激光與生命科學論文

激光與生命科學論文

　　激光是利用受激發(fā)射放大原理產(chǎn)生的高相干性、高強度的單色光。下面是由學習啦小編整理的激光與生命科學論文，謝謝你的閱讀。

　　激光與生命科學論文篇一

　　激光與生命科學論文

　　摘要：由于生物超弱發(fā)光與生物體的勝利及病理有著密切的關(guān)系，所以生物光子學在臨床診斷、農(nóng)作物遺傳性診斷及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域可以有重要的作用。激光是利用受激發(fā)射放大原理產(chǎn)生的高相干性、高強度的單色光。產(chǎn)生激光束的光源稱激光器，在醫(yī)學領(lǐng)域里有廣泛的用途。激光醫(yī)學是一門新興的邊緣學科，其內(nèi)容包括用激光新技術(shù)去研究、診斷、預防和治療疾病。激光已應用于內(nèi)、外、婦、兒、眼、耳鼻喉、口腔、皮膚、腫瘤、針灸、理療等臨床各科。它不僅為研究生命科學和研究疾病的發(fā)生發(fā)展開辟了新的研究途徑，而且為臨床診治疾病提供了嶄新的手段。

　　關(guān)鍵字：激光的發(fā)展、超弱發(fā)光、生物效應、相干層析技術(shù)

　　Abstract：Due to the biological ultra weak luminescence and organism's victory and pathology are closely related, so the biophotonics in clinical diagnosis, crop genetic diagnosis and environmental monitoring and other fields can have an important role in. Laser is the use of amplification by stimulated emission of high coherence, high intensity monochromatic light. To produce a laser beam light source called laser, in the medical field has a wide range of uses. Laser medicine is a new interdisciplinary subject, which includes new laser technology to research, diagnosis, prevention and treatment of disease. The laser has been applied to the inside and outside, women, children, eye, ear nose and throat, oral cavity, skin, cancer, acupuncture, physiotherapy and other clinical subjects. It not only for the study of life science and the study of disease occurrence and development has opened up new avenues of research, and for clinical diagnosis and treatment of diseases to provide a new means. Keyword：The development of laser technology, ultra weak luminescence, biological effect, coherence tomography technology。

　　一.激光在醫(yī)學上的應用分為幾個階段 1、20世紀60年代為基礎(chǔ)研究階段

　　激光醫(yī)學的基本理論研究大部分在60年代就完成了。自第一臺激光器問世后，被稱為“激光醫(yī)學奠基人”的Goldman(著名皮膚病學專家)等就開始在皮膚上研究了激光與生物組織的相互作用;1961年有人將紅寶石激光試用于對剝離的視網(wǎng)膜進行焊接;1963年，Goldman開始將紅寶石激光應用于良性皮膚損害和文身治療并取得成功，開創(chuàng)了激光醫(yī)學應用的先河。60年代中后期還相繼研制出氬離子(Ar+)激光、低功率CO2激光和釹玻璃激光，但臨床應用不多。我國在激光器研究的初期走在了世界前列，1961年長春光機所研制了我國的首臺紅寶

　　石激光器，1965年北京同仁醫(yī)院開始了紅寶石激光視網(wǎng)膜凝固的動物實驗，1968年上海研制出Nd：YAG(摻釹釔鋁石榴石)激光。

　　2、20世紀70年代為臨床試用階段

　　1970年Goldman等人首次用連續(xù)CO2激光治療基底細胞癌和皮膚血管瘤，由于連續(xù)地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脈沖激光功率低、效率低的缺點，從而掀起了國內(nèi)外首次激光醫(yī)療熱潮，連續(xù)CO2激光被廣泛地用于外科、皮膚科、五官科、婦科、理療料、針灸科和腫瘤科等，并取得了較滿意的效果。70年代應用于皮膚美容的連續(xù)激光還有Ar+、Cu蒸氣和Nd：YAG等激光。這些連續(xù)激光對組織的熱損傷屬非選擇性的，治療后常伴隨皮膚瘢痕色素減退等副作用，尚達不到良好的美容效果。

　　3、20世紀80年代為學科形成階段

　　1983年，Anderson和Parrish提出了選擇性光熱作用理論—即“光熱分離”理論，其含意為根據(jù)不同組織的生物學特性，選擇合適的波長、能量、脈沖持續(xù)時間，以保證對病變組織進行有效治療之同時，盡量避免對周圍的正常組織造成損傷。該理論實現(xiàn)了激光的有效性和安全性的完美統(tǒng)一，是激光醫(yī)學特別是激光美容醫(yī)學發(fā)展史上的里程碑。根據(jù)選擇性光熱作用設(shè)計的脈沖激光機在80年代有很大進步。相繼出現(xiàn)了鉺激光、準分子激光、以及不斷完善的CO2激光和脈沖染料激光，激光新技術(shù)已經(jīng)比較成熟地用于研究、診治疾病和美容治療，并且已經(jīng)形成了一支龐大的專業(yè)化隊伍，這是激光醫(yī)學學科形成的重要標志之一。

