生物医学光子学论文

《生物医学光子学论文》生物医学光子学研究热点、研究进展

班级：09自动化（1）班

学号：23220092204390

姓名：林金超

时间：2010.7.20

摘要：随着社会的进步，人类对自身的健康越来越重视。因此，和健康有关的基本生物医学问题的研究以及健康状况的监查、疾病的早期诊断、监测和根治等方法和手段的研究受到世界各国科技界的高度重视。近年来，一个与此相关的新兴的交叉学科—生物医学光子学应运而生，并得到了飞速发展。生物医学光子学涉及生物系统以光子形式释放能量，光子探测过程，光子所携带有关生物信息，光子特性对生物体加工和改造。学科还渗透到分子生物学，生物化学等生命科学前沿性基础研究中。目前国际前沿关注的重点有：分子成像技术，OCT成像技术，诊断光谱学，光子迁移技术，共聚焦多光子显微成像，新型光学仪器在生物医学中的应用，光动力疗法，激光治疗和微创激光手术，二次谐波成像技术，荧光关联谱，光镊与光阱的应用。

引言：生物医学光子学（Biomedical Photonics）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。

正文：

生物医学光子学主要分为两部分：生物光子学和医学光子学。

一、生物光子学

1生物系统的自发超弱发光

只要是活的生物，小至细菌微生物和各种动植物细胞，大到植物，动物甚至人，都存在自发的光子辐射，通常，这种光子发射极其微弱，只有几个到几千个光子/秒每平方厘米，故称为系统自发的超微弱发光。其光谱范围颇宽，从紫外延伸至近红外，必须用灵敏的光电探测器才能探测到。近30年的研究表明：生物超微弱发光与生物的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、光合作用、癌变以及生长的调控等许多基本的生命过程都有着内在的联系，而且正是由于它与活的生物体内发生的生化过程、生物机体的生理和病理状态等有着密切的联系，因此才使其在医学，农业，环境等众多方面都有潜在的诊断价值。

2生物超弱发光的成像利用高灵敏度的光子探测与成像技术，并结合光子统计与光子相关测量技术，在可见或近红外波段获得生物体的超弱发光的二维图像，用以测量人体的代谢功能与抗氧化、抗衰老的机体防御功能。因此可望在疾病与临床诊断方面得到重要应用。

3、生物系统的诱导发光外界短暂的强光照射可以诱导生物系统的光子发散，这种诱导发光的强度通常大大高于自发发光的强度，且随时间衰减。诱导发光的光谱和强度取决于组成生物系统的可激发分子的种类和含量，还取决于分子间的相互作用及能量传递，因此，诱导发光将能提供生物系统组成的结构的信息，这种发光早已用于植物光合

作用的研究。最近研究表明这种诱导发光在疾病的诊断和食品质量的检测方面具有相当诱人的应用前景。

4、荧光探剂与激光扫描共焦显微术激光扫描共焦显微术的基本原理是，在细胞内一个任意选定的深度上将激光束聚焦成线度接近单个分子的极小的斑点，并在细胞内一定深度的层面上进行扫描，通过光学系统，即可得到细胞一个层面的清晰图象。连续改变激光的聚焦深度，在一系列的层面上进行扫描，最后获得整个细胞的三维图象。利用目前已达上千种与细胞内不同分子（或离子）特异性结合的荧光探针，人们就可以直接观测活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其它分子的相互作用等。例如观测细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维，观察信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子，还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞，用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。荧光探针和荧光蛋白与激光共焦显微术的结合，使人们能够看到细胞内一个既复杂又异彩纷呈的世界。

5多光子荧光成像技术目前，共焦显微成像术使用的是可见光波段的氩离子激光器，因此可能引起活细胞的损伤。利用多光子，如多光子激发，至少有以下三个优点：一是由于近红外光激发，故对活细胞的损伤大大减小；二是在组织中由于近红外光比可见光的透光率高，因此可观测样品中更深层的荧光成像；三是许多用在可见区甚至紫区的荧光探剂照样可以使用。这种技术主要是使用高强度红外激光，使

