激光与生命科学论文

激光与生命科学论文

　　激光是利用受激发射放大原理产生的高相干性、高强度的单色光。下面是由学习啦小编整理的激光与生命科学论文，谢谢你的阅读。

　　激光与生命科学论文篇一

　　激光与生命科学论文

　　摘要：由于生物超弱发光与生物体的胜利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监测等领域可以有重要的作用。激光是利用受激发射放大原理产生的高相干性、高强度的单色光。产生激光束的光源称激光器，在医学领域里有广泛的用途。激光医学是一门新兴的边缘学科，其内容包括用激光新技术去研究、诊断、预防和治疗疾病。激光已应用于内、外、妇、儿、眼、耳鼻喉、口腔、皮肤、肿瘤、针灸、理疗等临床各科。它不仅为研究生命科学和研究疾病的发生发展开辟了新的研究途径，而且为临床诊治疾病提供了崭新的手段。

　　关键字：激光的发展、超弱发光、生物效应、相干层析技术

　　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.激光在医学上的应用分为几个阶段 1、20世纪60年代为基础研究阶段

　　激光医学的基本理论研究大部分在60年代就完成了。自第一台激光器问世后，被称为“激光医学奠基人”的Goldman(著名皮肤病学专家)等就开始在皮肤上研究了激光与生物组织的相互作用;1961年有人将红宝石激光试用于对剥离的视网膜进行焊接;1963年，Goldman开始将红宝石激光应用于良性皮肤损害和文身治疗并取得成功，开创了激光医学应用的先河。60年代中后期还相继研制出氩离子(Ar+)激光、低功率CO2激光和钕玻璃激光，但临床应用不多。我国在激光器研究的初期走在了世界前列，1961年长春光机所研制了我国的首台红宝

　　石激光器，1965年北京同仁医院开始了红宝石激光视网膜凝固的动物实验，1968年上海研制出Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)激光。

　　2、20世纪70年代为临床试用阶段

　　1970年Goldman等人首次用连续CO2激光治疗基底细胞癌和皮肤血管瘤，由于连续地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脉冲激光功率低、效率低的缺点，从而掀起了国内外首次激光医疗热潮，连续CO2激光被广泛地用于外科、皮肤科、五官科、妇科、理疗料、针灸科和肿瘤科等，并取得了较满意的效果。70年代应用于皮肤美容的连续激光还有Ar+、Cu蒸气和Nd：YAG等激光。这些连续激光对组织的热损伤属非选择性的，治疗后常伴随皮肤瘢痕色素减退等副作用，尚达不到良好的美容效果。

　　3、20世纪80年代为学科形成阶段

　　1983年，Anderson和Parrish提出了选择性光热作用理论—即“光热分离”理论，其含意为根据不同组织的生物学特性，选择合适的波长、能量、脉冲持续时间，以保证对病变组织进行有效治疗之同时，尽量避免对周围的正常组织造成损伤。该理论实现了激光的有效性和安全性的完美统一，是激光医学特别是激光美容医学发展史上的里程碑。根据选择性光热作用设计的脉冲激光机在80年代有很大进步。相继出现了铒激光、准分子激光、以及不断完善的CO2激光和脉冲染料激光，激光新技术已经比较成熟地用于研究、诊治疾病和美容治疗，并且已经形成了一支庞大的专业化队伍，这是激光医学学科形成的重要标志之一。

　　4、20世纪90年代为发展成熟阶段

　　90年代起，随着科学的进步和激光技术的发展，医用激光器与电子计算机、纤维内镜、图象分析、摄象录象、荧光光谱、X线和超声等新技术不断结合，使医用激光器朝着高性能、智能化、微型化及专科化方向发展。新型美容激光机如雨后春笋般涌现，并取得了非常显著的成就：90年代初期应用Q开关激光治疗色素性疾病如太田痣、文身等已取得了近乎完美的治疗效果;90年代中、后期可变脉宽倍频激光治疗血管性疾病也取得了较好的疗效;与此同时长脉冲红宝石激光、翠绿宝石激光、Nd：YAG激光以及半导体激光的相继出现也使激光脱毛技术日益发展成熟;此外，高能超脉冲CO2激光和铒激光的问世使激光除皱换肤风靡西方世界(由于色素沉着问题，该技术在黄色人种中未能大量展开)，近来还出现了一些无损激光除皱系统，如Cool Touch、Smooth Beam及Nlite等，应用这些仪器术后反应轻微，临床上也可取得一定的疗效。

　　二.生物体超弱发光的成像

　　利用高灵敏度的探测技术和成像技术，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二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老集体防御功能的测量和研究。亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一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，可以减少病人的痛苦和伤害。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一特性，采用近红外光谱来监视婴儿脑细胞氧含量。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身发光强度。可以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，其血液和病变器官与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，可以在肿瘤早期找出其存在位置，实现肿瘤的早期诊断和治疗。目前有两种方法：