　　4、20世紀90年代為發(fā)展成熟階段

　　90年代起，隨著科學的進步和激光技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用激光器與電子計算機、纖維內(nèi)鏡、圖象分析、攝象錄象、熒光光譜、X線和超聲等新技術(shù)不斷結(jié)合，使醫(yī)用激光器朝著高性能、智能化、微型化及專科化方向發(fā)展。新型美容激光機如雨后春筍般涌現(xiàn)，并取得了非常顯著的成就：90年代初期應用Q開關(guān)激光治療色素性疾病如太田痣、文身等已取得了近乎完美的治療效果;90年代中、后期可變脈寬倍頻激光治療血管性疾病也取得了較好的療效;與此同時長脈沖紅寶石激光、翠綠寶石激光、Nd：YAG激光以及半導體激光的相繼出現(xiàn)也使激光脫毛技術(shù)日益發(fā)展成熟;此外，高能超脈沖CO2激光和鉺激光的問世使激光除皺換膚風靡西方世界(由于色素沉著問題，該技術(shù)在黃色人種中未能大量展開)，近來還出現(xiàn)了一些無損激光除皺系統(tǒng)，如Cool Touch、Smooth Beam及Nlite等，應用這些儀器術(shù)后反應輕微，臨床上也可取得一定的療效。

　　二.生物體超弱發(fā)光的成像

　　利用高靈敏度的探測技術(shù)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)光的二維圖像，用于人體代謝功能與抗氧化、抗衰老集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(qū)的激光儀器，用很弱的近紅外激光照射病人活動類型，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量和用放射性同位素測定的方法相比，可以減少病人的痛苦和傷害。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)視嬰兒腦細胞氧含量。生物體在外界強光的短暫照射下可誘導生物系統(tǒng)的光子發(fā)射。這種隨時間衰弱的誘導發(fā)光的強度遠大于生物體自身發(fā)光強度?？梢杂糜诩膊≡\斷和食品質(zhì)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(fā)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(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

　　根據(jù)熒光物質(zhì)與腫瘤組織有很好的親和力這一特點，可讓患者靜脈注射或口服光敏劑后，再接受光照，記錄熒光光譜特性曲線，可以確定腫瘤位置。這種方法由于受到其他組織熒光和自然熒光的干擾，容易引起誤診，且需要尋求更有效無毒副作用的光敏劑。在現(xiàn)階段，新型光敏劑的發(fā)展是通過熒光對早期腫瘤檢測方法的最有前途的改進。經(jīng)研究表明靛青綠衍生物比為改變的靛青綠更能提高藥物代謝動力并獲得更高的收效。為了對新型光敏劑進行體內(nèi)檢測，LMTB在西門子醫(yī)藥公司的合作中研制了一臺近紅外成像器，它由一個740nm的二極管激光器和一個冷卻CCD照相機組成。動物實驗中，完整老鼠身體的近紅外熒光可被成像，不同的濾光器設(shè)置允許使用不同的熒光基因。我們可以清楚的看到腫瘤的位置。

　　2.自然熒光光譜診斷

　　這種診斷技術(shù)不需要外加光敏劑，利用人體組織在激光下產(chǎn)生的熒光來進行光譜分析分辨腫瘤。無需口服或注射光敏劑，是一種無侵害性的、快捷診斷技術(shù)。美國南卡羅來納州克萊姆森大學研究人員用激光二極管發(fā)射出紅外線光束，不必解除皮膚即可從16個點穿透乳房，然后用計算機分析光子模式，再現(xiàn)乳房內(nèi)部影像，可以發(fā)現(xiàn)小到5毫米的腫瘤。加拿大XILLIX公司將自體熒光光譜診斷技術(shù)與內(nèi)窺鏡技術(shù)相結(jié)合，研制了光致熒光內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(LIFE)，獲取正常組織和非正常組織的熒光差別，實時顯示圖像或輸出數(shù)字式靜止圖像，用于肺癌的早期診斷。經(jīng)過臨床試驗表明，在肺癌的探測和定位方面，LIFE系統(tǒng)準確效率比普通的內(nèi)窺鏡的探測和定位方面，LIFE系統(tǒng)準確效率比普通的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)提高171%。

