生物科技行业生物医学光子学研究

生物科技行业生物医学光子学研

究

生物医学光子学研究

TheResearchonBiomedicalPhotonics

本文作者徐正红女士，西安交通大学生命科学和技术学院生物医学工程研究所博士生；张镇西先生，西安交通大学生命科学和技术学院副院长、博士、教授、博士生导师。

关键词：光子学激光生物医学

壹、引言

生命科学是当今世界科技发展的热点之壹。而光子学是随着近代科学技术发展而日益蓬勃发展的学科。近年来壹个以光子学和生命科学相互融合和促进的学科新分支――生物医学光子学（BiomedicalPhotonics）也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。

生物医学光子学能够分为生物光子学和医学光子学俩个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，且无严格的分界。也能够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俩个领域。前者以光子作位信息的载体，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，无论光诊断仍是光治疗技术，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。

二、光子诊断医学技术

1．概念

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，促进了这壹学科的发展。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壹种现象，是生物体的壹种固有功能。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。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的壹种低水平化学发光。80年代以来各国科学家进壹步对BPE现象进行研究发现DNA是BPE的辐射源之壹；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和生物体的氧化代谢、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。有关BPE的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平深入。和之相关的理论和测试技术也在不断发展。

2．应用

由于生物超弱发光和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能够有重要的应用。

●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，用于人体代谢功能和抗氧化、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，日本研制成第壹台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，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，能够了解癫间期大脑活动类型，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，能够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壹特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。

●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。能够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，其血液和病变器官和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，能够在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。目前有俩种方法：

1．外加光敏物质诊断

根据荧光物质和肿瘤组织有很好的亲和力这壹特点，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，能够确定肿瘤位置。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且获得更高的收效。为了对新型光敏剂进行体内检测，LMTB在和西门子医药X公司的合作中研制了壹台近红外成像器，它由壹个740nm的二极管激光器（1.5瓦）和壹个冷却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。我们能够清楚的见到肿瘤的位置。

2．自体荧光光谱诊断

这种诊断技术不需要外加光敏制剂，利用人体组织在激光下产生的荧光来进行光谱分析分辨肿瘤。无需口服或注射光敏剂，是壹种无侵害性的、快捷诊断技术。美国南卡罗来纳州克莱姆森大学研究人员用激光二极管发射出红外线光束，不必接触皮肤即可从16个点位穿透乳房，然后用计算机分析光子模式，再现乳房内部影像，能够发现小到5毫米的肿瘤。加拿大XillixX公司将自体荧光光谱诊断技术和内窥镜技术相结合，研制了光致荧光内窥镜系统（LIFE），获取正常组织和非正常组织的荧光差别，实时显示图像或输出数字式静止图像，用于肺癌的早期诊断。经过临床试验表明，在肺癌的探测和定位方面，LIFE系统准确效率比普通的内窥镜系统提高171％。

●激光扫描共焦显微技术

超声波、CT、核磁共振等传统生物医学成像技术虽然能够获得人体组织在自然状态下的各种表像，但无法达到细胞级的分辨率。而采用高分辨率的光学显微镜和电子显微镜又需要将组织切片分析，无法对活组织成像。激光扫描共焦显微镜却能够进行光学断层分析获取生物样本的三维图像，实现对组织的动态成像，使研究人员观察到细胞和细胞相互作用、组织再生、光和组织的物理和生物效应、细胞内的生化成分和离子浓度等，从而成为生物学和医学研究的新技术和新手段。

原理如下：激光聚焦成线度接近单个分子的极小斑点，照射样品，使之产生荧光，但只有焦点处的荧光能够被探测到，离开焦点的荧光将受到紧靠探测器的空间滤波器的阻碍，不会进入探测器，能够得到样品细胞壹个层面的图像。连续改变激光的焦点，可在壹系列层面进行扫描，得到整个样品细胞的三维图像。目前，利用多光子技术，用近红外光激发能够减小单光子激光扫描共焦显微镜对细胞的损伤，能够观察到样品更深层的荧光成像，具有更高的分辨率。是目前的发展方向。