　　1. 外加光敏物质诊断

　　根据荧光物质与肿瘤组织有很好的亲和力这一特点，可让患者静脉注射或口服光敏剂后，再接受光照，记录荧光光谱特性曲线，可以确定肿瘤位置。这种方法由于受到其他组织荧光和自然荧光的干扰，容易引起误诊，且需要寻求更有效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为改变的靛青绿更能提高药物代谢动力并获得更高的收效。为了对新型光敏剂进行体内检测，LMTB在西门子医药公司的合作中研制了一台近红外成像器，它由一个740nm的二极管激光器和一个冷却CCD照相机组成。动物实验中，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因。我们可以清楚的看到肿瘤的位置。

　　2.自然荧光光谱诊断

　　这种诊断技术不需要外加光敏剂，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，是一种无侵害性的、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，不必解除皮肤即可从16个点穿透乳房，然后用计算机分析光子模式，再现乳房内部影像，可以发现小到5毫米的肿瘤。加拿大XILLIX公司将自体荧光光谱诊断技术与内窥镜技术相结合，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%。

　　三.激光的生物效应

　　一般认为激光有五个方面的效应：

　　1. 热作用。主要是在可见光和红外光范围的激光引起的。弱激光不会直接造成不可逆损伤，可促使血管扩张，血液流动加强，从而改善局部的营养状态，促进伤口和溃疡的愈合，还具有镇痛和缓解肌肉痉挛等作用。强激光直接造成生物组织的不可逆性损伤，故可用以清除各种赘生物，如疣、痣、癌等，或凝固出血点、封闭破孔等。

　　2.压力作用激光照射到人体上形成一种压力(光压)。如果激光呈大功率脉冲状态,则产生的压力很强。若激光聚焦功率为

　　10W/

　　cm则其压力可达40g/cm。强激光照射到生物组织上时,使组织汽化,产生热膨胀，这时体积剧烈增加而产生巨大的压力，可以大至几百个大气压，破坏性较大。临床上可利用这种压力在眼睛上房角处打孔，以沟通房水，降低眼压，治疗青光眼，还可以利用这种冲击波的力量来治疗后发性白内障和玻璃体出血后形成的机化索条等。

　　3.光化学作用。利用激光能量激活体内某些化学反应。其中包括光致分解(吸收光能而导致化学分解的过程)、光致氧化(光作用下，反应物失去电子的过程)、光致聚合(光作用下，小分子聚合成大分子的过程)、光致敏化(在光敏剂的参与下，用特定波长的光作用而产生的化学反应)等四种主要类型。光敏化治疗是以血卟啉衍生物为代表的光动力学疗法，用以破坏癌细胞，需要氧分子参加才能起反应。另一类光敏剂如补骨脂素不需氧分子参加。局部涂补骨酯酊后，再用紫外激光局部照射，可以治疗白癜风和银屑病等疾病。

　　4.电磁场作用。高功率激光所产生的强电磁场，可以使生物组织发生明显的变化。

　　5.刺激作用。主要指功率较低的He-Ne激光对机体的作用。可促进神经再生，毛发生长，降低的血细胞回升，使骨痂生长迅速而使骨折愈合，还可抑制细菌生长从而消炎止痛。

　　以上五种效应中，压力效应和电磁场效应主要为大功率或中等功率激光所具有。而光化学反应和光刺激作用主要由小功率激光引起，热效应则大、中、小三种功率的激光均有。

　　激光手术 即利用功率密度较高的激光束，对病灶进行汽化、凝固、切割。特点是：1.出血少或不出血。激光有热凝固作用，能封闭直径小于1mm的动脉和2mm的静脉，因此术中可以少出血或不出血，术中或术后可以不输血或少输血。2.减少感染机会。激光对组织无机械接触，而且激光的高温还可以杀菌，故可以减少伤口感染率。3.防止肿瘤转移。连续激光手术时封闭了小血管和淋巴管，又不压迫肿瘤，从而防止肿瘤转移。4.精确度高。由激光器发射出的激光束是以定向的方式几乎毫不发散地沿空间极小的立体角范围传播，能量集中，故可以精确地切除很小的病变，其切口边缘锐利，对不足1mm 的病变亦可进行手术。5.手术时间短。术中多数小血管不出血,不需结扎;出血量少,手术清晰，病变和正常组织易于分辨，故激光手术时间短。6.可做腔内精细手术。借助各种内窥镜(如喉镜、气管镜、食管镜、胃镜、膀胱镜等)或外科显微镜，通过光导纤维将激光束导入脏器腔或血管内，可进行凝固止血或汽化切割病变组织(息肉、癌肿等)，也可以粉碎结石、清除血管内血栓等。7.术后反应轻，副作用小。

