鐳射與生命科學論文

　　鐳射是利用受激發射放大原理產生的高相干性、高強度的單色光。下面是由小編整理的，謝謝你的閱讀。

　　篇一

　　摘要：由於生物超弱發光與生物體的勝利及病理有著密切的關係，所以生物光子學在臨床診斷、農作物遺傳性診斷及環境監測等領域可以有重要的作用。鐳射是利用受激發射放大原理產生的高相干性、高強度的單色光。產生鐳射束的光源稱鐳射器，在醫學領域裡有廣泛的用途。鐳射醫學是一門新興的邊緣學科，其內容包括用鐳射新技術去研究、診斷、預防和治療疾病。鐳射已應用於內、外、婦、兒、眼、耳鼻喉、口腔、面板、腫瘤、鍼灸、理療等臨床各科。它不僅為研究生命科學和研究疾病的發生發展開闢了新的研究途徑，而且為臨床診治疾病提供了嶄新的手段。

　　關鍵字：鐳射的發展、超弱發光、生物效應、相干層析技術

　　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.鐳射在醫學上的應用分為幾個階段 1、20世紀60年代為基礎研究階段

　　鐳射醫學的基本理論研究大部分在60年代就完成了。自第一臺鐳射器問世後，被稱為“鐳射醫學奠基人”的Goldman著名面板病學專家等就開始在面板上研究了鐳射與生物組織的相互作用;1961年有人將紅寶石鐳射試用於對剝離的視網膜進行焊接;1963年，Goldman開始將紅寶石鐳射應用於良性面板損害和文身治療並取得成功，開創了鐳射醫學應用的先河。60年代中後期還相繼研製出氬離子Ar+鐳射、低功率CO2鐳射和釹玻璃鐳射，但臨床應用不多。我國在鐳射器研究的初期走在了世界前列，1961年長春光機所研製了我國的首臺紅寶

　　石鐳射器，1965年北京同仁醫院開始了紅寶石鐳射視網膜凝固的動物實驗，1968年上海研製出Nd：YAG摻釹釔鋁石榴石鐳射。

　　2、20世紀70年代為臨床試用階段

　　1970年Goldman等人首次用連續CO2鐳射治療基底細胞癌和面板血管瘤，由於連續地提供有效的鐳射功率和能量密度，克服了早期脈衝鐳射功率低、效率低的缺點，從而掀起了國內外首次鐳射醫療熱潮，連續CO2鐳射被廣泛地用於外科、面板科、五官科、婦科、理療料、鍼灸科和腫瘤科等，並取得了較滿意的效果。70年代應用於面板美容的連續鐳射還有Ar+、Cu蒸氣和Nd：YAG等鐳射。這些連續鐳射對組織的熱損傷屬非選擇性的，治療後常伴隨面板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，其含意為根據不同組織的生物學特性，選擇合適的波長、能量、脈衝持續時間，以保證對病變組織進行有效治療之同時，儘量避免對周圍的正常組織造成損傷。該理論實現了鐳射的有效性和安全性的完美統一，是鐳射醫學特別是鐳射美容醫學發展史上的里程碑。根據選擇性光熱作用設計的脈衝鐳射機在80年代有很大進步。相繼出現了鉺鐳射、準分子鐳射、以及不斷完善的CO2鐳射和脈衝染料鐳射，鐳射新技術已經比較成熟地用於研究、診治疾病和美容治療，並且已經形成了一支龐大的專業化隊伍，這是鐳射醫學學科形成的重要標誌之一。

　　4、20世紀90年代為發展成熟階段

　　90年代起，隨著科學的進步和鐳射技術的發展，醫用鐳射器與電子計算機、纖維內鏡、圖象分析、攝象錄象、熒光光譜、X線和超聲等新技術不斷結合，使醫用鐳射器朝著高效能、智慧化、微型化及專科化方向發展。新型美容鐳射機如雨後春筍般湧現，並取得了非常顯著的成就：90年代初期應用Q開關鐳射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、後期可變脈寬倍頻鐳射治療血管性疾病也取得了較好的療效;與此同時長脈衝紅寶石鐳射、翠綠寶石鐳射、Nd：YAG鐳射以及半導體鐳射的相繼出現也使鐳射脫毛技術日益發展成熟;此外，高能超脈衝CO2鐳射和鉺鐳射的問世使鐳射除皺換膚風靡西方世界由於色素沉著問題，該技術在黃色人種中未能大量展開，近來還出現了一些無損鐳射除皺系統，如Cool Touch、Smooth Beam及Nlite等，應用這些儀器術後反應輕微，臨床上也可取得一定的療效。

