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0431-81702023
光学工程
医学光子技术的分类以及研究的内容

      医学光子技术分为两大类:光子诊断医学技术与光子治疗医学技术,前者是以光子作为信息载体,后者则以光子作为能量载体。 目前,无论是光诊断还是光治疗技术,多以激光为光源。如果着眼于人体应用为对象,这两种技术则归属于激光医学范畴。激光医学是医学光子技术的一个特有的重要应用领域,也是近多年来迅猛兴起的一个新学科分支(详见本节第3点)。
      根据国际、国内的发展情况,以下诸点是医学光子技术的主要研究内容:
      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。
      1.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。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断和定位的实时荧光图像处理系统。
      激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注,光谱检验法的灵敏度很高,如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰,来诊断癌细胞的存在,则对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今该技术在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据,关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。 目前,某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用,自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究,探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究,以期获得极其稳定、可靠的特征数据,为诊断技术的发展提供科学依据。 

      2.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。目前,这一研究领域尚处于起步阶段,应加紧开展以下研究工作:其一,对重要医学物质的喇曼光谱进行研究,并建立其光谱数据库(包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等);其二,研究疾病的喇曼光谱,分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理;其三,开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。

     3.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。因此,将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视,其一,应发展超快时间分辨荧光光谱技术,用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间,分析癌组织分子驰豫动力学性质等,为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据;其二,应发展超快时间分辨漫反射(透射)光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射,从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法,为确知光与生物组织的相互作用,解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。应抓紧开展原理与技术的研究,以获得有价值的活体光学参数,为光诊断与光治疗技术的发展提供依据。
      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。目前研究工作主要集中在以下几个方面:
      1.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; 

      2.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; 

      3.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。高频调制的光射入生物组织,被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布,形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅衰减系数在生物组织中传播,又被折射、衍射、色散、散射,因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅和相位,再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。

      4.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。如采用锁摸激光器作光源,条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量,再用逆问题算法进行图像重建。目前,逆问题算法大体有两类:一类为蒙特卡罗法,采用这种方法,图像重建精度高,但是计算复杂;另一类是基于光的传输方程,采用优化算法,根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建。
     除了上面四种技术外,近年来还发展了其它一些生物组织成像技术,如空间选通门成像技术、时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前,国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段,离实用化还有相当距离,但人们已经看到它初露曙光。
     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。


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