　　四.光学相干层析技术

　　将光学相干技术与激光扫描共焦技术相结合的光学相干层(OCT)，利用里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一激光共焦显微镜技术的结合。避免了单一激光扫描共焦显示技术只能用于透明组织，如角膜、皮肤这一特点，可以用于探测食道，宫颈、肠道等器官，使医生看到10毫米大小

　　的组织，无损伤地了解主旨结构成分。特别值得一提的是它可以用于探测心脏、脑等遗忘无法活检的器官和组织，所以，OCT在医学上被称为“光学活检”。

　　1.工作原理

　　光学相干层析成像的实质是基于近红外光低相干干涉的扫描成像。其原理如图1 所示，它的核心是迈克尔逊干涉仪。光源产生的弱相干光(近红外光，如1310nm)发出的光经耦合透镜OL1 注入一个2×1光纤耦合器FC1;同时指示光源发出的可见光(红光)注入另一2×1 光纤耦合器FC3;FC1 和FC3 再接入一2×2 光纤耦合器FC2(1:1)，在这里被分为两束：一束参考光和一束信号光。其中一束为参考光束出射后经准直到参考臂快扫描光学延时线被平面镜反射,， 另一束出射后，经过扫描装置进入待测量的样品后有一定的穿透深度，同时样品自其表面开始的不同深度各个层面对此光束都有一定的背向反射。这样，

　　两束来自参考臂的反射光和样品的背向反射光再次进入光纤， 并在2×2 耦合器FC2 相遇发生干涉叠加。叠加后的光场被分束并经过FC1、FC3 到达其另一端，其强度信号被探测器D1、D2 所测量。光源的弱相干性将导致振镜的扫描可以选择性地测量与其光程相匹配的来自组织样品不同层面的反射光。同时当振镜平移扫描时，将产生对干涉信号的多普勒频率调制。于是两路干涉信号经过两个光电转换器后,进行差分放大、滤波、解调及模数转换。振镜一次扫描，即可检测出组织样品单点反射光强随深度的一维分布。进而在样品臂振镜对组织样品进行横向扫描就可以得到X-Z 平面的二维图像。最后通过采集卡采集信号输入计算机,获得扫描点的干涉强度信息。所得信息经过软件处理后得到我们需要的OCT 图样。

　　2.在医学方面的应用

　　(1)眼科诊断

　　OCT 可用于检测诸如青光眼、糖尿病水肿等需要定量测试视网膜变化的疾病

　　[8]，也可以很好的观察眼球前部病变，探测深度可达2cm[9]，OCT 对眼底结构观察的清晰度远高于其它检查方法。David Huang 等[1]首先利用这一技术获得人眼视网膜细微结构和冠状动脉壁结构，在青光眼的情况下， 该技术可使医师能够掌握视神经纤维层的变化情形，而不必再去测量眼压及视场区域的变化。在糖尿病的情形下，眼科医生可以对视网膜的肿胀进行定量测量，这种水肿往往是糖尿病的早期征兆。

　　(2)牙科诊断

　　Colston 等于1997 年首次报道用OCT 取得离体猪前磨牙的牙本质和牙周组织的OCT 图像[10],在1992 年，Fujimoto 等就提出了偏振敏感OCT 的概念(PS-OCT)，在PS-OCT 中，使用样品对背散射光双折射的大小成像，对于具有较明显的双折射效应的生物组织来说，PS-OCT能够获得一些重要的结构信息， 而这些是传统的OCT 做不到的。A.Z. Freitas, 最近用OCT 得到牙齿微结构的三维图像、对口腔的健康状况作了定量与定性分析、讨论了龋齿早期发现问题

　　(3)内窥应用

　　内窥OCT 可用于执行生物活检、监测人体器官的功能状态、引导手术或其它治疗、监测术后恢复过程等。在医学实践中，活检切除部位的选择通常基于视觉诊察或较大组织区域内生物化学数据，但可能导致错误的临床结果。OCT 能精确表示结构变化区域的边界，因此，能提供活检切除部位的精确示意图。在消

　　化系统中，可用于诊断浅表组织层中早期的胃肠道癌，达到可完全治愈水平。 参考文献：

　　1. 张灿邦.《激光与生命科学》.绪论.P3-P7。

　　2. 邵永红，何永红，马辉，王淑霞.检测工程聚合物材料新方法研究激光与红外，2006(9)：878-879.

　　3. 盛新志.《激光原理及应用》.2007. P225-240.

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