　　二.生物體超弱發光的成像

　　利用高靈敏度的探測技術和成像技術，結合資料融合技術，在可見和近紅外波段獲得生物體超弱發光的二維影象，用於人體代謝功能與抗氧化、抗衰老集體防禦功能的測量和研究。亦可用於疾病的診斷。例如，日本研製成第一臺能探測大腦癲間病灶區的鐳射儀器，用很弱的近紅外鐳射照射病人活動型別，有

　　助於醫生髮現病灶。和傳統的開啟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，波士頓兒童醫院利用在組織內的光的吸收和氧的濃度有關這一特性，採用近紅外光譜來監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的光子發射。這種隨時間衰弱的誘導發光的強度遠大於生物體自身發光強度。可以用於疾病診斷和食品質量的檢測。由於腫瘤患者和健康人相比，其血液和病變器官與組織的發光光子強度升高，在癌症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，實現腫瘤的早期診斷和治療。目前有兩種方法：

　　1. 外加光敏物質診斷

　　根據熒光物質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後，再接受光照，記錄熒光光譜特性曲線，可以確定腫瘤位置。這種方法由於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。在現階段，新型光敏劑的發展是通過熒光對早期腫瘤檢測方法的最有前途的改進。經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並獲得更高的收效。為了對新型光敏劑進行體內檢測，LMTB在西門子醫藥公司的合作中研製了一臺近紅外成像器，它由一個740nm的二極體鐳射器和一個冷卻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，不同的濾光器設定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

　　這種診斷技術不需要外加光敏劑，利用人體組織在鐳射下產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。美國南卡羅來納州克萊姆森大學研究人員用鐳射二極體發射出紅外線光束，不必解除面板即可從16個點穿透乳房，然後用計算機分析光子模式，再現乳房內部影像，可以發現小到5毫米的腫瘤。加拿大XILLIX公司將自體熒光光譜診斷技術與內窺鏡技術相結合，研製了光致熒光內窺鏡系統LIFE，獲取正常組織和非正常組織的熒光差別，實時顯示影象或輸出數字式靜止影象，用於肺癌的早期診斷。經過臨床試驗表明，在肺癌的探測和定位方面，LIFE系統準確效率比普通的內窺鏡的探測和定位方面，LIFE系統準確效率比普通的內窺鏡系統提高171%。

　　三.鐳射的生物效應

　　一般認為鐳射有五個方面的效應：

　　1. 熱作用。主要是在可見光和紅外光範圍的鐳射引起的。弱鐳射不會直接造成不可逆損傷，可促使血管擴張，血液流動加強，從而改善區域性的營養狀態，促進傷口和潰瘍的癒合，還具有鎮痛和緩解肌肉痙攣等作用。強鐳射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.壓力作用鐳射照射到人體上形成一種壓力光壓。如果鐳射呈大功率脈衝狀態,則產生的壓力很強。若鐳射聚焦功率為

　　10W/

　　cm則其壓力可達40g/cm。強鐳射照射到生物組織上時,使組織汽化,產生熱膨脹，這時體積劇烈增加而產生巨大的壓力，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，還可以利用這種衝擊波的力量來治療後發性白內障和玻璃體出血後形成的機化索條等。

　　3.光化學作用。利用鐳射能量啟用體內某些化學反應。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生的化學反應等四種主要型別。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。區域性塗補骨酯酊後，再用紫外鐳射區域性照射，可以治療白癜風和銀屑病等疾病。

　　4.電磁場作用。高功率鐳射所產生的強電磁場，可以使生物組織發生明顯的變化。

　　5.刺激作用。主要指功率較低的He-Ne鐳射對機體的作用。可促進神經再生，毛髮生長，降低的血細胞回升，使骨痂生長迅速而使骨折癒合，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鐳射所具有。而光化學反應和光刺激作用主要由小功率鐳射引起，熱效應則大、中、小三種功率的鐳射均有。

