。
生物醫學光學用于衛生保健的多學科范圍
1.2.1多學科的教育培訓和研究的介紹
21世紀,主要的技術突破更容易發生在學科的交叉地帶。
激光對衛生保健的好處已經為包括普通公眾在內的社會各界所認可。
為滿足世界范圍內在這一方面不斷增長的需求,關鍵是要訓練專業的衛生保健人員和培養新一代的生物光子學研究人員。
1.2.2 為基礎研究和生物技術發展提供的機會
從技術角度來看,生物光子學綜合了四種主要技術:激光學、光子學、納米技術和生物技術。這些技術不僅在全球市場確立了自己的地位,而且每年它們共同創造的利潤達到上千億美元。生物光子學也對工業有著廣泛的影響,包括:生物技術企業、衛生保健機構(醫院、診所和醫療診斷實驗室)、醫療儀器供應商和藥品制造商以及那些與信息技術和光纖通信有關的企業。將來,生物光子學會在技術創新和世界范圍內的巨大商業回報方面產生重大影響。
生物光子學為研究人員提供了具有挑戰性的機會。
對生物分子和生物組裝的光學活化以及其后的光誘導處理的基本理解,是設計新的探測器和藥物釋放系統的基本要求。同時,對于如何利用超短激光脈沖進行多光子處理的理解對發展新的探測器和制造新的光活化治療形式也是必要的。
以學科分類,列舉了這些機會中的一些:
化學家:
        ·新的熒光標記物的研發
        ·用于分析物探測和生物傳感的化學探測器
        ·用于靶向治療的納米II缶床學
        ·用于材料探測器和納米器件的納米化學
        ·新的光活化結構
  物理學家:
         ·生物分子和生物組裝的光學處理過程
         ·成像和生物傳感的新物理機制
         ·單分子生物物理學
         ·診斷和治療的非線性光學過程
以學科分類,列舉了這些機會中的一些:
工程師:
    ·新一代激光、傳輸系統和探測器的有效而精簡的集成
    ·設備小型化、自動化和機器人控制
    ·新的無損和低侵入性光活化作用
    ·進行活體成像和光學活組織檢查的光學工程
    ·目標檢測和活化的納米技術
    ·光學微電機系統BioMEMS(micro-electro-mechanical 
           systems)以及它們的納米尺度的類似物
生物醫學研究人員:
  ·對分子、細胞和組織功能探測的生物成像   
  ·傳染病和癌癥早期檢測的光學特征
  ·對治療和藥物輸送產生的生理反應的動態成像
  ·藥物作用的細胞機制
  ·光化學反應物質的有毒性
  ·移植和探針的生物相容性
以學科分類,列舉了這些機會中的一些:
臨床醫生:
  ·針對人的活體成像研究
  ·對傳染病和癌癥進行的光學活體探測的發展
  ·光學活組織檢查和光學乳腺成像術
  ·對組織進行熔接、輪廓勾畫和再生
  ·對藥物釋放和藥物作用的實時監測
  ·對副作用的長期臨床研究
1.3生物醫學光學基礎
關于光特別是激光與生物組織的相互作用規律和知識,引起國際矚目,已成為正在蓬勃發展的激光生物醫學的應用基礎和前提。例如,當前處在臨床應用邊緣的腫瘤的光動力學治療和診斷的關鍵問題之一,是如何設計并確認人體組織內的光分布情況,這涉及到諸多學科各方面的理論與實驗問題,其中最主要的有光在組織體內傳播的特殊方式、組織光學性質的描述以及有關實驗技術的開發和完善等等。所有這些研究工作中出現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,但是統一的生物組織光學理論卻遠未成熟。在這樣的背景下,“組織光學”(Tissue optics)作為研究生物組織光學性質的專門學科應運而生,它涉及醫學光子學中最基礎性的理論問題,也是進一步發展生物醫學光學(包含光診斷和光治療)的前提。
1.3.1生物醫學光學的主要研究內容
運用光子學原理和技術,為醫學、生物學和生物技術領域中的問題提供解決方案即構成生物醫學光子學的研究內容。生物醫學光子學涉及對生物材料的成像、探測和操縱。在生物學領域,主要研究分子水平的機理,監測分子結構與功能,在醫學領域,主要研究生物組織結構與功能,能對生物體以非侵入的方式,實現宏觀與微觀尺度分子水平的疾病探測、診斷和治療。
生物醫學光子學主要包含以下研究內容:
