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0431-81702023
光學工程
醫學光子技術的分類以及研究的內容

      醫學光子技術分為兩大類:光子診斷醫學技術與光子治療醫學技術,前者是以光子作為信息載體,后者則以光子作為能量載體。 目前,無論是光診斷還是光治療技術,多以激光為光源。如果著眼于人體應用為對象,這兩種技術則歸屬于激光醫學范疇。激光醫學是醫學光子技術的一個特有的重要應用領域,也是近多年來迅猛興起的一個新學科分支(詳見本節第3點)。
      根據國際、國內的發展情況,以下諸點是醫學光子技術的主要研究內容:
      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。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。
      激光熒光光譜診斷腫瘤技術的研究一直倍受關注,光譜檢驗法的靈敏度很高,如能找到腫瘤細胞的特征熒光峰,來診斷癌細胞的存在,則對腫瘤的早期診斷和治療將起巨大作用。但至今該技術在臨床上無法單獨作為癌細胞檢測的依據,關鍵原因是尚未找到癌細胞真正的特征熒光峰。現在人們所謂的特征熒光峰實際上只是卟啉分子的熒光峰。客觀和科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準是十分必要的。 目前,某些癌瘤的藥物熒光診斷已進入臨床試用,自體熒光的應用尚處于摸索之中。需要開展激光激發生物組織和細胞內物質的機理研究,探討激光誘發組織自體熒光與癌組織病理類型的相關性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產額和最佳激發波長等方面的研究,以期獲得極其穩定、可靠的特征數據,為診斷技術的發展提供科學依據。 

      2.生物組織的喇曼光譜。近年來,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。目前,這一研究領域尚處于起步階段,應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。

     3.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。以時域的角度測量組織的漫反射,從而間接確定組織的光學特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實時的測量方法,為確知光與生物組織的相互作用,解決醫學光子學中基礎測量問題開辟一條新徑。應抓緊開展原理與技術的研究,以獲得有價值的活體光學參數,為光診斷與光治療技術的發展提供依據。
      醫學成像技術 人們致力的目標是:發展無輻射損傷、高分辨率的生物組織光學成像方法與技術,同時應具有非侵入式、實時、安全、經濟、小型、且能監測活體組織內部處于自然狀態化學成分的特點。目前研究工作主要集中在以下幾個方面:
      1.時間分辨成像技術,它以超短脈沖激光作為光源,根據光脈沖在組織內傳播時的時間分辨特性,使用門控技術分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光,進行成像。正在研究的典型時間門有條紋照相機、克爾門、電子全息等。該項技術是光學層析(斷層)造影(ot)技術中最主要的一種; 

      2.相干分辨成像技術(oct)。它采用的是弱相干光光源(如,弱相干脈沖激光或寬帶的非相干光光源),其相干長度很短(如20μm)。利用光源的低相干性能通過散射介質來實現成像,實現手段有干涉儀、全息術等; 

      3.漫射光子密度波成像技術。透過生物組織的漫射光占相當大的比例,也可利用它進行醫學成像。高頻調制的光射入生物組織,被漫射后的光子在生物組織內部呈周期分布,形成漫射光子密度波。這種光子密度波以一定的相速度和振幅衰減系數在生物組織中傳播,又被折射、衍射、色散、散射,因而使之出射光攜帶生物組織內部結構的信息。測量其振幅和相位,再經過計算機數據處理便能夠得到生物組織的有關圖像。

      4.圖像重建技術。生物散射介質的結構特征信息隱含在漫射光中。若能找到描述光在介質中遷徙規律,通過測試漫射光的有關參數,在眼光的散射路徑逆向追溯,則應能重建散射介質結構圖像。如采用鎖摸激光器作光源,條紋相機測試散射體周圍的漫射光的時間分辨參量,再用逆問題算法進行圖像重建。目前,逆問題算法大體有兩類:一類為蒙特卡羅法,采用這種方法,圖像重建精度高,但是計算復雜;另一類是基于光的傳輸方程,采用優化算法,根據測試周圍時間分辨率漫射光的信號進行圖像重建。
     除了上面四種技術外,近年來還發展了其它一些生物組織成像技術,如空間選通門成像技術、時間分辨熒光成像、受激喇曼散射成像以及光聲醫學成像技術等。目前,國際上光學醫學成像技術尚處于初始研究階段,離實用化還有相當距離,但人們已經看到它初露曙光。
     醫用半導體激光及其應用技術 由于半導體激光器具有體積小、效率高、壽命場合多種波長可供選擇等一系列顯著優點,所以它在激光診斷醫療技術中有逐漸取代其他多種激光器的趨勢,從而有可能成為激光醫用儀器的最主要光源。目前的狀況是:低功率半導體激光器,波長為800nm~900nm,功率為3~10mw,已逐漸替代he-ne激光器作照射治療和光針療法,以及作各種指示光源;中 功率器件,波長652nm~690nm,功率1~5w,已逐漸替代染料激光用于光動力療法,可治療較深部的腫瘤;高功率半導體激光器,也有可能替代nd:yag激光治療機。如波長為800nm~900,功率為30w的高功率半導體激光,穿透組織深,適用于nd:yag激光所能治療的大部分病種。


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