●光学相干层析技术（OCT）

将光学相干技术和激光扫描共焦技术相结合的光学相干层析技术（OCT），利用了相干仪的高灵敏度外差探测特性，及只有探测光束焦点处返回的光才有最强的干涉信号被探测到，而离开焦点的散射光不会被探测成像这壹激光共焦显微技术的结合。避免了单壹激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这壹缺点，能够用于探测食道、宫颈、肠道等器官，使医生见到10微米大小的组织，无损伤地了解组织结构及成分。特别值得壹提的是它能够用于探测心脏、脑等以往无法活检的器官和组织，所以，OCT在医学上被称为"光学活检"。

●光学光钳技术

激光光钳是壹种利用高斯激光光束的梯度压力将微粒移到激光束焦点附近的装置。微粒处于按高斯分布的激光束中时，由于光场强度的空间变化，光束对微粒产生壹种梯度压力，驱使其移向光束中心，且稳定在那里。激光束如同壹?quot;钳子"抓住微粒，随其移动，能够无损地操纵如细胞、细菌、病毒、小的原生动物等生物粒子，为微生物学家、医学工作者提供新的有力工具。为了减小对微粒的影响，多采用近红外激光。德国生物学家用激光在卵子细胞周围的保护层（蛋白质和碳水化合物）上打孔，利用光钳将精子抓住且送入卵细胞，从能够帮助那些缺少尾巴或无法游动的精子和母卵细胞结合，从而大大提高了体外受精的成功率。

●激光加速对DNA的研究

基因是生物遗传、突变的基本单位。人类基因组共有3×109个碱基对（DNA），弄清这些碱基对的序列情况是研究生命科学、了解生命奥秘的基础。利用人工方法识别这些碱基对需要1000年时间。单由于引入了光子学技术，大大促进了DNA的研究进程。美国加州大学采用激光毛细管列阵电泳法，在7分钟内读出200个碱基对，精度达97％，比通常的板凝胶技术快得多。此外，日本东北大学、路易斯安娜州立大学、艾奥瓦州立大学的研究人员都利用光子学技术采用不同的方法来实现对DNA的快速识别。加利福尼亚的AffymetrixX公司已开发了基因芯片技术，它将照相平板印刷术和化学合成技术相结合，在不到1.28cm2的面积上产生高密度的DNA探头阵列。利用激光共焦扫描显微技术识别DNA。

●激光挑选癌细胞

美国国家健康研究所研制出壹种带有固体激光器的立式显微镜。在用显微镜观察肿瘤的病理样品时，病理学家能够用脉冲工作的激光束激活罩在样品上的透明热塑膜，使之和他选择的癌细胞热熔在壹起。这样在取出膜的同时能够取出被选的癌细胞，进行近壹步分析研究。

●细胞快速分析识别

美国Sandia国家实验室成功地研制出壹种含有细胞地生物微腔半导体激光器。以透明地细胞作为波导材料来改变激光横模结构，从而使激光光谱发生变化。由于每壹种细胞都能使激光输出带有可识别地信号，能够根据光谱识别细胞而不需要成像，因此识别速度很高。每秒能识别2万个细胞

三．光子治疗医学技术

1．概念

光入射到人体组织后，壹部分会反射回来，壹部分被组织吸收，仍有壹部分被人体组织向四周散射。人体不同组织对不同波长光的吸收能力也不同。光照射人体组织后，根据照射的波长和时间不同，对组织有以下五种作用，分别为：光化学作用、热相互作用、光蚀除、等离子体诱导蚀除和光致破裂。如图1所示，激光医学相关的总的能量密度范围是从1J/cm2到1000J/cm2，暴光时间也是造成光和组织相互作用多样性的主要参数。

图1激光和组织相互关系图，圆圈仅大致给出有关的激光参数据。

由Boulnosi(1986)修正

2主要应用

●光子动力学医疗（PDT）

利用癌细胞和正常细胞对某些光敏药物的亲和力不同的特点，使光敏物质只集中于肿瘤组织中，在光的照射下使光敏药物产生氧化能力很强的单态氧，能有效地杀死癌细胞。具体做法使给别人注射光敏药物，在48或72小时后，正常组织将药物代谢排除，而肿瘤组织代谢较慢。此时能够用低功率激光照射可疑区域，根据荧光光谱确定肿瘤位置。再用高功率激光（630～690纳米染料激光或半导体激光），通过光纤去激活药物，产生毒性反应，杀死癌细胞。这壹技术成功应用于肺癌和其他癌症地治疗。