生物醫學光子學所討論的是光與生物物質的相互作用。它是一門將光子學和生物醫學相互融合而形成的前沿學科。生物醫學光子學促進了早期疾病檢測和光引導及活化治療模式的革新。同時,生物學也促進了光子學的發展,比如,生物材料為新光學介質的發展及技術應用展示了前景。
光在生物組織中的運動學(如光的傳播)問題和動力學(如光的探測)問題是研究的主要內容。當前的主要研究任務是:
一是生物系統中產生的光子及其反映的生命過程,以及這種光子在生物學研究、醫學診斷、農業、環境、甚至食品品質檢查方面的重要應用。利用光子及其技術對生物系統進行的檢測、治療、加工和改造等也是一項重要的任務。 二是醫學光子學基礎和技術,包括組織光學、醫學光譜技術、醫學成像術、新穎的激光診斷和激光醫療機理極其作用機理的研究。
研究生物組織的光學性質和確定某靶位單位面積上的光能流率。前者涉及由測量的光分布和一定的光傳播模型確定組織體的光學基本參數,稱為“正”問題;后者則從組織體的光學基本參數和光傳播模型出發導出組織體內光分布,屬于“逆”問題。
當前結合考慮國際發展趨勢和國內實際所提供的可能性,應在下列幾個方面開展研究工作:
1 光在生物組織中傳輸理論研究
2 光傳輸的蒙特卡羅模擬計算
3組織光學參數的測量方法和技術
4醫學光譜技術
5生物組織折射率及色散關系
6生物組織光學成像研究
7組織光學理論工作的幾點思考
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,但與建立組織光學的統一理論架構體系尚有較大距離,生物組織的光學理論遠未成熟,有許多理論上的空白點有待填補。
需要做的工作:
      其一是:建立準確的組織光學模型,使之能反映生物組織空間結構及其尺寸分布情況、組織各個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,使之適應新的條件,并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸的基本性質。
光傳輸的蒙特卡羅模擬計算
蒙特卡羅(Monte Carlo)計算模擬方法,已在許多領域發揮了不可替代的作用。已經有一些比較成功的算法,但還應繼續開發新的更為有效的算法以適應生物組織的多樣性和復雜性的要求。除了了解光在組織中的分布,還在探索從大量數字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學性質基本參量之間的經驗關系。另外,發展非穩態的光傳輸的蒙特卡羅模擬方法也是一個重要的研究方向,從中可以獲得比穩態條件下更多的信息。
組織光學參數的測量方法和技術
在組織中光的傳輸理論確立后,一項關鍵工作是確定組織體,尤其是人體的光學性質基本參數,即吸收系數、散射系數和散射相位函數或平均散射余弦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,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等分布均可由有關的傳輸模型唯一地確定。目前有關生物組織光學性質的測量方法尚待進一步發展和完善,其中活體的無損檢測尤為重要。在這方面,時間分辨率與頻率分辨率的測量方法引人注目。
醫學光譜技術
激光光譜以其極高的光譜和時間分辨率、靈敏度、精確度以及無損、安全、快速等優點而成為醫學光子學的重要研究領域。隨著激光光譜技術在醫學領域應用研究的深入開展,一門有發展潛力和應用前景的“醫學光譜學”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)、生物組織的超快時間分辨光譜。
生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜
已對激光誘導生物組織自體熒光和藥物熒光診斷動脈粥樣斑塊和惡性腫瘤進行了臨床前的研究。內容涉及光敏劑的吸收譜、激發與發射熒光譜以及各種波長激光激發下正常組織與病變組織內源性熒光基團特征光譜等。在此基礎上還研究了用于癌瘤診斷和定位的實時熒光圖像處理系統。
生物組織的喇曼光譜