双光子的激发效率与短波长的单光子相当。现在已有一些激光器满足这一要求。

6光钳和单分子操作光钳（Optical tweezer）技术诞生于20世纪80年代，发展于90年代。其基本原理是：当一个微粒（如一个与生物大分子结合的硅珠）处于一个强度按高斯分布的激光光束中时，由于光场强度的空间变化，光束将对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并使其稳定在那里。这样，激光束就似“钳子”将粒子牢牢地钳住，并令其随光束人为地移动。光钳施加在微粒上的压力取决于光的波长、光束的宽度及功率等。当激光器的功率为几毫瓦到几瓦时，施加于尺寸为微米大小的微粒上的力大约为几个到几百皮(10-10)牛顿。为了不使激光被生物组织强烈吸收，为了不使激光被生物组织强烈吸收，光钳一般使用近红外激光器光源。光钳技术的重要应用是，用以研究和观测与肌肉收缩、细胞分裂、蛋白质合成等密切相关的一类蛋白质——分子马达。研究时，将一个微米大小的硅珠或聚苯乙烯珠与这些分子马达接在一起，在显微镜下用光钳钳住小珠，启动分子马达，就可以测量出分子马达运动时产生的力。德国学者已经用激光在卵细胞膜上打孔，用光钳将精子抓住并送入卵细胞，大大提高了体外受精的成功率。今后，新一代的光钳将具备施力的反馈机制，使光钳加在捕捉的离子上的力能改变其大小，从而研究影响分子马达的各种因素。光钳还可以用来对细胞进行各种加工等。因此，-----光钳将在细胞工程技术方面发挥重要的作用。

二、医学光子学

1、光在生物组织中传输理论研究目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。

2、医学光谱技术激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。

A、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。

B、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。

C、生物组织的超快时间分辨光谱。超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。

3、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A、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。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；

B、.相干分辨成像技术（OCT）。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20μm）。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；

C、.漫射光子密度波成像技术。透过生物组织的漫射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。

D、.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。

4、医用半导体激光及其应用技术由于半导体激光器具有体积小、效率高、寿命场合多种波长可供选择等一系列显著优点，所以它在激光诊断医疗技术中有逐渐取代其他多种激光器的趋势，从而有可能成为激光医用仪器的最主要光源。目前的状况是：低功率半导体激光器，波长为800nm~900nm，功率为3~10mW，已逐渐替代He-Ne激光器作照射治疗和光针疗法，以及作各种指示光源；中功率器件，波长652nm~690nm，功率1~5W，已逐渐替代染料激光用于光动力疗法，可治疗较深部的肿瘤；高功率半导体激光器，也有可能替代Nd：YAG 激光治疗机。如波长为800nm~900，功率为30W的高功率半导体激光，穿透组织深，适用于Nd：YAG激光所能治疗的大部分病种。

5、.光动力疗法（PDT）治癌治癌光动力学肿瘤治疗是世界范围广泛关注的大课题。肌体注射肿瘤能聚集的光敏剂之后，受激光照射，产生光化学作用，可以选择性的杀死肿瘤细胞。目前存在的主要问题有两个：一是皮肤光敏副反应大，要长时间避光；而是激光透入人体的深度太浅，深层肿瘤无法进行光化作用，因此复发的可能性很大。现正在积极研制开发性能优良的光敏剂和能穿透组织深部且与光敏剂作用良好的激光。此疗法的前景仍然是十分乐观的。

6、激光治疗心血管疾病经皮激光冠状动脉成形术治疗冠状动脉狭窄及阻塞病变的技术已有长足发展。用准分子激光进行冠脉成形术已成为首选方法。但因管腔的再狭窄等问题尚待进一步解决, 因此该项技术目前还难以有效推广。除上述冠状动脉成形术外，心肌血管重建术、

激光直接消融心脏的异常节律点，治疗严重心律失常等也是当前的研究热点

结论：生物医学光子学是为了满足人们在生命科学、医学等领域科学研究的要求，为了实现人们对于健康状态的诊断或者疾病的治疗等实际需求所不断发展并形成的，确切地说生物医学光子学是作为相关学科的基础研究或应用研究的辅助而发展起来的。生物医学光子学无论是对其他学科的研究成就的贡献、还是在医学领域中有意义的应用，都无外乎是提供应用光子的生物医学研究方法或使用光子的生物医学仪器，而这些方法或仪器又都是以物理学、医学、工程学等学科的基础知识的充分融合为基础的，所以生物医学光子学的发展和成功应用除了对生物或医学学科本身的发展具有促进作用外，其本身也不断地对工学、物理学、化学等学科提出新的课题，更重要的是它的发展需要并促进了这些学科的交叉和技术的融合。