●激光美容

利用激光照射皮肤后的选择性光热作用，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，

使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这壹原则，达到去皱、去文身、去毛和治疗各种皮肤病的目的。采用倍频Nd：YAG或Ar＋激光有效凝固血红蛋白来治疗如鲜红斑痣等皮肤病；采用超短脉冲CO2激光器（10.6μm）进行去皱、去毛、头发移植等；在文身治疗中，根据文身颜色选择互补色激光治疗，如绿色文身采用红色激光，这时色素吸收率最高，容易实现选择性光热作用。利用不同波长和不同功率的光刀也能够进行皮肤肿瘤等切除性外科手术。

●激光在牙科应用

从60年代即开始了激光用于牙科的基础及临床研究。最早用于代替机械牙钻贺焊接支架。当下激光在口腔临床主要应用于口腔软组织疾病、口腔粘膜病等治疗。以及各种口腔硬组织疾病，如牙本质过敏症的脱敏、龋牙激光治疗、根管消毒和激光漂白牙齿等；仍能够用激光进行止疼及麻醉。也能够用激光进行牙髓炎等口腔疾病的诊断等。

●激光在眼科应用

利用紫外激光的高光子能量打断角膜基质内分子链，造成非热致汽化来改变角膜的厚度和曲率，治疗近视、远视和散光。这就是今年来出现的准分子激光角膜切削术。由于该方法热损伤小、切割精细、安全、预测性好等壹系列优点，近年发展很快。另壹种治疗方法叫激光屈光性角膜切削术，即在角膜瓣下进行激光切割，是壹种效果稳定，视力回退现象小的屈光矫正治疗。另外，激光在晶状体、玻璃体、虹膜、视网膜等各类疾病的治疗。

●激光在心脏病学中应用

对于冠状动脉硬化能够采用激光心脏再形成手术（TRM）进行治疗。TRM手术是医生在病人左胸开壹个6～8英寸的切口，用激光再心脏上打20～30个1毫米大小的小孔，小孔在血凝固时被封闭，形成心的血流通道，以增加血液向缺氧组织流动从而缓和心绞痛和其他冠心病状。这壹技术能够减轻病人的痛苦，提高病人生活质量。和传统开胸手术相比费用也低。且且经过研究表明，TRM的早期死亡率比冠动脉旁通手术低8倍。

●激光针灸治疗术

低功率激光能够代替传统的针具和灸具，通过刺激穴位能够缓解疼痛和治病。由于激光是非接触式的，所以不会损坏病人的神经和血管，更为安全可靠。经过研究发现，激光针灸能够对解除关节、肌肉和神经疼，对高血压、中风、偏瘫都有壹定疗效。

●激光采血器和注射器

早在20世纪90年代初，俄罗斯就研制初激光验血划痕器。激光切口和金属划痕器切口基本壹样，但前者造成的水肿小，伤口愈合快。用激光采血是非接触式的，能够避面病人紧张、疼痛，特别适合给小病人使用。更重要的是能够避免由于采血、注射引起的交叉感染。能够防止感染如艾滋病、肝炎等传染病。具有现实意义。

●其它应用

激光能够在其它医学领域也有应用。如外科中的骨切开术和骨切除术；在肠胃病中可用于治疗溃疡的出血；在耳鼻喉科中可用来治疗喉部或声门狭窄、慢性鼻出血等疾病；在妇科中可用来治疗生殖系统各部位内瘤、子宫内膜异位、输卵管阻塞和绝育等；也能够用来治疗前列腺良性增生等泌尿系统疾病。

四．生物医学光子学的发展方向

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、壹体化的激光和成像系统。生物医学光子学是壹门新兴的交叉科学，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。壹旦在技术方面有所突破且