喇曼光譜技術應用于醫學中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優勢,克服了熒光光譜技術區分病變組織是由于生物大分子熒光帶較寬、易于重疊對準確診斷帶來的影響。
加緊開展以下研究工作:
其一,對重要醫學物質的喇曼光譜進行研究,并建立其光譜數據庫(包括分子組分與結構相對應的敏感特征譜線及其強度等);
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病機理;
其三,開發小型、高效、適用于體表與體內的醫用喇曼光譜儀和診斷儀。
生物組織的超快時間分辨光譜
超快時間分辨光譜比穩態光譜在技術上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此,將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫學受到廣泛重視,其一,應發展超快時間分辨熒光光譜技術,用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間,分析癌組織分子馳豫動力學性質等,為進一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎數據;其二,應發展超快時間分辨漫反射(透射)光譜技術。
生物組織折射率及色散關系
人們在各種情況下使用假設的折射率數據(1.33-1.38),但是有關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量方法。又因組織體存在強烈散射而造成的精確測量工作困難,人們尚未獲得人體各種組織的可靠實驗數據。業已證明生物組織的折射率和色散參數,無論是理論上還是實驗上對組織光學的深入研究都是十分重要的。
生物組織光學成像研究
生物組織光學成像是生物探測研究和醫學診斷的主要手段之一。用可見光或近紅外光對生物組織成像具有對人體傷害最小和分辨率高的特點,因此成為極有發展前途的一種生物組織光學成像方式。
組織光學理論工作的幾點思考
除了要發展測量技術、建立組織光學參數數據庫外,在理論上可著重考慮以下幾個問題:
A.繼續改進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間變化特性,為光學成像技術做充分的理論準備;
C.研究調制光在生物組織中的傳播特點,例如將受振幅調制的光照射到組織上會產生慢散射光子密度波,一樣發生反射、折射、衍射、散射、色散等,可以無損地探測組織的光學性質參數,又可以用來成像;
繼續改進生物組織光傳輸模型,
一要發展受限制少、快速而又精確的模型;
二要精確化組織光學模型,使之與生物組織特別是活體組織狀態相近似;對組織中光傳輸理論、光傳輸的Monte Carlo模擬方法、組織光學特性參數測量以及臨床光劑量學等方面開展既有繼承性又有開創性的研究工作。預期主要研究成果是:
          a,人體組織光子特性數據庫的建設;
          b,初步解決接近臨床實際條件下模擬組織體中光分布(即組織深部光劑量學)的難題。
組織光學理論工作的幾點思考
D.研究生物組織散射和吸收的光學特性對測量熒光及其光譜的影響。數值模擬研究已經初步表明,這種影響是不可忽略的
E.對光在復雜組織結構中的傳輸過程進行計算機模擬,通過大量模擬,找出簡單而有效的規律來說明光在組織中傳輸的基本性質,并在各種參數之間建立聯系,為組織光學性質的測量提供依據;
F.統一生物組織光學性質參數的描述,建立完善的組織光學理論體系。
1.3.2 光子診斷醫學技術_  
1. 概念      生物光子學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科。在光子學產生初期,充滿活力的生命科學就和光子學相互交叉滲透,促進了這一學科的發展。它以生物系統的超微弱光子輻射(BPE)的發現和研究為基礎的。
         研究表明:生物的自發超弱發光與生物體的氧化代謝、細胞的分裂和死亡、癌變、生長調控、光化學反應等許多基本的生命過程有著密切的內在聯系。有關BPE的研究也正向細胞、亞細胞和分子水平深入。與之相關的理論和測試技術也在不斷發展。  
2. 應用 