　　三.激光的生物效應

　　一般認為激光有五個方面的效應：

　　1. 熱作用。主要是在可見光和紅外光范圍的激光引起的。弱激光不會直接造成不可逆損傷，可促使血管擴張，血液流動加強，從而改善局部的營養(yǎng)狀態(tài)，促進傷口和潰瘍的愈合，還具有鎮(zhèn)痛和緩解肌肉痙攣等作用。強激光直接造成生物組織的不可逆性損傷，故可用以清除各種贅生物，如疣、痣、癌等，或凝固出血點、封閉破孔等。

　　2.壓力作用激光照射到人體上形成一種壓力(光壓)。如果激光呈大功率脈沖狀態(tài),則產(chǎn)生的壓力很強。若激光聚焦功率為

　　10W/

　　cm則其壓力可達40g/cm。強激光照射到生物組織上時,使組織汽化,產(chǎn)生熱膨脹，這時體積劇烈增加而產(chǎn)生巨大的壓力，可以大至幾百個大氣壓，破壞性較大。臨床上可利用這種壓力在眼睛上房角處打孔，以溝通房水，降低眼壓，治療青光眼，還可以利用這種沖擊波的力量來治療后發(fā)性白內(nèi)障和玻璃體出血后形成的機化索條等。

　　3.光化學作用。利用激光能量激活體內(nèi)某些化學反應。其中包括光致分解(吸收光能而導致化學分解的過程)、光致氧化(光作用下，反應物失去電子的過程)、光致聚合(光作用下，小分子聚合成大分子的過程)、光致敏化(在光敏劑的參與下，用特定波長的光作用而產(chǎn)生的化學反應)等四種主要類型。光敏化治療是以血卟啉衍生物為代表的光動力學療法，用以破壞癌細胞，需要氧分子參加才能起反應。另一類光敏劑如補骨脂素不需氧分子參加。局部涂補骨酯酊后，再用紫外激光局部照射，可以治療白癜風和銀屑病等疾病。

　　4.電磁場作用。高功率激光所產(chǎn)生的強電磁場，可以使生物組織發(fā)生明顯的變化。

　　5.刺激作用。主要指功率較低的He-Ne激光對機體的作用。可促進神經(jīng)再生，毛發(fā)生長，降低的血細胞回升，使骨痂生長迅速而使骨折愈合，還可抑制細菌生長從而消炎止痛。

　　以上五種效應中，壓力效應和電磁場效應主要為大功率或中等功率激光所具有。而光化學反應和光刺激作用主要由小功率激光引起，熱效應則大、中、小三種功率的激光均有。

　　激光手術(shù) 即利用功率密度較高的激光束，對病灶進行汽化、凝固、切割。特點是：1.出血少或不出血。激光有熱凝固作用，能封閉直徑小于1mm的動脈和2mm的靜脈，因此術(shù)中可以少出血或不出血，術(shù)中或術(shù)后可以不輸血或少輸血。2.減少感染機會。激光對組織無機械接觸，而且激光的高溫還可以殺菌，故可以減少傷口感染率。3.防止腫瘤轉(zhuǎn)移。連續(xù)激光手術(shù)時封閉了小血管和淋巴管，又不壓迫腫瘤，從而防止腫瘤轉(zhuǎn)移。4.精確度高。由激光器發(fā)射出的激光束是以定向的方式幾乎毫不發(fā)散地沿空間極小的立體角范圍傳播，能量集中，故可以精確地切除很小的病變，其切口邊緣銳利，對不足1mm 的病變亦可進行手術(shù)。5.手術(shù)時間短。術(shù)中多數(shù)小血管不出血,不需結(jié)扎;出血量少,手術(shù)清晰，病變和正常組織易于分辨，故激光手術(shù)時間短。6.可做腔內(nèi)精細手術(shù)。借助各種內(nèi)窺鏡(如喉鏡、氣管鏡、食管鏡、胃鏡、膀胱鏡等)或外科顯微鏡，通過光導纖維將激光束導入臟器腔或血管內(nèi)，可進行凝固止血或汽化切割病變組織(息肉、癌腫等)，也可以粉碎結(jié)石、清除血管內(nèi)血栓等。7.術(shù)后反應輕，副作用小。

　　四.光學相干層析技術(shù)

　　將光學相干技術(shù)與激光掃描共焦技術(shù)相結(jié)合的光學相干層(OCT)，利用里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鏡技術(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、皮膚這一特點，可以用于探測食道，宮頸、腸道等器官，使醫(yī)生看到10毫米大小

　　的組織，無損傷地了解主旨結(jié)構(gòu)成分。特別值得一提的是它可以用于探測心臟、腦等遺忘無法活檢的器官和組織，所以，OCT在醫(yī)學上被稱為“光學活檢”。