参考文献：【1】https://www.360docs.net/doc/fd14779074.html,/meetings/topicals/ECBO/about/conferences/ 【2】Special Section on Cardiovascular Photonics[J]. J. Biomed. Opt., 2006, 11(2)

【3】Amir Gandjbakhche, Israel Gannot. Optical Imaging from Bench to Bedside[J]. J. Biomed. Opt., 2005, 10(5)

【4】S. Achilefu, Christopher H. C., Alexander P. S. et al.. Chemical and Genetic Sensors in Biomedical Research[J]. J. Biomed. Opt., 2005, 10(4)

【5】Michel D. M., Andrew B., Anita M.J. Infrared and Raman Spectroscopy[J]. J. Biomed. Opt., 2005, 10(3)

【6】David A. B., Ron D. F. Optics in Neuroscience[J]. J. Biomed. Opt., 2005, 10(1)

【7】Sergio F., K. T. Moesta, Brian W. P. Optics in Breast Cancer[J]. J. Biomed. Opt., 2004, 9(6)

【8】Rebecca R. K., Michele F. Special Section Guest Editorial [J]. J. Biomed. Opt., 2004, 9(3)

【9】J. S. Nelson. Special Section Guest Editorial [J]. J. Biomed. Opt., 2004, 9(2) 【10】R. R. Ansari, J. Sebag. Guest Editorial. J. Biomed. Opt., 2004, 9(1)

【11】A. Periasamy, A. Diaspro. Multiphoton Microscopy [J]. J. Biomed. Opt., 2003, 8(3)

【12】Lihong V. W., Gerarad L. C., Steven L. J. Special Section Guest Editorial [J]. J. Biomed. Opt., 2002, 8(3)

【13】张镇西等译著，分子光子学[M]，北京:科学出版社，2004

【14】Yao C P, Rahmanzadeh R, Endl E et al.. Elevation of plasma membrane permeability by laser irradiation of selectively bound nanoparticles [J]. J. Biomed. Opt., 2005, 10(6)

【15】Yang Y, Zhang Z X et al.. Blood cell counting and classification by nonflowing laser light scattering method [J]. J. Biomed. Opt., 9(5):995~1001

【16】Zhang S J, Zhang ZX. 5-Aminolevulinic acid-based photodynamic therapy in leukemia cell Hl60 [J]. Photochem. and Photobiol., 79(6):545~550

[17] 谢树森,李晖,牛憨笨,秦玉文,何杰,潘庆. 生物医学光子学的发展与前瞻[J]. 中国科学(G 辑:物理学力学天文学), 2007, (S1) .

[18] 张镇西. “生物医学光子学”的学科发展[J]. 激光与光电子学进展, 2006, (09) .

[19] 杨芳,吉民,顾宁. 以纳米分子探针为基础的分子影像技术在肿瘤早期检测中的应用[J]. 中国医学影像技术, 2009, (02) .

[20] 庄天戈. 生物医学成像的若干发展动向[J]. 中国医疗器械信息, 2004, (02) .

[21] 王惠敏. 生物光子在医学中的应用[J]. 中国药物应用与监测, 2005, (02) .

[22] 李正佳. 生物医学光子学领域的新进展[A]. 第二届激光高峰论坛报告选[C], 2005 .

[23] 骆清铭,朱(?),曾绍群,龚辉,李鹏程,刘谦,赵元弟. 生物医学光子学特色方向本科教学体系建设的探索与实践[A]. 中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集（下册）[C], 2007 .

[24] 谢树森,李晖. 医学光学与光子学的发展及其前瞻[A]. 大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C], 2004 .

[25] 谢树森,李晖. 生物医学光子学学科发展与展望[A]. 中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C], 2006 .

[26] 骆清铭. 光学分子成像研究进展[A]. 中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C],

2006 .

[27] 张其清,周志敏. 纳米技术与生物医学前沿[A]. 中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集（下册）[C], 2007 .

[28] 张格,张亚秋,付家庆. 生物超弱发光的光子成像及其检测方法研究[J]. 农机化研究, 2006, (11) .

[29] 邢达. 生物医学光子学的无损伤影象方法[J]. 激光生物学报, 2001, (03) .

[30] 邱元武. 生物光子学[J]. 激光与光电子学进展, 2003, (05) .