由于生物超弱發光與生物體的生理及病理有著密切的關系,所以生物光子學在臨床診斷、農作物遺傳性診斷及環境檢測等領域可以有重要的應用。
生物超弱發光的成像 
生物系統的誘導發光
激光掃描共焦顯微技術
光學相干層析技術(OCT)
光學光鉗技術 
激光加速對DNA的研究
激光挑選癌細胞 
細胞快速分析識別    
生物超弱發光的成像 
利用高靈敏度的探測和成像技術,結合數據融合技術,在可見和近紅外波段獲得生物體超弱發光的而二維圖像,用于人體代謝功能與抗氧化、抗衰老機體防御功能的測量和研究。亦可用于疾病的診斷。例如,日本研制成第一臺能探測大腦癲間病灶區的激光儀器,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類型,有助于醫生發現病灶。和傳統的打開頭蓋骨插入電極測量和用放射性同位素測定的方法相比,可以減少對病人的痛苦和傷害。此外,波士頓兒童醫院利用在組織內的光的吸收和氧的濃度有關這一特性,采用近紅外光譜來監視嬰兒腦細胞氧含量。
生物系統的誘導發光 
生物體在外界強光的短暫照射下可誘導生物系統的光子發射。這種隨時間衰弱的誘導發光的強度遠大于生物體自發光強度。可以用于疾病診斷和食品質量的檢測。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光光子強度升高,在癌癥的診斷方面有很好的應用,可以在腫瘤早期找出其存在位置,實現腫瘤的早期診斷和治療。目前有兩種方法:
          1. 外加光敏物質診斷
          2. 自體熒光光譜診斷 
激光掃描共焦顯微技術
超聲波、CT、核磁共振等傳統生物醫學成像技術雖然可以獲得人體組織在自然狀態下的各種表像,但無法達到細胞級的分辨率。而采用高分辨率的光學顯微鏡和電子顯微鏡又需要將組織切片分析,無法對活組織成像。激光掃描共焦顯微鏡卻可以進行光學斷層分析獲取生物樣本的三維圖像,實現對組織的動態成像,使研究人員觀察到細胞與細胞相互作用、組織再生、光與組織的物理和生物效應、細胞內的生化成分和離子濃度等,從而成為生物學和醫學研究的新技術和新手段。 
光學相干層析技術(OCT)
將光學相干技術與激光掃描共焦技術相結合的光學相干層析技術(OCT),利用了相干儀的高靈敏度外差探測特性,及只有探測光束焦點處返回的光才有最強的干涉信號被探測到,而離開焦點的散射光不會被探測成像這一激光共焦顯微技術的結合。避免了單一激光掃描共焦顯示技術只能用于透明組織,如角膜、皮膚這一缺點,可以用于探測食道、宮頸、腸道等器官,使醫生看到10微米大小的組織,無損傷地了解組織結構及成分。特別值得一提的是它可以用于探測心臟、腦等以往無法活檢的器官和組織,所以,OCT在醫學上被稱為"光學活檢"。 
光學光鉗技術
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附近的裝置。微粒處于按高斯分布的激光束中時,由于光場強度的空間變化,光束對微粒產生一種梯度壓力,驅使其移向光束中心,并穩定在那里。激光束如同一把“鉗子” 抓住微粒,隨其移動,可以無損地操縱如細胞、細菌、病毒、小的原生動物等生物粒子,為微生物學家、醫學工作者提供新的有力工具。為了減小對微粒的影響,多采用近紅外激光。德國生物學家用激光在卵子細胞周圍的保護層(蛋白質和碳水化合物)上打孔,利用光鉗將精子抓住并送入卵細胞,從可以幫助那些缺少尾巴或無法游動的精子與母卵細胞結合,從而大大提高了體外受精的成功率。 
激光加速對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3×109個堿基對(DNA),弄清這些堿基對的序列情況是研究生命科學、了解生命奧秘的基礎。利用人工方法識別這些堿基對需要1000年時間。單由于引入了光子學技術,大大促進了DNA的研究進程。美國加州大學采用激光毛細管列陣電泳法,在7分鐘內讀出200個堿基對,精度達97%,比通常的板凝膠技術快得多。此外,日本東北大學、路易斯安娜州立大學、艾奧瓦州立大學的研究人員都利用光子學技術采用不同的方法來實現對DNA的快速識別。加利福尼亞的Affymetrix公司已開發了基因芯片技術,它將照相平板印刷術和化學合成技術相結合,在不到1.28cm2的面積上產生高密度的DNA探頭陣列。利用激光共焦掃描顯微技術識別DNA。 