　　1.工作原理

　　光學相干層析成像的實質(zhì)是基于近紅外光低相干干涉的掃描成像。其原理如圖1 所示，它的核心是邁克爾遜干涉儀。光源產(chǎn)生的弱相干光(近紅外光，如1310nm)發(fā)出的光經(jīng)耦合透鏡OL1 注入一個2×1光纖耦合器FC1;同時指示光源發(fā)出的可見光(紅光)注入另一2×1 光纖耦合器FC3;FC1 和FC3 再接入一2×2 光纖耦合器FC2(1:1)，在這里被分為兩束：一束參考光和一束信號光。其中一束為參考光束出射后經(jīng)準直到參考臂快掃描光學延時線被平面鏡反射,， 另一束出射后，經(jīng)過掃描裝置進入待測量的樣品后有一定的穿透深度，同時樣品自其表面開始的不同深度各個層面對此光束都有一定的背向反射。這樣，

　　兩束來自參考臂的反射光和樣品的背向反射光再次進入光纖， 并在2×2 耦合器FC2 相遇發(fā)生干涉疊加。疊加后的光場被分束并經(jīng)過FC1、FC3 到達其另一端，其強度信號被探測器D1、D2 所測量。光源的弱相干性將導致振鏡的掃描可以選擇性地測量與其光程相匹配的來自組織樣品不同層面的反射光。同時當振鏡平移掃描時，將產(chǎn)生對干涉信號的多普勒頻率調(diào)制。于是兩路干涉信號經(jīng)過兩個光電轉(zhuǎn)換器后,進行差分放大、濾波、解調(diào)及模數(shù)轉(zhuǎn)換。振鏡一次掃描，即可檢測出組織樣品單點反射光強隨深度的一維分布。進而在樣品臂振鏡對組織樣品進行橫向掃描就可以得到X-Z 平面的二維圖像。最后通過采集卡采集信號輸入計算機,獲得掃描點的干涉強度信息。所得信息經(jīng)過軟件處理后得到我們需要的OCT 圖樣。

　　2.在醫(yī)學方面的應用

　　(1)眼科診斷

　　OCT 可用于檢測諸如青光眼、糖尿病水腫等需要定量測試視網(wǎng)膜變化的疾病

　　[8]，也可以很好的觀察眼球前部病變，探測深度可達2cm[9]，OCT 對眼底結(jié)構(gòu)觀察的清晰度遠高于其它檢查方法。David Huang 等[1]首先利用這一技術(shù)獲得人眼視網(wǎng)膜細微結(jié)構(gòu)和冠狀動脈壁結(jié)構(gòu)，在青光眼的情況下， 該技術(shù)可使醫(yī)師能夠掌握視神經(jīng)纖維層的變化情形，而不必再去測量眼壓及視場區(qū)域的變化。在糖尿病的情形下，眼科醫(yī)生可以對視網(wǎng)膜的腫脹進行定量測量，這種水腫往往是糖尿病的早期征兆。

　　(2)牙科診斷

　　Colston 等于1997 年首次報道用OCT 取得離體豬前磨牙的牙本質(zhì)和牙周組織的OCT 圖像[10],在1992 年，F(xiàn)ujimoto 等就提出了偏振敏感OCT 的概念(PS-OCT)，在PS-OCT 中，使用樣品對背散射光雙折射的大小成像，對于具有較明顯的雙折射效應的生物組織來說，PS-OCT能夠獲得一些重要的結(jié)構(gòu)信息， 而這些是傳統(tǒng)的OCT 做不到的。A.Z. Freitas, 最近用OCT 得到牙齒微結(jié)構(gòu)的三維圖像、對口腔的健康狀況作了定量與定性分析、討論了齲齒早期發(fā)現(xiàn)問題

　　(3)內(nèi)窺應用

　　內(nèi)窺OCT 可用于執(zhí)行生物活檢、監(jiān)測人體器官的功能狀態(tài)、引導手術(shù)或其它治療、監(jiān)測術(shù)后恢復過程等。在醫(yī)學實踐中，活檢切除部位的選擇通?；谝曈X診察或較大組織區(qū)域內(nèi)生物化學數(shù)據(jù)，但可能導致錯誤的臨床結(jié)果。OCT 能精確表示結(jié)構(gòu)變化區(qū)域的邊界，因此，能提供活檢切除部位的精確示意圖。在消

　　化系統(tǒng)中，可用于診斷淺表組織層中早期的胃腸道癌，達到可完全治愈水平。 參考文獻：

　　1. 張燦邦.《激光與生命科學》.緒論.P3-P7。

　　2. 邵永紅，何永紅，馬輝，王淑霞.檢測工程聚合物材料新方法研究激光與紅外，2006(9)：878-879.

　　3. 盛新志.《激光原理及應用》.2007. P225-240.

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