　　鐳射手術 即利用功率密度較高的鐳射束，對病灶進行汽化、凝固、切割。特點是：1.出血少或不出血。鐳射有熱凝固作用，能封閉直徑小於1mm的動脈和2mm的靜脈，因此術中可以少出血或不出血，術中或術後可以不輸血或少輸血。2.減少感染機會。鐳射對組織無機械接觸，而且鐳射的高溫還可以殺菌，故可以減少傷口感染率。3.防止腫瘤轉移。連續鐳射手術時封閉了小血管和淋巴管，又不壓迫腫瘤，從而防止腫瘤轉移。4.精確度高。由鐳射器發射出的鐳射束是以定向的方式幾乎毫不發散地沿空間極小的立體角範圍傳播，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。5.手術時間短。術中多數小血管不出血,不需結紮;出血量少,手術清晰，病變和正常組織易於分辨，故鐳射手術時間短。6.可做腔內精細手術。藉助各種內窺鏡如喉鏡、氣管鏡、食管鏡、胃鏡、膀胱鏡等或外科顯微鏡，通過光導纖維將鐳射束匯入臟器腔或血管內，可進行凝固止血或汽化切割病變組織息肉、癌腫等，也可以粉碎結石、清除血管內血栓等。7.術後反應輕，副作用小。

　　四.光學相干層析技術

　　將光學相干技術與鐳射掃描共焦技術相結合的光學相干層OCT，利用裡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訊號被探測到，而離開焦點的散射光不會被探測成像這一鐳射共焦顯微鏡技術的結合。避免了單一鐳射掃描共焦顯示技術只能用於透明組織，如角膜、面板這一特點，可以用於探測食道，宮頸、腸道等器官，使醫生看到10毫米大小

　　的組織，無損傷地瞭解主旨結構成分。特別值得一提的是它可以用於探測心臟、腦等遺忘無法活檢的器官和組織，所以，OCT在醫學上被稱為“光學活檢”。

　　1.工作原理

　　光學相干層析成像的實質是基於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。光源產生的弱相干光近紅外光，如1310nm發出的光經耦合透鏡OL1 注入一個2×1光纖耦合器FC1;同時指示光源發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 另一束出射後，經過掃描裝置進入待測量的樣品後有一定的穿透深度，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， 並在2×2 耦合器FC2 相遇發生干涉疊加。疊加後的光場被分束並經過FC1、FC3 到達其另一端，其強度訊號被探測器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，將產生對干涉訊號的多普勒頻率調製。於是兩路干涉訊號經過兩個光電轉換器後,進行差分放大、濾波、解調及模數轉換。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佈。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 平面的二維影象。最後通過採集卡採集訊號輸入計算機,獲得掃描點的干涉強度資訊。所得資訊經過軟體處理後得到我們需要的OCT 圖樣。

　　2.在醫學方面的應用

　　1眼科診斷

　　OCT 可用於檢測諸如青光眼、糖尿病水腫等需要定量測試視網膜變化的疾病

　　[8]，也可以很好的觀察眼球前部病變，探測深度可達2cm[9]，OCT 對眼底結構觀察的清晰度遠高於其它檢查方法。David Huang 等[1]首先利用這一技術獲得人眼視網膜細微結構和冠狀動脈壁結構，在青光眼的情況下， 該技術可使醫師能夠掌握視神經纖維層的變化情形，而不必再去測量眼壓及視場區域的變化。在糖尿病的情形下，眼科醫生可以對視網膜的腫脹進行定量測量，這種水腫往往是糖尿病的早期徵兆。

　　2牙科診斷

　　Colston 等於1997 年首次報道用OCT 取得離體豬前磨牙的牙本質和牙周組織的OCT 影象[10],在1992 年，Fujimoto 等就提出了偏振敏感OCT 的概念PS-OCT，在PS-OCT 中，使用樣品對背散射光雙折射的大小成像，對於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構資訊， 而這些是傳統的OCT 做不到的。A.Z. Freitas, 最近用OCT 得到牙齒微結構的三維影象、對口腔的健康狀況作了定量與定性分析、討論了齲齒早期發現問題

　　3內窺應用

　　內窺OCT 可用於執行生物活檢、監測人體器官的功能狀態、引導手術或其它治療、監測術後恢復過程等。在醫學實踐中，活檢切除部位的選擇通常基於視覺診察或較大組織區域內生物化學資料，但可能導致錯誤的臨床結果。OCT 能精確表示結構變化區域的邊界，因此，能提供活檢切除部位的精確示意圖。在消

　　化系統中，可用於診斷淺表組織層中早期的胃腸道癌，達到可完全治癒水平。 參考文獻：

　　1. 張燦邦.《鐳射與生命科學》.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鐳射與紅外，20069：878-879.

　　3. 盛新志.《鐳射原理及應用》.2007. P225-240.

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