激光挑選癌細胞
美國國家健康研究所研制出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,病理學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胞熱熔在一起。這樣在取出膜的同時可以取出被選的癌細胞,進行近一步分析研究。   
細胞快速分析識別
美國Sandia國家實驗室成功地研制出一種含有細胞的生物微腔半導體激光器。以透明的細胞作為波導材料來改變激光橫模結構,從而使激光光譜發生變化。由于每一種細胞都能使激光輸出帶有可識別地信號,可以根據光譜識別細胞而不需要成像,因此識別速度很高。每秒能識別2萬個細胞 
1.3.3光子治療醫學技術 
1. 概念       光入射到人體組織后,一部分會反射回來,一部分被組織吸收,還有一部分被人體組織向四周散射。人體不同組織對不同波長光的吸收能力也不同。 光照射人體組織后,根據照射的波長和時間不同,對組織有以下五種作用, 分別為:光化學作用、熱相互作用、光蝕除、等離子體誘導蝕除和光致破裂。
2 主要應用 
光子動力學醫療(PDT)
激光美容 
激光在牙科應用 
激光在眼科應用 
激光在心臟病學中應用
激光針灸治療術 
激光采血器和注射器
其它應用    
光子動力學醫療(PDT)
利用癌細胞與正常細胞對某些光敏藥物的親和力不同的特點,使光敏物質只集中于腫瘤組織中,在光的照射下使光敏藥物產生氧化能力很強的單態氧,能有效地殺死癌細胞。具體做法使給別人注射光敏藥物,在48或72小時后,正常組織將藥物代謝排除,而腫瘤組織代謝較慢。此時可以用低功率激光照射可疑區域,根據熒光光譜確定腫瘤位置。再用高功率激光(630~690納米染料激光或半導體激光),通過光纖去激活藥物,產生毒性反應,殺死癌細胞。這一技術成功應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)和正常組織對光的吸收率的差別,使激光在損傷靶組織的同時避免正常組織的損傷這一原則,達到去皺、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病;采用超短脈沖CO2激光器(10.6μm)進行去皺、去毛、頭發移植等;在文身治療中,根據文身顏色選擇互補色激光治療,如綠色文身采用紅色激光,這時色素吸收率最高,容易實現選擇性光熱作用。利用不同波長和不同功率的光刀也可以進行皮膚腫瘤等切除性外科手術。 
激光在牙科應用
從60年代即開始了激光用于牙科的基礎及臨床研究。最早用于代替機械牙鉆賀焊接支架。現在激光在口腔臨床主要應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;還可以用激光進行止疼及麻醉。也可以用激光進行牙髓炎等口腔疾病的診斷等。 
激光在眼科應用 
利用紫外激光的高光子能量打斷角膜基質內分子鏈,造成非熱致汽化來改變角膜的厚度和曲率,治療近視、遠視和散光。這就是今年來出現的準分子激光角膜切削術。由于該方法熱損傷小、切割精細、安全、預測性好等一系列優點,近年發展很快。另一種治療方法叫激光屈光性角膜切削術,即在角膜瓣下進行激光切割,是一種效果穩定,視力回退現象小的屈光矯正治療。另外,激光在晶狀體、玻璃體、虹膜、視網膜等各類疾病的治療。
激光在心臟病學中應用 
對于冠狀動脈硬化可以采用激光心臟再形成手術(TRM)進行治療。TRM手術是醫生在病人左胸開一個6~8英寸的切口,用激光再心臟上打20~30個1毫米大小的小孔,小孔在血凝固時被封閉,形成心的血流通道,以增加血液向缺氧組織流動從而緩和心絞痛和其他冠心病狀。這一技術可以減輕病人的痛苦,提高病人生活質量。與傳統開胸手術相比費用也低。并且經過研究表明,TRM的早期死亡率比冠動脈旁通手術低8倍。
激光針灸治療術 
低功率激光可以代替傳統的針具和灸具,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,所以不會損壞病人的神經和血管,更為安全可靠。經過研究發現,激光針灸可以對解除關節、肌肉和神經疼,對高血壓、中風、偏癱都有一定療效。 
激光采血器和注射器
早在20世紀90年代初,俄羅斯就研制初激光驗血劃痕器。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。可以防止感染如艾滋病、肝炎等傳染病。具有現實意義。 
其它應用 
激光可以在其它醫學領域也有應用。如外科中的骨切開術和骨切除術;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、慢性鼻出血等疾病;在婦科中可用來治療生殖系統各部位內瘤、子宮內膜異位、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疾病。
1.4生物醫學光學的發展方向 
八個領域有所發展:
光動力學醫療、
激光和組織的相互作用、
無透鏡顯微術、
在血液化學分析中的進展、
癌癥的光學顯示、
利用激光檢測DNA、
傷害最小的光子設備、
一體化的激光和成像系統。
生物醫學光學是一門新興的交叉科學,它必定將隨著激光器、光纖技術、信息科學、生物學、醫學、物理學、化學、工程學等各領域的新突破而迅速發展。
研究的熱點還涉及到:
光學層析成像及光譜學的理論與模型、
生物監測的光學成像與光譜學、
適用于生物醫學和臨床的相干域光學方法、
生物光譜學和顯微學、
激光與組織的相互作用、
激光醫療等方面,
生物醫學光學研究的一些最新進展和熱點問題
(1)光學層析成像及光譜學技術的理論與模型。
(2)生物組織的光學成像和用于生物監測的光譜學技術。
(3)生物醫學和臨床的相干域光學方法。
(4)生物光譜學和顯微術
(5)激光與生物組織的相互作用 
光學層析成像及光譜學技術的理論與模型
俄羅斯Valery V.Tuchin教授報道了活組織光學特性參數控制的成果、其離體和在體的實驗均證明了通過使用葡萄糖、trazograph等滲透活性助劑可改變人眼鞏膜、皮膚等纖維組織的光散射特性。
美國Steven I.Jacques教授做了《生物組織科學和工程中的光學技術》的特邀報告.
J.R.Mourant教授介紹了生物組織中光散射的基本機理研究的進展。
麻省理工學院的李興德博士報道了衍射層析成像技術的最新進展.提出了一種用于高散射介質中擴散光子密度波快速、近場衍射層析成像的角譜算法,該算法可用于有限大小介質.并能同時重建吸收和散射系數。
賓夕法尼亞大學的張思豪博士報告了基于混濁介質中,用動態光散射技術測量深層組織中血流的一種方法.該方法可用于深層組織中的血流動力學圖像的重建,
華中科技大學的張智報道了用分形理論進行人眼角膜內皮細胞圖像分析的初步結果。
生物組織的光學成像和用于生物監測的光譜學技術
組織光學成像和組織光學參數測量、光學腦功能成像、近紅外光譜術的血流動力學測量、組織超微弱發光檢測、擴散光子密度波和X射線層析成像等
利用無損傷的光學成像技術研究大腦功能和腦血液動力學變化成為普遍關注的問題之一。
生物醫學和臨床的相干域光學方法
弱相干光學層析成像OCT成為關注的熱點。近年活躍在相干域光學方法及其醫學應用研究領域的加利福尼亞大學陳忠平博士報告了目前OCT、ODT、光學多普勒層析成像)的最新研究成果.日本的劉紀元博士也就OCT技術的進展做了特邀報告。中科院上海光學精密機械研究所、清華大學都報道了各自在OCT方面的研究結果。
生物光譜學和顯微術
為獲得生物組織內部的微觀結構信息,從細胞、分子水平研究諸多生命現象的微觀初理.近幾十年來人們一直致力于各種顯微成像技術的芰展研究。全上.代表們報道了在激光掃描共焦顯微成像、熒光與光譜成像以及散射介質中光信息的獲取等方面的研究進展,如:加拿大哥侖比亞癌癥研究中心曾海山博士報道了一種利用熒光成像。可檢測呼吸道與胃腸道早期癌癥的系統。澳大利亞維多利亞大學顧敏教授報道了在混沌介質中.他們用角度門法代替時間門法.以提高成像的效率,
激光與生物組織的相互作用
 激光與生物組織的相互作用和組織光學所涉及的內容十分廣泛.在生物醫學基礎理論和臨床診斷研究中具有重大的意義。代表們就激光與組織相互作用時的光散射,干涉、光機械、光熱、光化學效應、生物組織中光子的遷移規律。以及低功率激光生物效應等方面進行了廣泛深人的研究討論。
 

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